Складні речовини та їх біологічне значення

Размещено на http://www.allbest.ru//

Размещено на http://www.allbest.ru//

Складні речовини та їх біологічне значення

Серед складних речовин, зазвичай, виділяють чотири основних класи: оксиди, кислоти, основи, солі. Ця класифікація розроблена видатними хіміками XVIII-XIX століть А. Л. Лавуаз'є, М. В. Ломоносовим, Й. Я. Берцеліусом, Дж. Дальтоном. складний речовина кислота вода

Оксиди - складні бінарні сполуки елементів з Оксигеном. Особливостями, які обумовлюють біологічне значення оксидів, є: 1) Оксиген сполучається з неметалами, утворюючи кислотні оксиди (СO2, SO2, SO3, N2Os, Р2O5 та ін.); вони мають молекулярну будову, ковалентні зв'язки і, у більшості, добре розчиняються у воді, утворюючи біологічно важливі неорганічні, або мінеральні, кислоти; 2) з металами Оксиген утворює основні оксиди (К2O, Na2O, MgO), які є йонними сполуками і в переважній більшості нерозчинні у воді; ці оксиди здатні реагувати з кислотами з утворенням важливих для живого солей; основні оксиди лужних і лужноземельних металів з водою реагують легко, утворюючи відповідні основи; 3) з групи амфотерних оксидів, які здатні проявляти і кислотні, і основні властивості, найбільше значення для організмів мають оксид Гідрогену та оксид Феруму III; 4) оксиди із зв'язками між двома атомами Оксигену називаються пероксидами; у живих системах важливе значення має Н2O2, який є сильним окисником і тому небезпечним для клітин. Він утворюється як продукт реакцій окиснення і одразу ж розкладається за участю специфічних ферментів-каталаз.

Отже, оксиди неметалів та металів є поширеними в складі біосистем, де виконують певні життєво важливі функції: 1) беруть участь в утворенні неорганічних сполук живого (кислотні оксиди утворюють кислоти, основні - утворюють основи і солі); 2) є будівельним матеріалом (наприклад, з оксиду Силіцію побудовані скелети діатомових водоростей, радіолярій); 3) є отруйними сполуками (наприклад, оксиди Фосфору, Сульфуру, пероксиди); 4) виявляють властивості розчинника (наприклад, вода).

Особливо важливим для живих організмів с вуглекислий газ. У живій природі СО. утворюється в процесі дихання організмів як кінцевий продукт окиснення органічних сполук, під час бродіння та розпаду органічних сполук, які здійснюються за участю мікроорганізмів, його виділяють рослини в темряві. За нормальних умов оксид Карбону (IV) СО2 знаходиться в газоподібному стані у формі молекул. Це безбарвний газ, який не мас запаху, важчий за повітря і розчинний у воді. Діоксид Карбону мас властивості, які обумовлюють його використання організмами для фотосинтезу та хемосинтезу, що забезпечують утворення органічних речовин для автотрофних організмів. Він також с складовою частиною буферних систем, регулятором дихання тощо. У сільському господарстві вуглекислий газ використовують як добриво. Нестача його в повітрі, що досить часто спостерігається в умовах закритого ґрунту, особливо при гідропонній культурі, знижує інтенсивність фотосинтезу і врожай.

