ОРГАНІЧНІ РЕЧОВИНИ

Органічні сполуки представляють собою великі молекули, більшість з яких є полімерами, що складаються з мономерів. Молекули можуть мати форму довгого ланцюга або формувати різні кільцеві структури. Серед багатьох органічних сполук, які виконують важливі функції в клітині, виділяють чотири основних класи: білки, ліпіди, вуглеводи, нуклеїнові кислоти.

Білки в клітині займають 10-20% маси сирої речовини (50-80% сухого залишку) всіх органічних речовин.

Білки – це полімери, мономерами яких є амінокислоти, що з’єднуються між собою пептидними зв’язками (–NH–CO–). В утворенні білків приймають участь 20 амінокислот, різноманітні комбінації з яких можуть утворювати незліченну кількість різних за структурою і функціям білків. До складу молекули кожного білка входять певні амінокислоти в певній кількості і порядку розташування у поліпептидному ланцюзі, що спричинює утворення просторової конформації (вторинної, третинної та четвертинної структур білка). Заміна всього однієї з амінокислоти на іншу спричинює зміну як конформації, так і функціональних властивостей білка.

Під впливом високої температури, кислот та інших факторів четвертинна, третинна і вторинна структури білкових молекул можуть деструктуризуватися. Це явище називається денатурацією. Треба зазначити, що денатурація може бути незворотна, коли розриваються пептидні зв’язки і руйнується первинна структура білка, та зворотна, коли можлива ренатурація – відновлення структури білка, що може використовуватися при виготовленні медичних препаратів, наприклад, сироваток та вакцин.

Залежно від форми молекули розрізняють фібрилярні і глобулярні білки. Фібрилярні білки – довгі, видовжені, досить стабільні, погано розчиняються у воді. Деякі з них мають здатність до скорочення, як, наприклад, актин чи міозин. Більшості білків властива глобулярна структура – у вигляді сфери, причому ці білки, в порівнянні з фібрилярними, добре розчиняються у воді. До глобулярних білків належать гемоглобін, альбумін та більшість ферментів. Існують прості білки, які побудовані виключно з амінокислот, і складні – протеїни, які крім білкової частини мають ще й небілкову – простетичну групу: вуглевод, ліпід і т.п. Залежно від природи простетичної групи складні білки називають глікопротеїнами, ліпопротеїнами, хромопротеїнами тощо.

Функції білків тісно пов’язані з особливостями їхньої хімічної будови і фізико-хімічних властивостей молекули. Білки відіграють провідну роль у молекулярних механізмах усіх проявів життєдіяльності. Залежно від функції їх ділять на декілька груп.

1. Каталітичні, або ферментативні: ферменти забезпечують прискорення біохімічних реакцій в клітині у тисячі та мільйони разів. Життя залежить від складної сукупності біохімічних реакцій, що каталізуються специфічними ферментами, без яких неможливе було б протікання процесів обміну речовин – метаболізм (див. тему №7). Так, наприклад, ферменти забезпечують безперервне руйнування або ресинтез біологічних речовин, вивільнення енергії, необхідної для синтезу різноманітних важливих сполук, осмотичної роботи та ін.

2. Структурні білки приймають участь в утворенні мембран, органел, тканин, а також структурних зв’язків між ними, тобто виконують пластичну функцію. Наприклад, колаген є найбільш розповсюдженим білком в міжклітинній речовини сполучної тканини тварин, який механічно зміцнює тканини і впливає на ріст, міграцію, диференціацію, секреторну та синтетичну активність різних клітин; тубулін і актин входять до складу елементів цитоскелету клітини; міозин є основним білком м’язового волокна міоцитів і т.д.

3. Регуляторні білки – це гормони білкової природи, які беруть участь у регуляції і координації багатьох метаболічних процесів живих організмів. Наприклад, інсулін активізує утилізацію глюкози клітинами, а глюкагон гальмує цей процес.

4. Рецепторні білки розпізнають сигнали, що надходять із зовнішнього середовища до клітини, перетворюють їх і передають до необхідного відділу клітини. Наприклад, дія гормонів на певні клітини обумовлена роботою деяких білків-рецепторів та білків-переносників на мембрані цих клітин.

5. Транспортні білки здатні переносити окремі речовини між клітинами або через плазмалему в середину клітини. Наприклад, білки-переносники транспортують різноманітні речовини через біомембрани, а гемоглобін еритроцитів переносить кисень в крові.

6. Захисні білки приймають участь в імунних реакціях організму, створюють його захисні покриви, оболонки органів і клітин, регулюють рН. Наприклад, імуноглобуліни, які є антитілами, беруть участь в інактивації сторонніх білкових структур (антигенів); фібриноген забезпечує процес згортання крові.

