Головна ⇒ 📌Біологія ⇒ ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ В КЛІТИНІ І НАВКОЛИШНЬОМУ СЕРЕДОВИЩІ

ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ В КЛІТИНІ І НАВКОЛИШНЬОМУ СЕРЕДОВИЩІ

Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи

Тема 5. Біомолекулярний склад живого

§ 17. ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ В КЛІТИНІ І НАВКОЛИШНЬОМУ СЕРЕДОВИЩІ

Терміни та поняття: органічна речовина, вуглеводні, спирти, гідрофільні, гідрофобні й амфіфільні сполуки, біомолекули, ковалентний зв’язок, високомолекулярні сполуки, білки, нуклеїнові кислоти, цукри, вуглеводи, ліпіди, пестициди.

Що таке органічні речовини. У сучасній хімії органічними речовинами називають майже усі сполуки Карбону. (Пригадайте, які сполуки Карбону належать

до неорганічних.) Назву “органічні” вони дістали тому, що спочатку вважалося: живі організми й тіла неживої природи побудовані з абсолютно різних сполук, тобто речовини, властиві живим організмам, можна отримати лише від живого, “від організму”. І тільки коли з амоніаку NН3 та вуглекислого газу СО2 було синтезовано органічну сполуку – сечовину (CH4N2O) (пригадайте, який вчений уперше провів таку реакцію), стало очевидним, що речовини, які входять до складу живих організмів, за своїм складом не відрізняються від хімічних сполук тіл неживої природи. Нині описано структуру понад 10 млн. органічних сполук, частину

з них виділено з живих організмів, однак значно більшу кількість синтезовано в лабораторіях.

У чому ж полягають особливості будови органічних сполук?

– Основним типом хімічного зв’язку в молекулах органічних речовин є ковалентний зв’язок. Це найміцніший тип хімічного зв’язку. Він виникає внаслідок утворення спільних електронних пар атомів, що приводить до зв’язування різних атомів в одну молекулу. При цьому пара електронів одночасно належить сусіднім атомам. Особливо міцні зв’язки утворюються між атомами Оксигену, Карбону, Гідрогену і Нітрогену, які становлять, як ви пам’ятаєте, 98 % маси клітини. Річ у тім, що чим легші елементи, тим міцніші між ними ковалентні зв’язки, а згадані О, С, Н і N є найлегшими з хімічних елементів, здатних утворювати такий тип зв’язків. Найпростішою органічною сполукою є метан. (Пригадайте з курсу хімії, як утворюється цей зв’язок.)

– Ланцюги зі зв’язаних ковалентними зв’язками атомів Карбону утворюють основу, “скелет” молекули.

– Крім невід’ємних для всіх органічних сполук елементів Карбону і Гідрогену, в них майже завжди наявний Оксиген, рідше – Нітроген. Крім того, до складу органічних сполук можуть входити Фосфор і значно рідше – Сульфур, а до деяких складних органічних сполук – ще і йони металів (Fe2+, Cu2+, Mg2+). Іноді до складу органічних сполук входять залишки молекул неорганічних сполук, частіше за все – похідних орто – фосфатної кислоти. (З курсу хімії пригадайте інші особливості органічних речовин.)

Письменники-фантасти у своїх романах часто згадують про альтернативне життя на далеких планетах, яке можливе завдяки силіцій-органічним сполукам. Справді, Силіцій має ті самі хімічні властивості, що й Карбон, і утворює в лабораторних умовах величезну кількість речовин, зокрема всім відомий силікон. Проте внаслідок того, що атом Силіцію у 2,5 раза важчий за атом Карбону, а його ковалентні зв’язки з іншими атомами слабкіші, він не може бути повноцінним конкурентом Карбону і формувати такі довгі, міцні й хімічно активні молекули, як Карбон.

Хімічна структура і властивості органічних сполук.

Незважаючи на те, що понад 98 % складу органічних сполук складаються лише з чотирьох елементів, їх загальна кількість у сотні разів більша за число неорганічних речовин, які утворюються значною кількістю хімічних елементів.

Найпростіші органічні сполуки складаються з атомів Карбону й Гідрогену і мають назву вуглеводні. Саме вони входять до складу природного газу і нафти. Окільки молекули вуглеводнів неполярні, вони не розчиняються у воді і мають гідрофобні (від грец. гідро – вода і фобос – страх) властивості. Вуглеводні, молекули яких містять не більше 4 атомів Карбону, є газами, від 5 до 10 атомів Карбону – рідинами, а понад 10 – твердими речовинами (саме із цих високомолекулярних вуглеводнів виготовляють парафінові свічки). Вуглеводні, у карбонових ланцюгах яких між атомами Карбону існують одинарні зв’язки, називаються насиченими, а вуглеводні, що мають подвійні зв’язки між атомами Карбону в молекулах, – ненасиченими. (Пригадайте з хімії структурні формули насичених і ненасичених вуглеводнів.) Карбоновий ланцюг може мати лінійну форму або циклічну – утворювати кільце. Причому кільце з шести атомів Карбону, в яких є три подвійних зв’язки, називається бензольним кільцем. Воно є основою багатьох органічних речовин, які називаються дуже романтично – ароматичні сполуки. (Здогадайтесь, чому в них така назва.) Вони відіграють важливу роль в живих системах, зокрема їх похідні є компонентами деяких амінокислот. (Пригадайте, що ви знаєте про ці речовини.)