Кислоти. Кислотами називаються сполуки, що містять у молекулах атоми Гідрогену та кислотні залишки. Основними особливостями, які обумовлюють біологічне значення кислот, є те, що вони: 1) мають здатність при дисоціації утворювати аніони кислотних залишків та катіони Гідрогену Н+, від концентрації яких залежать кислотність рідин внутрішнього середовища, активність ферментів тощо; 2) сильні кислоти (HNO3, НСl, H2SO4) здатні розчиняти практично всі мінеральні сполуки літосфери; у результаті цього рослини можуть отримувати Фосфор, Калій, Кальцій, які перебувають у ґрунті в недоступному для них стані, а також нерозчинні продукти обміну, приєднуючи залишки кислот, стають розчинними і можуть видалятися з організму разом з водою; 3) у слабких кислот (HNO3, Н2СO3, HCN, H2S) лише невелика частина молекул дисоціює повністю на йони, і тому вони входять до складу буферних систем, які підтримують постійне значення pH внутрішнього середовища біосистем; 4) усі неорганічні кислоти добре розчинні у воді, за винятком нерозчинної силікатної кислоти H2SiO3, яка у воді утворює колоїдні розчини; тому в організмі тварин і людини кремнійові сполуки підвищують в'язкість крові, посилюють опірність органів, активізують фагоцитоз тощо. Отже, мінеральні кислоти в живій природі мають велике значення, оскільки визначають pH середовища, беруть участь в утворенні солей, забезпечують мінеральне живлення рослин, здійснюють захист організму, активацію травних ферментів та ін.

H2S у живій природі утворюється мікроорганізмами при розкладанні сірковмісних амінокислот і білків. Водний розчин сірководню проявляє властивості слабкої двоосновної кислоти. Це - сірководнева (сульфідна) кислота H.S. Вона мас властивості, які обумовлюють Ті використання організмами як субстрату для окиснення й отримання хімічної енергії, акцептора Гідрогену в анаеробних умовах для окиснення органічних сполук тощо. Як кислота бере участь в утворенні солей, які називаються сульфідами. Такі солі, як Феруму сульфід, Натрію сульфід. Цинку сульфід с важливою ланкою біологічного колообігу сірки. Сірководень здатен окиснюватися, що використовується: І) у процесі хемосинтезу автотрофними організмами. прикладом яких можуть бути ниткоподібні сіркобактерії (роди Beggiatoa, Thiolhrics); 2) у процесі бактеріального фотосинтезу автотрофними організмами, прикладом яких с пурпурні сіркобактерії (роди Thiospirillum, Chromatium) та зелені сіркобактерії (роди CMorobium, Chlorochromatium). Сірководень виявляє і дуже сильні відновні властивості, що використовується гетеротрофними сульфатреду куючим и мікроорганізмами роду Desulfovibrio для окиснення органічних речовин у процесі сульфатного дихання.

Основами називають сполуки, до складу яких входять атом металу і гідроксильні групи. Особливостями, які обумовлюють біологічне значення основ, є такі: 1) вони мають здатність зв'язувати йони Гідрогену Н+, тому в біосистемах разом із кислотами беруть участь в регуляції кислотно-лужної рівноваги рідин внутрішнього середовища; 2) розчинні у воді основи - луги здатні утворювати при взаємодії з кислотами кислі солі; цю властивість організми реалізують для утворення гідрогенкарбонатної і фосфатної буферних систем; 3) більшість основ у воді нерозчинні, і тому їх живі організми утворюють як кінцеві продукти окисно-відновних реакцій, які мають бути видалені в довкілля; наприклад, залізобактерії з родів Leptothrix, Siderocapsa, Metallogenium окиснюють органічні сполуки Феруму (II) з утворенням гідроксиду Fe(OH), який відкладається на поверхні клітин; 4) луги можуть утворюватися шляхом взаємодії лужних та лужноземельних металів та їх оксидів з водою, що досить часто спостерігається в ґрунтах; наприклад, надлишок Кальцію в ґрунтах обумовлює їх лужні властивості завдяки утворенню Са(ОН)2, що визначають існування певних мікроорганізмів та рослин, які називаються алкаліфільними (ацидофобними). Отже, основи виконують в біосистемах такі важливі функції, як регуляція pH середовища, утворення захисних утворів, визначають умови існування багатьох мешканців ґрунту тощо.

