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 10130 (для сравнения: количество атомов во Вселенной оценивается в 1080). 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.