Органические вещества в биосистемах

Органические вещества – это химические соединения углерода с другими элементами, исключая угарный и углекислый газы, угольную кислоту и ее соли (карбонаты и гидрокарбонаты).

Простейшим органическим веществом-углеводородом является метан (СН4), или болотный газ. Считается, что этот газ служил важнейшим элементом химического этапа возникновения жизни – основой для синтеза более сложных органических соединений. Метан сохранил свое значение и в некоторых современных биосистемах – существует группа древнейших бактерий, продуктом обмена веществ которых является метан. Ряд бактерий используют метан в энергетическом обмене, окисляя его до метилового спирта или метановой (муравьиной кислоты). Благодаря деятельности метанобразующих бактерий на Земле ежегодно образуется 108 т метана – основы природных горючих и рудничных газов. Некоторые из таких бактерий обитают в желудке животных и человека.

В биосистемах широко представлены разнообразные производные углеводородов, у которых атомы кислорода замещены другими химическими группами. К таким органическим соединениям относятся спирты, альдегиды и кетоны, карбоновые кислоты.

Для спиртов характерно наличие гидроксильной группы -ОН. Самым простым из них является метиловый спирт, или метанол (СН3ОН), который образуется или используется в обмене веществ ряда бактерий. Этиловый спирт, или этанол (СН3-СН2ОН), - конечный продукт энергетического обмена (спиртового брожения) у дрожжей в бескислородных условиях. В небольших количествах этанол образуется и в организме человека, где в кислородных условиях может использоваться в энергетическом обмене, окисляясь на первом этапе до уксусной кислоты.

К биологически важным спиртам относится глицерин, или глицерол (СН2ОН-СНОН-СН2ОН), который необходим для синтеза жиров и сложных мембранных липидов. У животных он может использоваться для синтеза глюкозы.

Альдегиды и кетоны содержат карбонильную группу =СО, альдегиды – концевую, кетоны – внутреннюю. Простейшим из них является метановый альдегид, или формальдегид (СН2О), принимающий участие в обмене веществ некоторых бактерий. Такое же значение имеет этановый альдегид, или ацетальдегид (СН3-СНО).

Карбоновые кислоты характеризуются наличием карбоксильной группы -СООН. Самой простой из них является метановая, или муравьиная, кислота (НСООН), выделенная еще в 1670 г. из муравьёв.

Важное значение в биосистемах имеет этановая, или уксусная, кислота (СН3-СООН). Она является универсальным субстратом кислородного этапа энергетического обмена у всех аэробных организмов и конечным продуктом бескислородного энергетического обмена у некоторых бактерий. Кроме того, уксусная кислота используется организмами для синтеза более сложных органических соединений, в частности длинноцепочечных карбоновых кислот (жирных кислот) и холестерина.

В биосистемах широко представлены органические молекулы, имеющие в своем составе одновременно различные функциональные группировки. К ним, например, относятся углеводы, содержащие карбонильную и несколько гидроксильных групп.

Самым простым углеводом является глицеральдегид (СН2ОН-СНОН-СНО). Он образуется в процессе фотосинтеза у растений и служит для синтеза более сложных органических соединений, в частности глюкозы и жирных кислот. Глицеральдегид также является промежуточным продуктом расщепления глюкозы в энергетическом обмене у большинства организмов.

К более сложным углеводам (моносахаридам), имеющим огромное значение в биосистемах, относятся рибоза, глюкоза, фруктоза и галактоза.

Необходимыми для всех клеток и организмов являются азотсодержащие органические соединения. Многие из них содержат аминогруппу -NH2. К таким соединениям относятся аминокислоты, образующиеся путем присоединения аминогруппы к органическим кислотам. Простейшей аминокислотой является глицин (NH2-CH2-COOH).

Важная группа аминокислот – α-аминокислоты, содержащие аминогруппу, присоединенную к первому атому углерода после карбоксильной группы. Основное значение этих аминокислот заключается в том, что они входят в состав белков.

Атом азота в важных биологических соединениях может содержаться не только в аминогруппе, но и соединяться с двумя атомами углерода внутри молекулы (например, C-N=C). К таким соединениям, в частности, относятся азотистые основания (пурины и пиримидины) нуклеотидов, из которых синтезируются нуклеиновые кислоты. Аналогичные структуры находятся в составе небелковой части гемоглобина и хлорофилла.

Таким образом, простые органические соединения широко представлены в живых системах. Многие из них образуются или используются в обмене веществ с целью получения энергии и для синтеза более сложных органических соединений.