Амоніак у живій природі утворюється як кінцевий продукт обміну білків в організмі тварин і грибів, при гнитті й розкладанні органічних решток мікроорганізмами завдяки зв'язуванню молекулярного азоту з воднем у процесі азотфіксації, до якої здатні певні бактерії та ціанобактерії. Водний розчин амоніаку проявляє властивості основи. Нітрин (амоніак) NH3 с безбарвним газом із різким задушливим запахом, отруйний, легший за повітря і дуже добре розчинний у воді. Ця речовина володіє найбільшою розчинністю серед усіх газів, що використовується багатьма водними організмами для безпосереднього виділення амоніаку з організму у водне середовище. Амоніак і його водні розчини легко реагують з сильними кислотами, утворюючи солі амонію, які поглинаються коренями рослин з ґрунту і використовуються для синтезу азотвмісиих органічних сполук. Розкладання цих сполук з утворенням амоніаку здійснюється амоніфікуючими бактеріями (роди Bacillus, Pseudomonas). Амоніак здатний реагувати з СО2 з утворенням сечовини, що с одним із важливих шляхів його знешкодження як отруйної для організмів речовини. Амоніак і амонійні сполуки здатні до окиснення з утворенням нітратної і нітритної кислот, що використовується нітрифікуючими бактеріями (роди Nitrosomonas, Nitrobacter). Завдяки їхній діяльності в ґрунті утворюються нітрити і нітрати.

Мінеральні солі. Солі можна розглядати як продукти повного або часткового заміщення атомів Гідрогену в кислотах на атоми металів. Ці складні сполуки під час дисоціації розпадаються на катіони металів та аніони кислотних залишків, завдяки чому відбувається надходження із середовища існування до біосистем багатьох поживних елементів (трофічна функція солей). Найбільш поширеними реакціями солей є окисно-відновні, завдяки яким жива речовина біосфери виконує свою окисню- вально-відновну функцію. За допомогою живих організмів у ґрунті, воді та повітрі окиснюються (наприклад, залізобактерії здатні окиснювати солі Феруму, сіркобактерії - солі Сульфуру) або відновлюються (наприклад, денітрофікуючі бактерії відновлюють нітрати та нітрити до молекулярного азоту) певні сполуки (окиснювально- відновна функція солей). Характерними для солей є і реакції обміну з основами, кислотами, іншими солями, які відбуваються з утворенням важливих для виділення нерозчинних сполук. Наприклад, утворення гідроксиду Феруму залізобактеріями (видільна функція солей). Є солі, які у воді нерозчинні, що використовується багатьма організмами для побудови захисних та опорних утворів. Наприклад, черепашки молюсків, форамініфер, зуби хребетних складаються із карбонату Кальцію, фосфату Кальцію, черепашки радіолярій - з сульфату Стронцію (будівельна функція солей). Із розчинних солей для організмів найбільше значення мають солі, утворені катіонами Натрію, Калію, Кальцію, Магнію, Феруму та залишками хлоридної, сульфатної, нітратної кислот. Ці йони, накопичуючись у клітинах і позаклітинних рідинах в різних концентраціях, обумовлюють транспорт речовин через мембрани, осморегуляцію тощо. Кислі солі, які утворюються в реакціях між лугами і кислотами, беруть участь у формуванні буферних систем. Солі здатні до гідролізу з утворенням розчину нейтральної, кислої або лужної реакції. Ця властивість має значення для ґрунтових грибів, кореневих систем рослин, які можуть впливати на pH середовища існування.

На особливу увагу у зв 'язку з надлишковим вмістом у живій речовині, заслуговують нітрати - солі нітратної кислоти, які с сильними електролітами. Це термічно нестійкі, добре розчинні у воді сполуки, які можуть накопичуватися в коренеплодах і плодах рослин. Самі нітрати не отруйні, але в організмі людини вони перетворюються на нітрити, які взаємодіють з гемоглобіном крові. Унаслідок цього двовалентний Ферум гемоглобіну став тривалентним і замість гемоглобіну утворюється метгемоглобін, який не здатний транспортувати кисень. В організмі порушується тканинне дихання, унаслідок чого розвивається хвороба - метгемоглобінемія, до якої особливо схильні діти. Її основні симптоми: поява темно- або фіолетово- синього забарвлення шкіри та слизових оболонок (ціаноз), зниження кров'яного тиску, легенева й серцева недостатність та ін. Крім цього, дія нітритів є небезпечною для організму у зв 'язку з утворенням у шлунку за реакцією з харчовими амінами найсильніших канцерогенів - нітрозамінів. Добрива на основі нітритів відносяться до небезпечних типів полютаптів, для окиснення яких необхідний Оксиген. Тому такого типу відходи при скиданні в природні водойми призводять до різкого збільшення витрат кисню, накопичення органічних відкладень, підсилення росту водяних рослин, заболочення водойм. Прийнято говорити, що система піддалася евтрофікації. Аеробні бактерії в таких водоймах поступаються місцем анаеробним. У результаті продукти реакцій окиснення - СО2, HNO3, H3РО4 тощо замінюються на продукти відновних реакцій - СН4, Н2S, NH3. З води зникають фітопланктон, багатоклітинні водорості, риби і поступово вода набуває смердючого запаху.