7. Рухові білки, наприклад, міозин та актин, приймають участь у скороченні м’язів.

8. Енергетична функція білків пов’язана з можливістю використання молекул білків в енергетичному обміні. При розщепленні 1 г білка виділяється 17,6 кДж енергії, однак треба зазначити, що з усіх органічних молекул в клітині з метою виділення енергії білки розщеплюються в останню чергу.

9. Багато з білків є токсинами, наприклад, зміїна отрута має фермент ліпазу, яка руйнує оболонку еритроцитів.

Вуглеводи – велика група органічних сполук, які присутні у всіх рослинних і тваринних клітинах. В рослинних клітинах вуглеводів міститься близько 80%, а в тваринних – біля 1-2% маси сухого залишку клітин.

Вони поділяються на три великі групи: моносахариди, олігосахариди, які включають від 2 до 10 залишків моносахаридів та полісахариди – високомолекулярні сполуки, які утворюються внаслідок реакції конденсації великої кількості моносахаридів.

Моносахариди – мономери вуглеводів – прості сахариди, що мають формулу (СН₂О)_n, де n – число від 3 до 7. До найбільш важливих моносахаридів належать глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза та ін. Серед олігосахаридів найбільш поширені сахароза, лактоза та галактоза, які ще називають дисахаридами, тому що складаються з двох молекул моносахаридів. Сахароза складається з глюкози і фруктози; синтезується у рослинах і міститься у насінні, ягодах, бульбах і плодах. Лактоза складається з глюкози та галактози і входить до складу молока. Полісахариди бувають простими і складними. До простих полісахаридів належать крохмаль, глікоген, целюлоза та хітин. Крохмаль і глікоген є полімерами глюкози схожими за структурою, але крохмаль синтезується і запасається в рослинних клітинах, а глікоген синтезується і міститься в клітинах тварин, людини і багатьох грибів. Запасається крохмаль головним чином у бульбах картоплі, плодах, насінні рослин, а глікоген – в м’язах і печінці тварин. Целюлоза (клітчатка) є основним компонентом рослинних клітинних стінок, які забезпечують міцність цих структур. Вона не розчиняється у воді і не перетравлюється в організмі багатьох тварин, у тому числі й у людини. Хітин близький до структури целюлози. Він зустрічається у грибів, членистоногих і деяких безхордових тварин. У грибів хітин входить до складу клітинних стінок, придаючи їм міцність, а у членистоногих утворює міцний зовнішній скелет. Складні полісахариди утворюються внаслідок взаємодії вуглеводів з ліпідами – гліколіпіди, або з білками – глікопротеїнами. Гліколіпіди входять, наприклад, до складу мембран, а глікопротеїни – до складу слизу, що виділяється залозами шлунково-кишкового тракту.

Вуглеводи виконують дуже багато важливих функцій в клітині:

1. Моносахариди, зокрема глюкоза, є важливим джерелом енергії, і розщеплюються за умов термінової потреби енергії в клітині. Встановлено, що 60% енергії організм отримує при розпаді вуглеводів, а при розщепленні 1 г вуглеводів виділяється 17,6 кДж енергії.

2. Крохмаль і глікоген, які містяться в клітині як включення у вигляді зерен, виконують запасаючу функцію.

3. Деякі вуглеводи, які входять до складу оболонок клітини, зокрема, целюлоза та хітин, а також рибоза та дезоксирибоза, які приймають участь в утворенні нуклеїнових кислот (рибоза – до складу РНК, а дезоксирибоза – до складу ДНК виконують структурну, або будівельну функцію.

4. Гліцеральдегід та дигідрогксиацетон, які є тріозами, відіграють роль проміжних продуктів в процесах дихання та приймають участь у фотосинтезі.

5. Багато вуглеводів та їх похідних міститься у різноманітних секретах (слизі), забезпечуючи виконання захисної функції завдяки антисептичним властивостям та запобіганню від механічних ушкоджень.

6. Гідрофільні полісахариди також сприяють підтриманню водного балансу клітин. Так, наприклад, фруктоза, що міститься в зелених частинах рослин, плодах і меду, приймає участь у підтриманні тургору рослинних клітин; в медицині фруктоза застосовується при харчуванні хворих на цукровий діабет.