Найпростіші органічні сполуки, до складу яких входить Оксиген, називаються спиртами. Молекули спиртів полярні, їм притаманні властивості слабких кислот, вони розчиняються у воді й належать до гідрофільних (від грец. гідро – вода і філео – люблю) сполук. Спирти, які мають одну гідроксильну групу ( ОН), називаються одноатомними, якщо дві й більше – багатоатомними. Особливого значення в живих організмах набувають сполуки три атомного спирту – гліцерину. (Пригадайте, до складу яких біологічно важливих органічних сполук входить гліцерин.)

Цікаво, що триатомний спирт (гліцерин) для організму людини – речовина не лише нешкідлива, а й необхідна, тоді як двохатомний спирт (етиленгліколь) – отрута. Якщо в молекулі органічної сполуки між атомом Оксигену й атомом Карбону є подвійний зв’язок, то ця речовина належить до альдегідів, кетонів, карбонових кислот або їх похідних. Наприклад, глюкоза і фруктоза, необхідні клітині, містять у складі молекул залишки альдегідів або кетонів відповідно.

Полярні властивості притаманні молекулам карбонових кислот. У цих сполуках міститься карбоксильна група (СООН). Карбонові кислоти відіграють важливу роль у метаболізмі, оскільки є проміжною ланкою багатьох хімічних реакцій, карбонові кислоти з кількістю атомів Карбону в молекулі 15 і більше входять до складу жирів.

Хімічний склад клітини людини (середні показники)

Речовини	Вміст, %
Вода	85
Білки	10
Нуклеїнові Кислоти	1,1
Ліпіди	1,2-2
Вуглеводи	0,2-0,4
Мінеральні Солі	1-1,5

Спирти і карбонові кислоти здатні реагувати між собою з утворенням особливих груп органічних сполук – етерів та естерів, наприклад, діетиловий етер має формулу С2Н5 – О – С2Н5.

Органічні сполуки, молекули яких складаються з двох частин (залишків великих молекул), одна з яких гідрофоб на, а друга гідрофільна, мають амфіфільні (від грец. амфі – з двох боків і філео – люблю) властивості. Саме до цієї групи органічних сполук належать органічні речовини, які становлять основу клітинної мембрани.

Що таке біомолекули. Біомолекули – це молекули органічних речовин, які мають біологічну активність. Як правило, біомолекули утворюються в живих організмах, проте сучасний розвиток науки відзначається активним синтезом цих речовин в лабораторних умовах. Навіть найпростіші спирти, альдегіди, кетони, карбонові кислоти й амінокислоти (структурна ланка білків) утворюються в об’єктах живої природи. Саме з цих невеликих молекул в клітинах синтезуються величезні за розміром молекули, які називають високомолекулярними сполуками, їх маса нараховує тисячі й мільйони атомних одиниць.

Найбільш прості органічні сполуки – вуглеводні, які містяться в земній корі, ніколи не бувають компонентами живого.

Чому біомолекули такі різноманітні. Всього виокремлюють чотири основні групи органічних сполук, що неодмінно входять до складу клітини будь-якого організму: білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і ліпіди. Крім того, до складу клітини входить ще багато органічних сполук, які мають певну біологічну активність (табл. 5). Органічні речовини становлять близько 15 % від маси клітини.

Органічні речовини, що входять до складу живих організмів, дуже різноманітні за своєю будовою. Причина такого різноманіття на перший погляд проста: різна будова – різні функції. Це, безперечно, так. Зрозуміло, що за своєю будовою дуже відрізняються різні класи біологічно активних речовин. Крім того, в межах цих класів існують певні групи, види і різновиди білків, ліпідів, вуглеводів та інших речовин, які також спеціалізовані на виконанні певних функцій, що приводить до збільшення різноманіття біологічних молекул. При цьому правильним буде припущення, що чим більш розвинений організм, тим більше в ньому працює різноманітних речовин.