Вода, її значення, властивості та особливості будови молекул

Вода - неорганічна речовина, молекули якої складаються з двох атомів Гідрогену та одного атома Оксигену. Кількість води неоднакова у різних організмах. Найбільше води містить тіло медуз (95-98%), водні рослини (понад 80%), найменше її у комах (40-50%), слані лишайників (5-7%). У тілі ссавців у середньому 75% води, у тому числі в людини - 60-65% маси тіла. Кількість води неоднакова і в різних тканинах і органах одного й того самого організму. Наприклад, у людини вміст води в тканинах і органах є таким: кров (83,0%), нирки (82,7%), серце (79,2%), легені (79,0%), м'язи (75,6%), мозок (74,8%), шкіра (72,0%), скелет (22,0%), жирова тканина (10,0%).

Більша частина води (70% об'єму) перебуває у клітинах тіла у вільному та зв'язаному вигляді, менша частина (30% об'єму) - переміщується в позаклітинному просторі організму і знаходиться у вільному стані. Зв'язана вода (4-5%) буває осмотично зв'язаною (вода у зв'язках з йонами та низькомолекулярними сполуками), колоїдно зв'язаною (вода у зв'язках як із внутрішніми, так і з розташованими на поверхні хімічними групами високомолекулярних сполук) та структурно зв'язаною (вода у замкненому просторі високомолекулярних біополімерів складної структури). Вільна вода (95-96%) є універсальним розчинником.

Значення води. Кількісно вода займає перше місце серед хімічних сполук будь- якої клітини. Наявність води є обов'язковою умовою життєдіяльності організмів. Які ж функції виконує в біосистемах ця найпоширеніша на Землі речовина?

* Вода - універсальний розчинник для йонних і багатьох ковалентних сполук, забезпечує протікання хімічних реакцій, транспорт речовин у клітину і з клітини.

* Вода - реагент, за участю якого в клітинах відбуваються реакції гідролізу та гідратації, окисно-відновні та кислотно-основні реакції.

* Вода - теплорегулятор, підтримує оптимальний тепловий режим організмів і забезпечує рівномірний розподіл теплоти в живих системах.

* Вода - осморегулятор, що забезпечує форму клітин, транспорт неорганічних речовин.

* Вода - опора, забезпечує пружний стан клітин (тургор), виступає амортизатором від механічних впливів на організм, виконує функцію гідроскелету в багатьох тварин.

* Вода - засіб транспорту, здійснює зв'язок в клітинах, між клітинами, тканинами, органами і забезпечує гомеостаз та функціонування організму як єдиного цілого.

* Вода - середовище існування для водних організмів, у ньому здійснюються пасивний рух, зовнішнє запліднення, поширення насіння, гамет і личинкових стадій наземних організмів.

* Вода - конформатор, має вагоме значення в організації просторової структури (конформації) біополімерів.

Властивості води. Роль води в біосистемах визначається її фізико-хімічними властивостями.

¦ Для чистої води характерні прозорість, відсутність смаку, кольору, запаху. Природна вода завжди містить різні домішки: розчинені речовини у вигляді йонів, нерозчинені сполуки - у вигляді суспензії. Вода - єдина речовина на Землі, яка одночасно і у великій кількості зустрічається в рідкому, твердому і газоподібному станах.

