Что такое органические молекулы в биологии

Органические молекулы: общий принцип строения. Урок 7

В многоклеточных организмах молекул больше, чем звёзд на небе. Основные функции в них выполняют органические молекулы — химические соединения на основе углерода. Минеральные вещества — оксиды, вода, кислород, соли и др., хотя и составляют 80% массы организма, выполняют в основном роль промежуточных метаболитов и среды для химических реакций.

Одни органические молекулы представляют собой небольшие относительно низкомолекулярные вещества (витамины, аминокислоты, органические кислоты, сахара, спирты и др.), другие – длинные цепи, состоящие из тысяч и миллионов атомов. Простые молекулы могут быть исполнителями некоторых жизненных функций:

Но большая часть низкомолекулярных веществ направлена на синтез крупных молекул. Высокомолекулярные — обычно многозвеньевые (полимерные) комплексы — называются макромолекулами (греч. macros — большой). Их делят на четыре категории:

Они являются основными химическими строительными блоками, из которых состоит весь организм. Исследованием органических молекул занимается наука биохимия. Начало современной биохимии положила демонстрация процесса ферментации вне клетки.

Органические молекулы и особенности их углеродных цепочек

Биологические системы подчиняются всем законам химии. Каркас органических молекул состоит из атомов углерода, связанных с атомами кислорода, азота, серы, фосфора и водорода. Поскольку атом углерода может образовывать до 4 ковалентных связей, молекулы, содержащие углерод могут образовывать разные цепи:

Органические молекулы, состоящие только из углерода и водорода, называются углеводородами. Так как углеводородные ковалентные связи хранят значительное количество энергии, углеводороды являются хорошим топливом. Это, например, газ пропан, состоящий из цепи из трёх атомов углерода, связанных с восьмью атомами водорода: C₃H₈.

Структурная формула пропана

Теоретически длина углеродных цепочек может быть неограниченной.

Органичесие молекулы и функциональные группы

Атомы углерода и водорода обладают очень похожими электронными свойствами. Поэтому их связи распределены равномерно без разницы во влиянии над молекулярной поверхностью. По этой причине углеводороды неполярны. Многие органические вещества содержат полярные группировки. Поскольку эти группировки существенно более реакционноспособны по сравнению с углеводородными цепями, они носят название функциональных групп.

Функциональные группы имеют определённые химические свойства, которые они сохраняют в любой ситуации. Например, гидроксильная (OH) и кислотная карбоксильная (COOH) группы полярны из-за электроотрицательности атомов кислорода. Другие общие функциональные группы: фосфатная (PO₄ –), которая при отщеплении даёт большое количество энергии и основная аминная (NH₂). Многие их них могут образовывать водородные связи. Доноров и акцепторов водородной связи можно опознать по деятельности их электронов.

Важные функциональные группы и радикалы

Изомерия органических молекул

Органические молекулы, имеющие одну и ту же молекулярную формулу, могут существовать в разных формах, называемых изомерами.

Хиральные соединения характеризуются влиянием на поляризованный свет. Поляризованный свет имеет одну плоскость, которую хиральные молекулы поворачивают вправо или влево. В этом случае образуется две формы изомеров с различной конфигурацией (энантиомеры — подкатегрия стериоизомеров). Чаще всего энантиомеры носят названия L и D-форм. Живые системы имеют тенденцию производить только один энантиомер из двух возможных форм; например, в большинстве организмов мы находим в основном D-сахара и L-аминокислоты. Молочная кислота существует в двух формах:

Полимеры и мономеры органических молекул

В большинстве случаев органические макромолекулы являются полимерами. Полимер — это длинная молекула, построенная из объединения большого количества небольших похожих субъединиц, называемых мономерами. В упрощённом виде они похожи на железнодорожные вагоны, соединённые в поезд. Характер полимера определяется мономерами, используемыми для его построения. Вот несколько примеров полимеров и их мономеров.