Однак існує ще один рівень різноманіття – різноманіття біомолекул, які виконують у різних організмах однакові функції, але, незважаючи на це, мають відмінності в структурі. Це стосується найбільших за розмірами молекул: білків та нуклеїнових кислот ДНК. При цьому це різноманіття настільки велике, що не піддається підрахунку. Вважається, що кожний організм, який виник внаслідок статевого розмноження, має свої і тільки свої унікальні молекули ДНК. Це означає, що скільки на планеті багатоклітинних істот, стільки ж молекул ДНК зі своєю особливою структурою. Крім того, кожний вид характеризується особливим складом білків. Це, у свою чергу, доводить, що на планеті існують мільйони різних білків. (Скільки на Землі видів живих істот, які синтезують щонайменше сотні специфічних для даного виду білків?) При цьому слід зазначити, що будова інших органічних молекул (жирів, вуглеводів, вітамінів тощо) досить стала, а в деяких випадках і універсальна для всіх груп рослин і тварин. У чому причини такого грандіозного різноманіття саме цих найбільших за розмірами біомолекул – білків та ДНК, причому остання (зверніть на це увагу) є носієм генетичної інформації, що реалізується через білки? Кожна особина унікальна за своїми ознаками і будовою, що є наслідком неповторності будови генетичного апарату, який, перш за все, складається з ДНК. Тому питання про причини різноманіття макромолекул – це не питання біохімії, а загальнобіологічна проблема індивідуальної мінливості. Дійсно, кожна особина, зокрема серед людей (за винятком однояй – цевих близнюків), є за своїми ознаками і будовою унікальною особистістю, в тому числі і на біохімічному рівні. Кожен з нас має свій неповторний набір біохімічних речовин, кожен – єдиний у світі унікум.

Органічні речовини в середовищі існування. Навколишнє середовище містить величезну кількість органічних речовин природного походження: це, наприклад, рештки померлих тварин і рослин, що утворюють гумус або водяну органіку. Крім того, у воді, повітрі та грунті за останні п’ятдесят років накопичилося багато синтетичних органічних сполук. Ці речовини, хоча й винайдені людиною начебто для її ж користі, є чужорідними не тільки для людського організму, але й живої природи в цілому. Викликає занепокоєння, що з року в рік концентрація ксенобіотиків (пригадайте, що саме так називаються речовини, чужорідні для живих організмів) у довкіллі стає все більшою, а це, поряд зі зростаючим дефіцитом природних ресурсів, вже ставить під сумнів не тільки можливість існування сучасної цивілізації, але й взагалі живої природи в її теперішньому вигляді.

Загрозливого масштабу, наприклад, набуло накопичення фреону у верхніх шарах атмосфери. Фреони – це негорючі гази, які складаються з флуорпохідних метану та етану. Їх використовують в холодильних установках, кондиціонерах. Оскільки молекули цих речовин дуже інертні й легші за повітря, вони накопичуються у верхніх шарах атмосфери, що призводить, на думку багатьох вчених, до потоншення шару озону. (Пригадайте, склад молекули озону.) Адже саме озон стримує потоки ультрафіолетового випромінювання, захищаючи живі організми від великих доз, які є шкідливими. Там, де шар цього газу стає дуже тонким, утворюються так звані “озонові діри”. У таких місцях населення отримує з космосу додаткові дози опромінення, що призводить, як вважається, до різкого зростання випадків захворювання на рак шкіри.

Мал. 91.Заводська упаковка 5 % розчину ДДТ, що вироблялась у 50-х роках ХХ ст.

Небезпеку для живого несуть й інші речовини, синтезовані людиною, все більша кількість яких акумулюється в навколишньому середовищі. Це стосується поліетилену та різного роду пластмас, що зберігаються в грунті чи воді тисячоліттями, не включаючись у природні цикли.

Особливе занепокоєння викликають нафтопродукти, які щорічно тисячами тонн виливаються з танкерів у Світовий океан і на десятки років роблять акваторії в сотні квадратних кілометрів непридатними для життя.

Загрозу життю і здоров’ю не тільки нинішнього, але й майбутніх поколінь людей становлять різні отрутохімікати – пестициди (від лат. пестіс – зараза і цидо – вбиваю), синтезовані для знищення різноманітних комах-шкідників сільськогогосподарства, патогенних грибків та бур’янів. Пестициди, як з’ясувалося, здатні вбивати не тільки комах, але й по волі отруювати організм самих винахідників. Тільки цей процес у людей, на відміну від комах, які вмирають миттєво, розтягується на десятки років, тому не такий помітний. Найбільш небезпечним наслідком використання отрутохімікатів є той факт, що ці речовини не лише негативно впливають на організми сучасників, але здатні згубно діяти на їх нащадків.

Автор ідеї застосування ДДТ (4, 4, дихлор-дифеніл-трихлоретан) (мал. 91), наймасовішого та найвідомішого пестициду, швейцарський хімік П. Мюллер у 1948 р. отримав Нобелівську премію з медицини. Минуло 30 років і стало зрозумілим, що ДДТ шкідливий не лише для комах, але й для людини. Зараз використання цього препарату заборонено.

Органічні речовини – це сполуки Карбону з іншими хімічними елементами. Органічні сполуки можуть бути гідрофільними – розчинними у воді та гідрофобними – нерозчинними. Обов’язковими компонентами будь-якої клітини є органічні сполуки чотирьох класів: білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і ліпіди.

Серед відходів виробництва існує багато органічних сполук, що є чужорідними для живих істот, тому вони не засвоюються організмами, а накопичуються в навколишньому середовищі. Деякі з них, потрапляючи в організм людини, завдають шкоди не тільки її здоров’ю, але й майбутнім поколінням.