¦ Густина води за температури +4 °С є максимальною і дорівнює 1 г/см3. Із зниженням температури густина зменшується, тому лід плаває на поверхні води.

¦ Вода має аномально високі питому теплоємність (4,17 Дж/гК), теплоту випаровування (за температури 100 °С - 2253 Дж/г), теплоту танення (за температури 0 °С - 333,98 Дж/г).

¦ Воді властивий виключно великий поверхневий натяг за рахунок потужних сил зчеплення (когезії), пов'язаних з утворенням водневих зв'язків між молекулами.

¦ Для води характерна властивість прилипання (адгезії), яка проявляється у разі підняття її проти гравітаційних сил.

¦ Воді у рідкому стані властива текучісь, нестискуваність, чим обумовлені явища осмосу та тургору.

¦ Вода має амфотерні властивості, тобто проявляє властивості як кислоти так і основи та бере участь у кислотно-основних реакціях.

¦ Вода здатна виступати і як відновник, і як окисник, здійснюючи біологічно важливі окисно-відновні реакції обміну речовин.

¦ Молекули води полярні, завдяки чому беруть участь у реакціях гідратації, забезпечуючи розчинення багатьох хімічних сполук.

¦ Вода бере участь у біологічно важливих реакціях розкладання - реакціях гідролізу.

¦ Молекули води здатні дисоціювати на йони: Н2O = Н+ + ОН-.

Особливості будови молекул води. Унікальні властивості води визначаються структурою її молекул.

У молекулі води кожний атом Гідрогену утримується біля атома Оксигену ковалентним зв'язком, енергія якого майже 110 ккал/моль. Завдяки цьому вода є дуже стійкою хімічною сполукою. Водяна пара починає розкладатися на О, і Н, за температури, вищої від 1000 °С.

У молекулі води дві пари електронів із чотирьох утворені ковалентним зв'язком і зміщені до однієї зі сторін молекули з формуванням двох позитивно заряджених полюсів. А дві інші пари залишаються неподіленими і зміщені відносно ядра атома Оксигену до протилежної сторони, де утворюють два негативно заряджені полюси.

Отже, молекули води є полярними.

Завдяки полярності сусідні молекули води можуть взаємодіяти між собою і з молекулами полярних речовин з утворенням водневих зв'язків, які обумовлюють унікальні фізичні властивості та біологічні функції води. Енергія цього зв'язку, порівняно з енергією ковалентного зв'язку, невелика. Вона становить лише 4,5 ккал/ моль, і завдяки тепловому рухові ці зв'язки між молекулами води постійно виникають і розриваються. Водневі зв'язки - це зв'язки між двома ковалентно зв'язаними атомами з великим значенням електронегативності (О, N, F) за посередництвом атома Гідрогену Н. Зазвичай водневий зв'язок позначають трьома крапками і цим зазначають, що він набагато слабкіший; ніж ковалентний зв'язок (приблизно в 15-20 разів).

Водневі зв'язки відіграють визначальну роль в утворенні специфічної кваз і кристалічної структури води. Згідно з сучасними уявленнями, основою будови води є кристалічна ґратка з розмитою тепловим рухом частиною молекул вільної води. Для води у твердому стані характерні молекулярні кристалічні ґратки, оскільки кристали будуються з молекул, зв'язаних одна з одною водневими зв'язками. Саме наявністю елементів кристалічних ґраток, а також дипольністю молекул води і зумовлене дуже велике значення відносної діелектричної проникності води.

Молекули рідкої води здатні до полімеризації або асоціації з утворенням асоціатів (Н2O)n. Утворення найщільніших асоціатів відбувається за +4 *С, чим і пояснюється найбільша густина води за цієї температури. Під час нагрівання водневі зв'язки руйнуються й асоціати починають розщеплюватися, оскільки енергія теплового руху стає більшою від енергії цих зв'язків. Розривання зв'язків потребує багато енергії, звідки й високі температура кипіння та питома теплоємність води. Це має істотне значення для організмів під час коливань температури середовища існування.

