Биологически важные химические соединения.

По химическому составу клетки разных организмов и клетки, выполняющие различные функции в одном многоклеточном организме, могут отличаться друг от друга. Также разные клетки включают в себя практически одни и те же элементы.
98% от масс любой клетки приходится на 4 элемента: кислород 75 %, углерод 15%, водород 8% и азот 3%. Эти элементы составляют основу органических соединений.

Рис. 1 Вещества, входящие в состав живых организмов.

Рис.2. Процентное соотношение органических и неорганических веществ, содержащихся в клетке.

Органические соединения - это химические соединения, в которых атомы углерода ковалентно связаны с другими атомами.
Неорганические соединения — это химические соединения, не содержащие атома углерода.
Около 2% от массы клетки приходится на 8 элементов: калий, натрий, кальций, хлор, магний, железо, фосфор, сера.

Элементы по содержанию в живых организме делятся:
- макроэлементы (на их долю приходится до 0,001%);
- микроэлементы (на их долю приходится от 0,001 до 0,000001%);
- ультрамикроэлементы (их содержание не превышает 0,000001%).

Элементы, входящие в состав организмов, могут быть составными частями молекул разнообразных неорганических и органических соединений, либо находиться в форме ионов:
- катионов K+ Na+ Ca2+ Mg2+
- анионов CI- HCO3- H2PO4- SO42-

Вода – самое распространенное в живых организмах неорганическое соединение. Ее содержание колеблется в широких пределах: в клетках эмали зубов вода составляет по массе около 10%, а в клетках развивающегося зародыша — более 90%.
Вода в клетке находится в 2х формах:
- Свободная вода находится в межклеточных пространствах, сосудах, вакуолях, полостях органов. Она служит для переноса веществ из окружающей сред в клетку и наоборот.
- Связанная вода входит в состав некоторых клеточных структур, находясь между молекулами белка, мембранами, волокнами, и соединена с некоторыми белками.

Вода не только обязательный компонент живых клеток, но и среда обитания организмов. Биологическое значение воды основано на ее химических и физических свойствах.
Молекула полярна: кислородный атом несет небольшой отрицательный заряд, а два водородных — небольшие положительные заряды. Это делает молекулу воды диполем. Поэтому при взаимодействии молекул воды друг с другом между ними устанавливаются водородные связи.

Свойства воды:
1. Вода является хорошим растворителем (легко растворяет ионные соединения: соли, кислоты, основания).
Гидрофильные вещества – вещества, которые хорошо растворяются в воде.
Гидрофобные вещества – вещества, плохо или вовсе нерастворимые в воде.
2. Вода обладает высокой теплоёмкостью.
Это способность поглощать тепловую энергию при минимальном повышении собственной температуры. Большая теплоемкость защищает ткани организма от быстрого и сильного повышения температуры.

Свойства воды:
3. Вода обладает высокой теплопроводностью.
Обеспечивает равномерное распределение тепла по всему организму.
4. Вода практически не сжимается, создавая тургорное давление, определяя объём и упругость клеток и тканей.
5. Вода характеризуется оптимальным для биологических систем значением силы поверхностного натяжения.
Возникает благодаря водородной связи между молекулами воды и молекулами других веществ. Благодаря силе поверхностного натяжения происходит капиллярный кровоток, восходящий и нисходящий токи растворов в растениях).

Белки
Белки, или пептиды (греч. πεπτος - питательный) - полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Белки представляют линейную структуру, образованную из длинной цепи аминокислот, между которыми возникают пептидные связи. Пептидная связь образуется между карбоксильной группой (COOH) одной аминокислоты и аминогруппой другой аминокислоты (NH2).

Белки
Уровни пространственной организации белка:
Первичная - полипептидная цепь, в которой аминокислоты расположены линейно;
Вторичная - полипептидная цепь закручивается в спираль, формируется α или β структура;
Третичная - спирали скручиваются в глобулу (лат. globulus - шарик);
Четвертичная - образуется у сложных белков путем соединения нескольких глобул

Белки
Функции белка:
1. Каталитическая (греч. katalysis - разрушение). Белки - природные катализаторы, ускоряющие реакции в организме в десятки и сотни тысяч раз. Эту роль главным образом выполняют белки-ферменты (энзимы).
2. Строительная. Белки входят в состав клеточных мембран. Сложные белки: коллаген, эластин - входят в состав соединительных тканей организма, придавая им некоторую прочность и эластичность.
3. Регуляторная. Некоторые гормоны, регулирующие обменные процессы в организме, имеют белковое происхождение: инсулин, глюкагон, адренокортикотропный гормон (АКТГ).
4. Защитная. Антитела (белкового происхождения) нейтрализуют чужеродные организму антигены (разрушают бактерии). Еще защитную функцию выполняют также белки свертывающей системы крови (тромбин и фибриноген): они предохраняют организм от кровопотери.

