Что относят к органическим веществам клетки?

Органические вещества — это сложные углеродсодержащие соединения, имеющие крайне разнообразную структуру и свойства. Это могут быть как низко-, так и высокомолекулярные соединения, линейные или циклические, гидрофильные или гидрофобные, количество которых во много раз превосходит количество известных неорганических соединений.

Ранее считалось, что органические вещества синтезируются только живыми организмами. В действительности, все органические вещества, которые встречаются в природе, имеют отношение к живым организмам. Они либо входят в их состав, либо являются продуктами их жизнедеятельности.

Органические вещества клетки

Однако сейчас с помощью химического синтеза получено огромное количество органических веществ, намного превышающее число известных природных соединений.

Большинство органических веществ образовано небольшим количеством элементов: в них помимо углерода входит водород, многие также содержат кислород и азот. Эти четыре элемента могут легко образовывать ковалентные связи благодаря спариванию электронов на внешних орбиталях атомов.

В предыдущих постах уже было сказано, что атому углерода для полного заполнения внешней орбитали не хватает четырех электронов, т.е. он может образовывать четыре ковалентные связи (по числу общих электронных пар).

У атома азота  недостает трех электронов, а у атомов кислорода и водорода — двух и одного соответственно. Разнообразие органических веществ значительно увеличивается за счет того, что кислород способен образовывать и двойные связи, а углерод и азот не только двойные, но и тройные.

Это также придает органическим веществам новые свойства. Также в состав многих органических соединений входят сера и фосфор. Органические  вещества в живых организмах очень разнообразны и по своей структуре, и по выполняемым функциям. На этих этом основывается их классификация, хотя часто этот принцип не соблюдается так строго.

Например, в группу витаминов объединяют вещества, имеющие различную структуру и химические свойства, однако у всех витаминов высокая биологическая активность, и они необходимы животным или человеку в микроколичествах.

Кроме низкомолекулярных органических веществ, а именно, органических кислот, аминокислот, сахара, нуклеотидов, липидов и т.п., в состав живых организмов входят и высокомолекулярные вещества — биополимеры.

Полимеры — вещества, молекулы которых состоят из большого количества повторяющихся единиц или «мономерных звеньев» (мономеров). Благодаря ковалентным связям мономеры соединяются между собой, образуя длинные неразветвленные или разветвленные цепи.

Полимер, состоящий из одинаковых мономеров, называют гомополимером. Например, полисахариды состоят из молекул глюкозы. К ним относятся целлюлоза, крахмал, гликоген. Если же в составе полимера есть несколько различных «строительных блоков», он называется гетерополимером.

В качестве примера гетерополимеров можно привести белки, построенные из 20-ти различных аминокислот, или нуклеиновые кислоты, состоящие из  нуклеотидов 4-х разных типов. Гетерополимеры могут быть регулярными и нерегулярными.

Белки и нуклеиновые кислоты, к примеру, относятся к нерегулярным гетерополимерам, поскольку последовательности аминокислот в разных белках или нуклеотидов в ДНК и РНК не имеют какой-то строгой периодичности.

Основные классы органических молекул организма

Класс	Процент массы тела	Главные атомы	Подкласс	Субъединица
Углеводы	1	C, H, O	Моносахариды (сахара), Полисахариды	Моносахариды
Липиды	15	C, H	Триацилглицериды, Фосфолипиды, Стероиды	3 жирные кислоты + глицерин 2 жирные кислоты + глицерин + фосфат + слабозаряженная азотсодержащая молекула спирта
Белки	17	C, H, O, N	Пептиды, Белки	Аминокислоты Аминокислоты
Нуклеиновые кислоты	2	C, H, O, N	ДНК,РНК	Нуклеотиды, содержащие основания аденин, гуанин, тимин, цитозин, сахар, дезоксирибозу и фосфатНуклеотиды, содержащие основания аденин, гуанин, урацил или цитозин, сахар, рибозу и фосфат

Химический состав клетки: микро- и макроэлементы

Клетки всех живых организмов имеют сходный химический состав, включающий в себя органические и неорганические вещества. Каждое из таких соединений выполняет в структуре живого определенную функцию, которая связана с их строением.

Химический состав клетки

Большая часть химических элементов, находящихся в Периодической системе Менделеева Д.И., обнаружена внутри живых клеток. Там они находятся не в хаотичном расположении, а образуют органические и неорганические соединения. Хотя соединений неорганического типа внутри «живого» больше, роль органических веществ гораздо значимее!

Областью биологии, занимающейся изучением химического состава клеток, является биохимия. На долю органических веществ выпала функция определения уникальности живого организма на планете.

Макро- и микроэлементы

Все содержащиеся внутри живых клеток элементы объединяют в две большие группы: микроэлементы и макроэлементы.

О микроэлементах

Внутри живых клеток содержится минимальная часть микроэлементов (0,01%), но без этого количества живые организмы не могут полноценно существовать. В категорию микроэлементов относят:

• фтор (формирует зубную эмаль),
• йод (синтезирует гормон щитовидной железы),
• кобальт (составная часть витамина В12),
• медь (участвует в дыхании),
• цинк (входит в состав инсулина),
• магний (входит в состав молекулы хлорофилла у растений),
• кремний (образование коллагеновых волокон),
• литий (регулирует процессы размножения).