Рентгеноструктурним аналізом води встановлено, що й у рідкій воді залишаються фрагменти структури льоду. За температури +20 °С близько 70% молекул перебуває у воді у вигляді агрегатів, які містять у середньому по 57 молекул у кожному. Такі агрегати називають кластерами. Молекули води, що входять до складу кластера, сковані й метаболічно інертні. Активна роль у реакціях обміну речовин належить тільки вільним молекулам води. Якщо кластерів багато, то це призводить до іммобілізації води, тобто до виключення вільної води, обмеження ферментативних процесів і до зниження функціональної активності клітини.

БІОЛОГІЯ+ При дисоціації певних електролітів, у тому числі й води, утворюються йони Н+ і ОН-, від концентрації яких залежить кислотність або основність розчинів, і відповідно, структурні особливості та активність багатьох біомолекул та життєвих процесів. Цю концентрацію вимірюють з використанням водневого показники - рH. pH - від'ємний десятинний логарифм концентрації

Утворення водневого зв'язку

Молекула води

іонів Н+. У чистій воді ця концентрація становить 1-10-7 моль/л (-log 10-7=7). Тому нейтральній реакції рідини відповідає pH 7, кислій-pH <7 і основній -pH > 7. Протяжність шкали pH - від 0 до 14. Значення pH у клітинах слабколужна. Зміна його на одну- дві одиниці згубна для клітини. Сталість pH у клітинах підтримується за рахунок буферних систем, які містять суміш електролітів. Вони складаються зі слабкої кислоти (донора Н+) і спряженої з нею основи (акцептора Н+), які відповідно зв'язують йони H+ та бони ОН-, завдяки чому реакція pH усередині клітини майже не змінюється.

Гідрофільні й гідрофобні сполуки. У молекул води дві пари спільних електронів зміщені до Оксигену, тому електричний заряд всередині молекул розподілений нерівномірно: протони Н+ обумовлюють позитивний заряд на одному полюсі, а пари електронів Оксигену - негативний заряд на протилежному полюсі. Ці заряди є рівними за величиною і розташовані на певній відстані один від одного. Отже, молекула води - це постійний диполь, який може взаємодіяти з носіями позитивних і негативних зарядів. Наявністю полюсів у молекулах води пояснюється здатність води до хімічних реакцій гідратації.

Завдяки своїй полярності молекули води можуть приєднуватися до молекул або йонів розчинних у воді речовин з утворенням гідратів (сполук води з розчиненою речовиною). Ці реакції є екзотермічними і, на відміну від реакцій гідролізу, гідратація не супроводжується утворенням водневих чи гідроксильних йонів.

При взаємодії молекул води з молекулами полярних речовин притягання молекул води до розчинюваної речовини перевищуватиме енергію притягання між молекулами води. Тому молекули або йони таких сполук вбудовуються в загальну систему водневих зв'язків води. Гідрофільні речовини - це полярні речовини, які здатні добре розчинятися у воді. Це розчинні кристалічні солі, моносахариди, певні амінокислоти, нулеїнові кислоти та ін.

У разі взаємодії молекул води з молекулами неполярних речовин енергія притягання молекул води до них буде меншою, ніж енергія водневих зв'язків. Неполярні молекули намагаються ізолюватися від молекул води, вони групуються між собою і витісняються з водного розчину. Гідрофобні речовини - це неполярні речовини, які не розчиняються у воді. Це нерозчинні мінеральні солі, ліпіди, полісахариди, певні білки та ін. Деякі органічні молекули мають подвійні властивості: на одних їхніх ділянках зосереджені полярні групи, на інших - неполярні. Такими є багато білків, фосфоліпіди. їх називають амфіфільними речовинами.

Розподіл молекул води навколо аніона і катіона

Де Карбон, там різноманітність органічних речовин, де Карбон, там найрізноманітніші за молекулярною архітектурою конструкції.

Размещено на Allbest.ru