1.4. Общая характеристика органических соединений

Вещества, в состав которых входят атомы углерода, называются органическими. Многообразие органических веществ обусловлено строением атома углерода и его химическими свойствами, способного образовывать химические связи различного типа между собой и атомами O, N, H. Атомы углерода способны образовывать стабильные цепи и кольца, служащие скелетами макромолекул. Среди органических веществ наибольшее биологическое значение имеют белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, жиры.

Белки – это природные биополимеры, продукты реакции поликонденсации аминокислот. Аминокислота – полифункциональное органическое вещество, имеющее в своем составе две функциональные группы: аминогруппу (–NH₂) и карбоксильную группу (–СООН), соединенных с радикалом, также содержащим различные функциональные группы атомов. Природных аминокислот 18-23, их сочетание образует большое количество разновидностей молекул белков. По характеру влияния аминокислот на обмен веществ их разделяют на заменимые и незаменимые. Незаменимые аминокислоты должны обязательно поступать в организм с пищей.

При образовании молекул белков между аминокислотами образуется «пептидная» связь (–C–N–). Белки кроме сложного состава характеризуются и сложным строением белковых молекул. Различают четыре вида структур белковых молекул. Первичная структура – порядок расположения остатков аминокислот в полипептидной цепи. Вторичная структура – пространственное расположение полипептидной цепи (спираль или линейные структуры). Устойчивость молекуле обеспечивается различными химическими связями (водородной, ионной и других видов связи) между отдельными витками спирали. Третичная структура – пространственные расположением спирали, или иной структуры. Четвертичная структура – пространственное расположение субъединиц молекул белка, характерна для сложных белков, например гемоглобина.

Белок в живом веществе по структуре отличается от белка, подвергшегося воздействию, при котором он теряет структуру (четвертичную или третичную структуру белковой молекулы) и свойства живого белка. Неглубокое воздействие называют денатурацией, при которой свойства белка могут восстанавливаться. Одним из видов денатурации является обратимая коагуляция. При необратимой коагуляции нативный белок превращается в «мертвый белок».

По составу различают две группы белков: протеины и протеиды. Протеины – простые белки, молекула образована только белком, например яичный альбумин. Протеиды – сложные белки, молекулы которых состоят из белковой и небелковой составляющих. Протеиды подразделяются на несколько групп, важнейшими из которых являются: гликопротеиды (сложное соединение белка и углевода), липопротеиды (комплекс молекул белка и липидов), нуклеопротеиды (комплекс белков и молекул нуклеиновых кислот).

По форме молекулы среди белков различают две группы: глобулярные и фибриллярные. Молекулы глобулярных белков имеют шарообразную форму, например у яичного альбумина. Такие белки растворимы в воде, способны к образованию коллоидных растворов. Фибриллярные белки имеют молекулы в форме нитей (фибрилл), например, миозин мышц, фиброин шелка. Фибриллярные белки нерастворимы в воде. По растворимости в различных растворителях белки разделяют на водорастворимые и жирорастворимые.

Функции белков в клетке: структурная, реагентная, каталитическая, энергетическая, запасающая. Функции белков в организме: воспринимающая, проводящая, сократительная, трофическая.

Жиры – органические соединения, являющиеся сложными эфирами, образованными остатками высших жирных кислот и спиртов, например глицерина. Липиды – жироподобные вещества. Среди жиров большое значение имеют глицериды – сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. В молекулах жиров могут содержаться одинаковые или разные остатки жирных кислот. Глицериды в своем составе содержащие остатки фосфорной кислоты называют фосфоглицеридами.

По характеру углеводородного радикала жирные кислоты бывают предельными (масляная, пальмитиновая, стеариновая) и непредельными (олеиновая, линолевая, линоленовая). По агрегатному состоянию различают твердые и жидкие жиры. Примером твердого жира является тристеарин, жидкого – триолеин. Жидкие и твердые жиры отличаются по составу: в состав жидких жиров входят остатки непредельных жирных кислот, а в состав твердых – предельных жирных кислот.

Функции жиров в организме: строительная, запасная, запасание воды, терморегуляционная, энергетическая, трофическая, защитная.

Углеводы – это органические вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода, имеющие общую формулу С_n(Н₂O)_m. Углеводы подразделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды – это углеводы, общая формула которых С_n(Н₂О)_n. Моносахариды по числу атомов углерода, содержащихся в молекуле, различают на тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы. Наибольшее биологическое значение имеют пентозы и гексозы.

Пентозы – это моносахариды, молекула которых содержит 5 атомов углерода. Среди них важное биологическое значение имеют рибоза и дезоксирибоза. Формула рибозы – С₅Н₁₀С₅. Рибоза входит в состав рибонуклеотидов, структурных единиц рибонуклеиновой кислоты (РНК). Формула дезоксирибозы – С₅Н₁₀O₄. Дезоксирибоза участвует в образовании дезоксирибонуклеотидов, мономеров дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

Гексозы – это моносахариды, молекулы которых содержат шесть атомов углерода. Общая формула гексоз С₆(Н₂O)₆. Наибольшее значение в природе имеет глюкоза, используемая организмом в качестве универсального питательного вещества и легкодоступного источника энергии.