Условия окружающей среды определяют концентрацию химических элементов внутри живого организма. К примеру, повышенное содержание меди имеется внутри моллюсков, а железа – в позвоночных организмах.

Про макроэлементы

Внутри живого организма содержание макроэлементов составляет около 99%. Наиболее важная роль из них отводится:

• азоту,
• углероду,
• водороду,
• кислороду.

Это органогенные элементы, так как они образуют главные органические соединения. Остальные (сера, фосфор и прочие) отвечают за происходящие в живом организме процессы.

При избытке либо дефиците в организме микро- и макроэлементов развиваются различные заболевания. Поэтому, периодически следует восполнять концентрацию данных элементов в живом организме, увеличивая или уменьшая  их количество в пище.

Неорганические вещества клетки

В категорию неорганических соединений относят минеральные соли и воду.

Минеральные соли.

Данные вещества представлены в организмах в нерастворенных либо растворенных формах. Их основной функцией служит поддержание буферных свойств цитоплазмы (постоянство слабощелочной реакции внутри цитоплазмы). Также они ответственны за формирование зубов и костей, участвуют в процессах кроветворения. У растений минеральные соли ответственны за интенсивность процесса фотосинтеза и рост.

Молекулы воды.

Благодаря наличию в ее структуре прочных ковалентных связей, вода обладает ярко выраженными свойствами «растворителя».

Органические вещества клетки

К органическим соединениям, находящимся внутри живого относят:

1. Белки. Данные органические полимеры состоят из аминокислот, образуя в организме первичную, вторичную, третичную и четвертичную структуры строения. Основными их функциями являются: строительная (входят в состав клеточных мембран), защитная (иммунобелки)  и транспортная (перенос кислорода гемоглобином).
2. Жиры. Это липидоподобные соединения, обладающие яркими гидрофобными свойствами. При расщеплении 1 г. жира высвобождается значительное количество энергии(38,9 кДж), идущей на поддержание температуры тела и выполнение движений.
3. Углеводы. Данные соединения состоят из углерода, кислорода и водорода. Различают следующие группы углеводов: моносахариды (глюкоза, фруктоза, рибоза), дисахариды (сахароза, мальтоза, лактоза) и полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза). При их расщеплении выделяется много энергии, необходимой для протекания процессов жизнедеятельности. Также, они способны накапливаться  как запасные питательные вещества в виде крахмала и гликогена.
4. Нуклеиновые кислоты. Представлены молекулами рибонуклеиновой (РНК) и дезоксирибонуклеиновой (ДНК) кислот. РНК ответственна за синтез белковых молекул и транспортировку аминокислот. ДНК отвечает за хранение наследственных признаков с их последующей передачей.
5. Аденозинтрифосфорная кислота. Состоит из: трех остатков фосфорной кислоты, аденина (азотистое основание) и рибозы (пятиосновного сахара). Молекулы аденозинтрифосфорной кислоты АТФ отвечают за идущий в митохондриях синтез энергии и ее хранение.

Взаимосвязь строения и функций неорганических и органических веществ

Выполняемые неорганическими и органическими веществами функции тесно связаны с их строением. Так, покрывающая клетку мембрана (оболочка) содержит в своем составе углеводы, белки и липиды. Находящиеся на поверхности клеточной оболочки белки-рецепторы воспринимают сигналы из окружающего пространства, выполняя тем самым рецепторную функцию.

Содержание липидов (жиров) внутри мембран определяет проницаемость оболочки для одних соединений и непроницаемость для других. Углеводы ответственны за синтез молекул АТФ, запасающих энергию. Аналогично связано строение других компонентов клетки с их составом.

Роль химических веществ в клетке и организме человека

Внутри живых организмов каждое химическое вещество играет определенную роль, благодаря чему весь организм способен полноценно жить. Так, присутствие в клетке магния способствует выработке некоторых ферментов и формированию хлорофилла у растений.

Кальций формирует прочность зубов и костей человека, а также активирует работу волокон мышц.  Без серы в организме не смогут образовываться белки, а без ионов натрия и калия в клетку не смогут поступать некоторые соединения.

Функции химических элементов в клетке

Элемент	Функция
O, H	Входят в состав воды, среда для протекания биохимических реакций, донор электронов при фотосинтезе, обуславливает рН среды, транспорт веществ, универсальный растворитель, теплопроводность, теплоемкость.
C, O, H, N	входят в состав белков, жиров, липидов, нуклеиновых кислот, полисахаридов.
K, Na, Cl	проводят нервные импульсы.
Ca	компонент костей, зубов необходим для мышечного сокращения, компонент свертывания крови, посредник в механизме действия гормонов.
Mg	структурный компонент хлорофилла, поддерживает работу рсом и митохондрий
Fe	структурный компонент гемоглобина, миоглобина.
S	в составе серосодержащих аминокислот, белков.
P	в составе нуклеиновых кислот, костной ткани.
B	необходим некоторым растениям.
Mn, Zn, Cu	активаторы ферментов, влияют на процессы тканевого дыхания.
Co	входит в состав витамина В12.
F	состав эмали зубов.
I	состав тироксина.