Белки
Функции белка:
5. Энергетическая. При недостаточном питании в организме начинают окисляться молекулы белков. При расщеплении 1 г белков выделяется 17,6 кДж энергии.
6. Транспортная. Некоторые белки крови способны присоединять к себе и переносить различные молекулы.
7. Сократительная. Двигательные белки обеспечивают сокращение мышц.
8. Рецепторная. На поверхности мембраны белки образуют многочисленные рецепторы, которые, соединяясь с гормонами, приводят к изменению обмена веществ в клетке.

Жиры
Жиры, или липиды (греч. lipos - жир) - сложные эфиры, образованные трехатомным спиртом глицерином и высшими карбоновыми кислотами (жирными кислотами).

Рис.3. Шариковая модель триглицерида. Красным цветом выделен кислород, чёрным — углерод, белым — водород

Жиры
Функции жиров:
1. Энергетическая. При окислении жиров выделяется много энергии: 1 г - 38,9 кДж.
2. Запасающая. Жиры имеют способность накапливаться в клетках, расположенных в подкожно-жировой клетчатке, внутренних органах. Эти запасы являются резервом организма на случай голодания или при недостаточном питании. В жирах также запасается вода.
3. Структурная. Жиры входят в состав биологических мембран клеток человека вместе с белками. Из фосфолипидов построены мембраны всех клеток органов и тканей!
4. Терморегуляция. Жиры обладают плохой теплопроводностью. Располагаясь в подкожно-жировой клетчатке, они образуют термоизолирующий слой.
5. Гормональная. Некоторые гормоны по строению относятся к жирам.
6. Участие в обмене веществ (метаболизме). Производное жира - витамин D - принимает важное участие в обмене кальция и фосфора в организме. Он образуется в коже под действием ультрафиолетового излучения (солнечного света).

Углеводы
Углеводы - органические соединения, состоящие из одной или нескольких молекул простых сахаров. 
Три класса углеводов:
1. Моносахариды.
2. Олигосахариды.
3. Полисахариды.

Клеточная стенка образована:
- у растений – целлюлозой;
- у грибов – хитином;
- у бактерий – муреином.
Запасным питательным веществом растений является крахмал, животных - гликоген.

Углеводы
Функции углеводов:
1. Энергетическая. В результате расщепления 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии.
2. Запасающая. Запасным питательным веществом растений и животных соответственно являются крахмал и гликоген.
3. Структурная (опорная). Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, придавая им необходимую твердость. Хитин образует клеточную стенку грибов и наружный скелет членистоногих.

Нуклеиновые кислоты
Нуклеиновые кислоты (от лат. nucleus — ядро) - высокомолекулярные органические соединения, представленные двумя видами: ДНК (дезоксирибонуклеиновые кислоты) и РНК (рибонуклеиновые кислоты).
ДНК и РНК - биополимеры, мономером которых является нуклеотид.
Нуклеотиды - это органические молекулы, состоящие из азотистого основания, сахара пентозы и фосфата.
Нуклеотид состоит из 3 компонентов:
Азотистое основание.
Остаток сахара. В ДНК остаток сахара - дезоксирибоза, в РНК - рибоза.
Остаток фосфорной кислоты -фосфат

Нуклеиновые кислоты
Азотистое основание
Для ДНК характерны следующие азотистые основания:
аденин - тимин, гуанин - цитозин;
Для РНК: аденин - урацил, гуанин - цитозин.
Исходя из принципа комплементарности, данные основания соответствуют друг другу, в результате чего между ними образуются связи.
Между аденином и тимином образуется 2 водородные связи, а между гуанином и цитозином - 3.

Нуклеиновые кислоты

Азотистое основание
Для ДНК характерны следующие азотистые основания:
аденин - тимин, гуанин - цитозин;
Для РНК: аденин - урацил, гуанин - цитозин.

Нуклеиновые кислоты
Все виды РНК синтезируются на матрице - ДНК, различают три вида РНК:
1. Рибосомальная РНК (рРНК). Синтезируется в ядрышке. рРНК входит в состав малых и больших субъединиц рибосом.
2. Информационная РНК (иРНК). Синтезируется в ядре в ходе процесса транскрипции. Фермент РНК-полимераза строит цепь иРНК по принципу комплементарности с ДНК. Исходя из данного принципа, гуанин (Г) в молекуле ДНК соединяется с цитозином (Ц) в РНК. Далее соответственно: цитозин (Ц) - гуанин (Г), аденин (А) - урацил (У), тимин (Т) - аденин (А).

Нуклеиновые кислоты
3. Транспортная РНК (тРНК). Обеспечивает транспорт аминокислоты к рибосоме во время синтеза белка. Благодаря этому становится возможным соединение аминокислот друг с другом, образуется белок. тРНК имеет характерную форму клеверного листа.