Липиды тоже макромолекулы, но они не соответствуют соотношению мономер — полимер. Липиды сформированы через реакции дегидратации, которые связывают жирные кислоты с глицерином. Макромолекулы образуются в результате химической реакции дегидратации и разрушаются гидролизом.

Полимеры и мономеры органических молекул

Реакции присоединения (дегидратации)

Несмотря на различия между мономерами основных органических полимеров, химия их синтеза аналогична. При образовании ковалентной связи между двумя мономерами с одной стороны отрывается гидроксильная группа OH, с другой атом водорода, а вместе получается молекула воды Н₂О.

Эта реакция характерна для присоединения нуклеотидов в молекуле ДНК и соединения молекул глюкозы, для получения крахмала. Она также используется для связывания жирных кислот и глицерина в молекулах липидов. Этот процесс называется также реакцией дегидрации, катализа или обезвоживания. Катализ осуществляется в клетке при участии ферментов.

Органические молекулы и реакция гидролиза

При разрыве мономеров происходит обратная реакция гидролиза с добавлением молекулы воды. В этой реакции атом водорода присоединяется к одной группе, а гидроксильная группа разрывает ковалентные связи. Когда вы едите картофель, ваш организм разрушает крахмал до глюкозы путём гидролиза.

Макромолекулы

Полисахариды

2. ГликогенГлюкоза1. Запасное вещество растительных клеток.

2. Клетки печени животных, клетки грибов.Хранение энергии.ЦеллюлозаГлюкозаСельдерей, сахарная свёкла и другие растения.Опорная, в клеточной стенке растений.ХитинМодифицированная глюкозаПокровы насекомых, клеточная стенка грибов.Структурная, опорная.

Нуклеиновые кислоты

ДНКНуклеотид.Хромосомы.Кодирует гены.РНКНуклеотид.Матричная РНК (мРНК).Необходим для экспрессии генов.

Протеины (белки)

ФерментыАминокислотыКлеткиКатализКоллагенАминокислотыВолосы, кожа, шёлкСтруктурная

Липиды

Триглицериды (животные жиры, масла)Глицерин и 3 жирные кислотыМасло сливочное, кукурузное масло, мылоХранение энергииФосфолипидыГлицерин, 2 жирные кислоты, фосфат и полярные R-группыФосфатидилхолинКлеточная мембранаПростагландиныПятиуглеродные кольца с двумя неполярными хвостамиРецепторыХимические медиаторыСтероидыЧетыре конденсированных углеродных кольцаЭстроген, холестеринГормональная, структурная – входит в состав мембранТерпеныДлинные углеродные цепиКаротин, каучук, хвойные растенияЧасть пигментов, структурная

Вам будет интересно

Для стабильной работы клетки нужно, чтобы в ней постоянно продуцировалось большое количество разнообразных белков. Информация…

Углеводы – это органические молекулы, которые содержат углерод, водород и кислород в мольном соотношении 1:2:1.…

Белки выполняют ведущую роль в жизни организмов, преобладая в них и количественно. В теле животных…

Подумайте! Когда нужно начинать ориентироваться – до похода или тогда, когда уже заблудился? Какие способы…

