Атомы углерода могут соединяться друг с другом и образовывать прямые, разветвленные цепи, а также кольцевые структуры органических соединений. Эти структуры образуют биологические полимеры и выступают в качестве основ различных типов органических соединений клетки.
Содержание:
- Важнейшие органические соединения клетки
- Изомеры органических соединений
- Функциональные группы органических веществ
- Мономеры и биологические полимеры
Сегодня известны миллионы различных органических веществ.
Некоторые примеры важных биологических молекул включают витамины, ферменты, полифенолы и множество других.
Хотя большинство углеродсодержащих молекул являются органическими соединениями, есть несколько исключений.
Такие соединения как карбиды, карбонаты, простые оксиды углерода (CO2), аллотропы углерода и цианиды, считаются неорганическими.
|
Важнейшие органические соединения клетки (белки, жиры, углеводы, нуклеиновые кислоты) и их функции.
Каждый из 4 основных типов биомолекул является важным компонентом клетки и выполняет множество функций.
К четырем основным органическим веществам клеток относятся:
1) Углеводы
2) Липиды
3) Белки
4) Нуклеиновые кислоты
Помимо их специфических функций, углеводы, липиды и белки служат источником энергии, тогда как нуклеиновые кислоты являются важными макромолекулами обеспечивающими непрерывность жизни.
Углеводы
Растения и водоросли ежегодно фотосинтезируют миллионы тонн углеводов.
Основная функция углеводов заключается в обеспечении энергии, в основном посредством одного из мономеров углеводов - глюкозы.
Во время клеточного дыхания глюкоза разрушается и окисляется внутри клеток. Этот процесс используется для синтеза АТФ - источника энергии для клеточных реакций. Когда количество АТФ является достаточным для организма, простые углеводы превращаются в углеводные полимеры (гликоген или крахмал) или жиры и запасаются.
Во всех живых организмах углеводы также имеют другие важные функции.
Например, они служат в качестве строительных материалов растительных клеток и, при прикреплении к внешним поверхностям цитоплазматической мембраны, выполняют функцию идентификацию одной клетки другой клеткой.
Липиды
Липиды включают разнообразную группу биомолекул. Они нерастворимы в воде и включают в себя в основном неполярные углерод-углеродные или углерод-водородные связи.
Эти органические соединения клетки являются наиболее распространенной и энергоемкой формой биомолекул служащей для запасания энергии. Избыток углеводов превращаются в жир для будущего использования. 1 г жира производит 38 кДж (против 17 кДж для углеводов и белков).
В клетке липиды выполняют множество функций.
Например, растения и животные используют жир как термоизоляцию от температурных перепадов окружающей среды. Липиды являются важной частью всех клеточных мембран и многих гормонов.
Белки
Белки представляют собой самую разнообразную группу из всех 4 важнейших органических соединений клетки. Их макромолекулярные структуры и функции сильно различаются.
Живая клетка содержит тысячи белков, каждая из которых выполняет уникальную функцию.
Белки могут выступать в качестве структурных строительных блоков и функциональных молекул, задействованных практически во всех задачах клетки. Все ферменты являются белками.
Этот класс органических соединений состоит из полимеров. Мономерами белков являются 20 аминокислот.
Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию о функционировании клетки.
Нуклеиновые кислоты включают два основных класса биологических молекул, дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) и рибонуклеиновую кислоту (РНК), и состоят из нуклеотидов.
Ферменты белков и нуклеиновых кислот катализируют биохимические реакции как при катаболизме, так при анаболизме макромолекул.
Катаболизм - разрушение биомолекул в живых организмах.
Анаболизм - синтез сложных биологических макромолекул.
Изомеры органических соединений
Одно из основных качеств органических молекул обладать разнообразием свойсв зависит, в частности, от их способности формировать изомеры.
Изомеры органических веществ - соединения с одинаковой молекулярной формулой, но с разными расположениями атомов в пространстве.
Существует два основных типа изомеров:
- Структурные изомеры
- Стереоизомеры
Структурные изомеры биомолекул различаются по размещению их ковалентных связей.
Примерами структурных изомеров являются мономеры углеводов - глюкоза и фруктоза. Из-за их различных структур они имеют разные свойства и метаболизируются по-разному.
Стереоизомеры - имеют сходные расположения их ковалентных связей, но отличаются тем, как эти связи располагаются в пространстве относительно других атомов. Стереоизомеры могут быть геометрическими или оптическими.