Дисахариды образуются в резудьтате взаимодействия двух молекул моносахаридов. Важнейшим представителем дисахаридов является сахароза – продукт взаимодействия глюкозы и фруктозы. Ее формула в общем виде C₁₂H₂₂O₁₁. Для человека сахароза является источник глюкозы.

Полисахариды – это природные полимеры, образующиеся в результате взаимодействия большого количества молекул моносахаридов. Полисахариды на основе гексоз имеют общую формулу (С₆Н₁₀O₅)_n. Наиболее важными из полисахаридов являются крахмал, гликоген и целлюлоза (клетчатка).

Крахмал – это полисахарид, продукт реакции поликонденсации глюкозы. Крахмал выступает основным запасным веществом в растительных клетках, у животных и грибов запасным веществом является гликоген.

Молекулы крахмала имеют две разновидности, одна из которых называется амилоза (в этой молекуле нет боковых цепей), а другая – амилопектин, молекулы которых имеют боковые цепи. Гликоген по строению молекул подобен амилопектину. Важнейшим химическим свойством, обусловливающим биолого-экологическую роль крахмала и гликогена, является их способность подвергаться гидролизу с образованием глюкозы. Для животных крахмал – важнейший пищевой продукт.

Целлюлоза (клетчатка) – полисахарид, являющийся продуктом реакции поликонденсации глюкозы. Ее общая формула (С₆Н₁₀O₅)_n. В отличие от крахмала молекулы целлюлозы строго линейны и имеют фибриллярную («нитчатую») структуру. Целлюлоза образует механически прочные нитчатые структуры, обеспечивающие защиту отдельных органоидов клетки и механическую прочность различных растительных тканей.

В природных условиях клетчатка (после отмирания растений) подвергается разложению, в результате которого возможно образование гумуса, нефти, различных видов каменного угля.

Нуклеиновые кислоты – органические вещества, продукт реакции поликонденсации нуклеотидов. Нуклеотиды состоят из остатка фосфорной кислоты, пентозы, азотистое основание. Выделяют два типа нуклеиновых кислот: рибонуклеиновая (РНК) и дезоксирибонуклеиновая (ДНК), которые различаются рядом признаков и свойств.

Важность выполняемых функций ДНК и РНК обусловлены особенностью строения молекул. Выяснить структуру ДНК удалось в 1953 году английским ученым Д. Уотсону и Ф. Крику. Они показали, что ДНК состоит из двух полинуклеотидных цепей, закрученных в спираль вправо, обе цепи свиты вместе, образуя двойную спираль. Прочность молекуле ДНК придает взаимодействие с белками, образующими комплекс нуклеиновой кислоты и белка – нуклеопротеид.

Молекула РНК состоит из одной цепи и имеет небольшие размеры. Существует четыре основных вида РНК.

Вопросы для самоконтроля

1) Охарактеризуйте современную экологию как науку?

2) Какими признаками живой материи не обладают вирусы? В чем биологический смысл иерархии организации живой материи?

3) Имеется ли различие между химическим составом литосферы и живыми организмами? Почему без воды невозможна жизнь?

4) Почему раньше считалось, что жизнь – это форма существования белковых тел, а в настоящее время наибольшее значение приписывают нуклеиновым кислотам?

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Основная

1. Вахненко, Д.В., Гарнизоненко, Т.С., Колесников, С.И. Биология с основами экологии: Учебник для вузов / Под общ. ред. проф. В.Н. Думбая. – Ростов-на-Дону : Феникс, 2003. – 512 с.

2. Тупикин, Е.И. Общая биология с основами экологии и природоохранной деятельности / Е.И. Тупикин – М. : ИРПО, Изд. центр «Академия», 2004. – 688 с.

3. Евдокимов, Н.А. Общая экология, биология и биохимия: Учебно-методическое пособие для студентов специальности 320500 – «Мелиорация, рекультивация и охрана земель» / Н.А. Евдокимов. Саратов : Изд-во «Научная книга», 2011. – 89 с.

Дополнительная

1. Пехов, А.П. Биология с основами экологии: Учебник. / А.П. Пехов. – СПб. : Издательство «Лань», 2005. – 688 с.

2. Тейлор, Д., Грин, Н., Стаут, У., Биология: В 3-х т. Т. 1: Пер. с англ. / Под ред. Р. Сопера. – М. : Мир, 2004. – 454с.

3. Ярыгин, В.Н., Васильева, В.И., Волков, И.Н., Синелыцикова, В.В. Биология: В 2 кн. Кн. 1 / Под ред. В.Н. Ярыгина. – М. : Высш. шк., 2003. – 432 с.

Лекция 2