Источник

Биология. 9 класс

Среди органических соединений клетки белки являются наиболее важными. Содержание белков в клетке колеблется от 20% до 40 %.
Белки – это высокомолекулярные органические соединения, которые состоят из углерода, водорода, кислорода, серы и азота, а также в состав может входить фосфор и катионы металлов.
Белки являются биополимерами, которые состоят из мономеров аминокислот. Их молекулярная масса варьируется от нескольких тысяч до нескольких миллионов, в зависимости от количества аминокислотных остатков.
В состав белков входит всего 20 типов α-аминокислот из 170, найденных в живых организмах.
Аминокислоты – органические соединения, в молекулах которых одновременно присутствует аминогруппа (-NH₂) с основными свойствами, карбоксильная группа (-COOH) с кислотными свойствами и радикал (R), у разных аминокислот имеет различное строение.
Важнейшим химическим свойством аминокислот является их способность соединяться друг с другом посредством пептидной связи. Пептидная связь – это ковалентная азот-углеродная связь, которая образуется при взаимодействии аминогруппы одной аминокислоты с карбоксильной группой другой аминокислоты.
Если соединяется много аминокислот, то образуется полипептидная цепь.
Белки имеют особую структурную организацию, т.к. формируется в результате взаимодействия 20 типов α-аминокислот: первичная, вторичная, третичная и четвертичная (у некоторых белков) структуры.
1. Первичная структура – линейная последовательность аминокислотных остатков в полипептидной цепи, уникальна для любого белка и определяет его форму, свойства и функции.
2. Вторичная структура – упорядоченное свертывание полипептидной цепи в спираль (или складчатая структура). Витки спирали или складки укрепляются водородными связями, возникающими между карбоксильными группами одних витков спирали и аминогруппами других витков.
3. Третичная структура – укладка полипептидных цепей в глобулы, возникающая в результате возникновения химических связей (водородных, ионных, дисульфидных) и установления гидрофобных взаимодействий между радикалами аминокислотных остатков.
4. Четвертичная структура характерна для сложных белков, молекулы которых образованы двумя и более глобулами.
Для белковых молекул характерна денатурация, и обратный процесс ренатурация. Утрата белковой молекулой природной структуры называется денатурацией. Она может возникнуть при воздействии температуры, химических веществ, радиации, ионов тяжелых металлов и облучении. Денатурация бывает обратимая (если при денатурации не нарушены первичные структуры) и необратимая (если при денатурации нарушены первичные структуры). Процесс восстановления белковой молекулой природной структуры носит название ренатурация. Следовательно, все особенности строения белка определяются первичной структурой.
Белки выполняют до десятка функций, как в клетке, так и в организме. Функции определяется структурой и формой белковой молекулы. Структурную функцию выполняют белки, которые входят в состав биологических мембран.
Некоторые клетки организма способны сокращаться и перемещаться, благодаря наличию сократительных белков, в этом заключается их сократительная функция. К сократительным белкам относятся актин и миозин, которые вызывают сокращение мышц и сокращение мышечной ткани.
Ряд белков выполняет транспортную функцию (функцию переноса веществ из одного компартмента клетки в другой или между органами целого организма). Например, гемоглобин переносит кислород от легких к тканям, и углекислый газ от тканей в легкие. Эти белки имеют глобулярную структуру. В крови есть специальные транспортные белки – альбумины, которые переносят различные вещества. Сывороточный альбумин крови переносит как биологические активные вещества, так и жирные кислоты, и липиды. Белки-переносчики осуществляют перенос веществ через клеточные мембраны.