Геометрические изомеры могут иметь разные физические, но сходные химические свойства.
Примерами геометрических изомеров являются глюкоза и галактоза.
Оптические изомеры (энантиомеры) обычно имеют сходные химические и физические свойства, однако ферменты обычно отличают одну биомолекулу от другой.
Как правило, один оптический изомер биологически активен, а другой неактивен.
Функциональные группы органических веществ клетки
Когда одни биологические молекулы реагируют с другими биомолекулами, в реакции обычно участвуют только функциональные группы. Поэтому каждая функциональная группа органического вещества играет определенную роль в клеточном метаболизме.
Функциональные группы представляют собой определенные группы атомов внутри молекул органических соединений, которые отвечают за характерные химические реакции этих молекул.
Эти функциональные группы включают такие группы, как гидроксильные, карбонильные, карбоксильные, амино, сульфгидрильные и фосфатные группы.
Многие биомолекулы имеют более одной функциональной группы.
Каждая функциональная группа способна модифицировать химические свойства макромолекул, с которыми она связана.
Гидроксильная группа
Гидроксильная группа представляет собой функциональную группу спиртов. Она добавляет полярность к органическим молекулам. Одним из примеров спиртов является глицерин. Глицерин является полиспиртом и важной частью триглицеридов и фосфолипидов.
Карбонильная группа
Карбонильные группы альдегидов и кетонов обычно также увеличивают полярность и реакционную способность биологических молекул. Биомолекулы, содержащие карбонильные группы, как правило являются летучими и могут иметь как приятные, так и неприятные запахи.
Карбоксильная группа
Карбоксильная группа карбоновых кислот содержит как карбонильную группу, так и гидроксильную группу, связанную с одним и тем же атомом углерода. Органические молекулы, содержащие карбоксильные группы, часто сильно полярны и химически активны. Широко распространенные биомолекулы, содержащие карбоксильные функциональные группы, это жирные кислоты и аминокислоты.
Аминогруппа
Аминогруппы также увеличивают полярность и реакционную способность органических молекул. Они легко образуют водородные связи с другими полярными молекулами и водой. Амины являются слабыми основаниями. Амино и карбоксильные группы аминокислот взаимодействуют друг с другом с образованием пептидных связей белков.
Фосфатная группа
Фосфатные группы являются высококислотными и реакционноспособными. Фосфаты играют существенную роль в метаболических процессах фотосинтеза и клеточного дыхания. Передача фосфатной группы от одной молекулы к другой служит источником энергии для химических реакций.
Сульфгидрильная группа
Сульфгидрильная (-SH) группа необходима для стабилизации белка.
Аминокислоты с -SH-группами образуют связи, называемые дисульфидными мостиками (S-S-связи), которые помогают молекулам белка принимать и поддерживать определенную форму.
Мономеры и полимеры органических веществ клетки
Большинство органических соединений (биомолекул) состоит из одиночных субъединиц или строительных блоков, называемых мономерами.
Мономеры объединяются друг с другом с использованием ковалентных связей и образуют крупные молекулы, которые известны как полимеры.
Полимеры могут быть разделены на две большие группы:
- природные или биологические полимеры;
- синтетические или искусственные полимеры.
Два основных типа реакций, связанных с синтезом и деградацией биологических молекул, - это гидролиз и дегидрирование.
Полимеры расщепляются на мономеры в процессе, известном как гидролиз. В реакции гидролиза для расщепления используется вода.
Реакции дегидратации включают образование новых связей, требующих энергии, тогда как реакции гидролиза разрушают связи с выделением энергии.
Реакции дегидратации и гидролиза катализируются или «ускоряются» специфическими ферментами.
Макромолекулы (природные полимеры) сформированы
из небольших строительных блоков - мономеров.
| Биологические полимеры | Мономеры органических веществ | Функции |
|---|---|---|
| Углеводы (карбогидраты) | моносахариды | сохранение энергии, компонент стенок клеток растений, внешний скелет насекомых и связанных с ними групп |
| Протеины |
аминокислоты |
катализ, элементы структуры |
| Нуклеиновые кислоты (ДНК, РНК) | нуклеотиды | кодирование наследственной информации |
|
Жиры (липиды) |
-------- |
хранение энергии, компонент клеточных мембран, передача сигналов (гормоны), клеточные пигменты участвующие в фотосинтезе |