Специфические белки выполняют так называемую защитную функцию, они предохраняют наш организм от вторжения чужеродных организмов или чужеродных белков и от различных повреждений. К таким защитным белкам относятся антитела. То есть, они вырабатываются в ответ на чужеродные воздействия. Они взаимодействуют с микроорганизмами, попавшими в кровь, и их инактивируют. Другие белки – интерфероны, они специфически связываются с вирусами, инактивируют их и не дают возможность воссоздать им свою структуру, то есть размножиться внутри организма человека.
Фибриноген и тромбин предохраняют организм от кровопотери, образуя тромб. Фибриноген является примером белка промежуточного типа, поскольку он имеет фибриллярную структуру, но при этом растворим в воде.
В организме человека существует ряд белков, которые выполняют регуляторную функцию. К ним относятся различные гормоны белково-пептидной природы. Одним из таких гормонов является инсулин. Он вырабатывается поджелудочной железой и регулирует уровень глюкозы в крови.
Кроме этого к таким гормонам относится кальцитонин, который регулирует уровень кальция в крови костной ткани, а также так называемый соматотропный гормон, или соматотропин, который влияет на рост и развитие человека.
Белки могут быть запасными питательными веществами. Например, альбумин куриного яйца, казеин молока. В семенах многих растений, белки также могут выполнять запасающую функцию.
Белки могут выполнять в клетке или организме энергетическую функцию, поскольку при расщеплении одного грамма белков образуется 17,6 кДж энергии. Для этой цели белки используются в исключительных случаях – в качестве источника энергии обычно используется либо углеводы, либо липиды.
Список литературы:
1. Мамонтов С.Г., Захаров В.Б., Агафонова И.Б., Сонин Н.И. Биология. Общие закономерности. – Дрофа, 2009.
2. Пономарева И.Н., Корнилова О.А., Чернова Н.М. Основы общей биологии. 9 класс: Учебник для учащихся 9 класса общеобразовательных учреждений/ Под ред. проф. И.Н. Пономаревой. – 2-е изд., перераб. – М.: Вентана-Граф, 2005
3. Пасечник В.В., Каменский А.А., Криксунов Е.А. Биология. Введение в общую биологию и экологию: Учебник для 9 класса, 3-е изд., стереотип. – М.: Дрофа, 2002.
4. Большой справочник по биологии/под ред. Т.В. Ивановой, Г.Л. Свиридовой. – М.: «Издательство Астрель», «Олимп», «Фирма «Издательство АСТ», 2000. – 448 с.: ил.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
1. Википедия.
2. Школа цифрового века.
3. Youtube.com.
4. https://ege.sdamgia.ru

НАШИ ПАРТНЁРЫ

© Государственная образовательная платформа «Российская электронная школа»

Источник

Органические молекулы

Наиболее разнообразными по химическому строению соединениями, из которых состоят организмы, являются органические. Они распространены в атмосфере, поверхностных и подземных водах, осадках, почвах и горных породах. Основой их молекул является цепи, образованные атомами углерода, соединенными между собой ковалентными связями. Такие карбоновые цепи могут иметь разнообразное строение — образовывать длинные линейные или разветвленные цепи, замыкаться в циклы (кольца). Кроме углерода молекулы органических соединений содержат атомы водорода и кислорода, а также часто азота. Содержание органических соединений в клетках составляет в среднем 20 — 30%. Сейчас человечеству известно более 20 млн различных природных и искусственно синтезированных органических соединений. Органические вещества характеризуются большой энергоемкостью и относительно большой молекулярной массой.

Свойства органических веществ зависят не только от качественного и количественного состава, но и от строения молекул.

Примеры молекул органических веществ (атомы различных химических элементов представлены шариками разного цвета, масштабы изображений атомов различных молекул неодинаковы)

Органическими называют соединения, образованные атомами углерода, соединенными между собой ковалентными связями, и атомами водорода.

По особенностям строения и свойствами выделяют различные группы органических веществ. Среди них важнейшими для функционирования живых структур являются углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.

Макромолекулы — биополимеры

Важным свойством органических соединений является способность устанавливать химические связи между отдельными молекулами. Соединения, образованные большим количеством однотипных звеньев (простых молекул), соединенных между собой в длинные линейные или разветвленные цепи, называются полимерами, или макромолекулами. Молекулы, повторением которых образуется полимер, — мономерами. Полимерными могут быть искусственно синтезированные соединения, например известный вам полиэтилен. В курсе биологии мы будем рассматривать только полимеры, входящие в состав организмов, — биополимеры. К ним относятся все белки, нуклеиновые кислоты и некоторые углеводы.

Биополимеры — высокомолекулярные соединения организмов, молекулы которых состоят из мономеров, соединенных между собой в длинные линейные или разветвленные цепи.

Мономеры могут быть как абсолютно одинаковыми, так и разными, но химически однородными. Полимеры, образованные повторением одинаковых мономеров, называются гомополимерами. Например, уже известный вам полимер целлюлоза состоит только из остатков глюкозы (речь идет не о молекуле мономера, а остаток, поскольку при образовании химических связей молекулы теряют определенные атомы). Гетерополимеры — полимеры, молекулы которых состоят из остатков разных, но химически однородных мономеров. Например, белки состоят из остатков 20 различных аминокислот, имеющих сходное строение.

В состав молекул биополимеров могут входить от нескольких десятков остатков мономеров (небольшие белки) до нескольких миллионов (молекулы ДНК). Значительная длина полимерных молекул позволяет образовывать огромное количество разнообразных и уникальных молекул. Например, количество различных вариантов сочетания только 5 аминокислот из 20 возможных составляет 3200000. А количество возможных вариантов структур белков из 100 аминокислот составит более 10 130 (для сравнения: количество атомов во Вселенной оценивается в 10 80 ). Молекулы различного строения могут выполнять различные функции. Именно поэтому подавляющее количество процессов внутри клеток обеспечивается полимерными соединениями — белками. Еще большее количество вариантов обеспечивает длина молекул ДНК — они могут состоять из миллионов мономеров. Благодаря этому молекулы ДНК лучше выполняют функцию сохранения наследственной информации, в том числе и по структуре всех белков организма.

Однако уникальность и разнообразие строения важна не для всех биополимеров. Некоторые из них нужны для уменьшения количества мономеров в клетке и удобного их сохранения. Такие полимеры выполняют резервную функцию. Другие макромолекулы формируют длинные нити, соединенные многочисленными связями, что придает им прочности. Эти вещества выполняют механическую функцию в организмах.

Пигменты, витамины, антибиотики, алкалоиды

Кроме описанных ранее важнейших групп органических соединений (это углеводы, липиды, белки и нуклеиновые кислоты) в клетках есть и другие, которые также выполняют важные функции. Например, у растений и некоторых бактерий имеющиеся фотосинтезирующие пигменты, обеспечивающие синтез органических соединений с помощью света. Для нормального существования организмов необходимые витамины — биологически активные низкомолекулярные органические соединения, имеющие различную химическую природу и поступающие с пищей. Витамины участвуют в обмене веществ и превращении энергии в основном как компоненты ферментов.

Известно около 20 различных витаминов и витаминоподобным соединений, которые по-разному влияют на организмы. Некоторые витамины в незначительных количествах синтезируются в организмах человека и животных или веществ-предшественников — провитаминов (например, витамин D образуется в коже человека под действием ультрафиолетового излучения), или симбиотических микроорганизмами (в частности, в кишечнике человека симбиотические бактерии синтезируют витамины К, В₆ и В₁₂).

Вещества, синтезируемые бактериями и грибами в природе для защиты от негативного воздействия других видов микроорганизмов, называются антибиотиками. их характерной особенностью является способность нарушать определенные звенья обмена веществ микроорганизмов или действие некоторых их ферментов. Антибиотики используют в медицине, ветеринарии и растениеводстве для борьбы с инфекционными болезнями.

Различная окраска водорослей обусловлена наличием хлорофилла и других специфических пигментов. Бурые водоросли содержат ксантофиллы, а красные — фикобилины, которые поглощают синие и фиолетовые лучи. Подумайте, какая особенность распространения красных водорослей с этим связана.

Некоторые организмы для защиты или охоты образуют ядовитые вещества. Из курса биологии животных вам известны животные, «вооруженные» ядом для защиты и нападения. Они могут быть опасными для человека. Растения образуют алкалоиды — азотсодержащие органические соединения, большинство из которых имеют свойства слабой органической основы. Функции алкалоидов еще недостаточно изучены, но ученые указывают на их роль в защите растений от паразитических грибов, насекомых и растительноядных позвоночных животных.

Спектр строения и функций органических соединений в живой природе слишком широк, чтобы иметь возможность рассмотреть их все. Поэтому более подробно мы будем изучать только главные из них.

Источник