Ліпіди – це нерозчинні у воді жири та жироподібні органічні сполуки, які можна вилучити з клітини тільки органічними розчинниками. Хімічно це дуже різноманітна група сполук, що представляє складні ефіри жирних кислот і спирту гліцеролу (гліцерину). З них найбільш поширеними в клітині є нейтральні жири, воски, стероїди, фосфоліпіди. Функції певних ліпідів обумовлені, насамперед, фізичними і хімічними властивості їх молекул:

1. Фосфоліпіди завдяки наявності гідрофобних хвостів (залишки жирних кислот) і полярної голівки (залишок гліцерилу та фосфатної групи) є основними складовими компонентами біологічних мембран (див. тему №3), виконуюють структурну функцію. Стосовно будівельної функції треба відзначити воски – складні ефіри жирних кислот і багатоатомних спиртів, за допомогою яких бджоли будують соти.

2. Триацилгліцериди (нейтральні жири) зберігаються у вигляді включень в цитоплазмі в якості енергетичного резерву: у рослин в особливих лейкопластах - олеопластах, а також у вигляді крапель жиру, в основному в клітинах запасаючих органів; у тварин нейтральні жири містяться, більшою мірою заповнюючи майже всю цитоплазму, в адипоцитах – клітинах жирової тканини. Встановлено, що при повному розпаді 1 г жиру до діоксиду карбогену и води виділяється 38,9 кДж енергії, у зв’язку з чим ліпідам належить важлива роль у виконанні енергетичної функції в клітині і організмі в цілому.

3. Деякі ліпіди виконують захисну функцію, наприклад, воски шкіряних залоз тварин захищають шерсть та пір’я від намокання, а у рослин утворюють захисний шар на поверхні плодів та листя. Крім того шар жиру під шкірою захищає організм тварин від переохолодження і механічних ударів.

4. Стероїди є попередниками деяких біологічно активних сполук (жовчних кислот, гормонів, вітаміну D), які, у свою чергу, виконують регуляторну функцію, впливаючи на різні біохімічні і фізіологічні процеси, що здійснюються в організмі.

5. Жири є джерелом ендогенної води в організмі, яка є важливою особливо для тварин, які мешкають у пустелях.

6. До жироподібних речовин відносять також пігменти, наприклад, каротиноїди, від яких залежить колір квітів, плодів; речовини та аромат ефірних олій рослин, наприклад, ментол у м’яти і т.д.

Нуклеїнові кислоти є унікальними молекулами, які необхіді кожній клітині для збереження і передачі генетичної інформації. Нуклеїнові кислоти забезпечують процеси синтезу білків, які визначають обмін речовин, закономірності росту й розвитку, явища спадковості і мінливості та ін. Ці молекули вперше були виділені з ядра клітини і описані у 1869 р. швейцарським біохіміком Ф. Мішером.

Нуклеїнові кислоти представляють собою полімерні молекули, що утворені з мономерів – нуклеотидів, кожен з яких складається з азотистої основи (піримідинової чи пуринової), вуглеводу (рибози чи дезоксирибози) і залишку фосфорної кислоти. У всіх клітинах міститься два типа нуклеїнових кислот – дезоксирибонуклеїнова кислота (ДНК) та рибонуклеїнова кислота (РНК), які відрізняються одна від одної за складом основ та вуглеводів, структурою молекул та біологічними властивостями.

Молекули ДНК є найбільш великими біополімерами. Стосовно моделі, яка була запропонована Дж. Уотсоном та Ф. Криком, ДНК складається з двох різнонаправлених полінуклеотидних ланцюгів, які закручені один навколо другого у вигляді подвійної спіралі. ДНК несе в собі генетичну інформацію, яка закодована послідовністю азотних основ, яка визначає специфічність синтезованих клітиною білків, тобто послідовність амінокислот у поліпептидному ланцюзі. ДНК міститься у ядрі і мітохондріях тваринної і рослинної клітин, а у рослин також й в хлоропластах. Треба зазначити, що у мітохондріях і хлоропластах молекули ДНК утворюють кільцеві структури, на відміну від ДНК ядра. Функції ДНК в клітині полягають у зберіганні, передачі та реалізації генетичної інформації.

Інший тип нуклеїнових кислот – РНК – складається з одного полінуклеотидного ланцюга і знаходиться в ядерцях ядра, цитоплазмі, рибосомах, мітохондріях і пластидах. РНК буває рибосомною (рРНК), транспортною (тРНК) та інформаційною, або матричною (мРНК, іРНК). Рибосомальна РНК складає біля 85% всієї РНК в клітині, вона синтезується в ядерцях, і разом з білком входить до складу рибосом, які необхідні для синтезу білка (див. тему №3). Інформаційна РНК складає біля 5% всієї РНК в клітині, вона переносить інформацію про синтез певного білка з ядра до цитоплазми на рибосоми і є матрицею для синтезу молекули білка. Транспортна РНК складає біля 10% всієї РНК, має короткий ланцюг нуклеотидів і знаходиться в цитоплазмі. Всередині молекули тРНК є угруповання з трьох азотистих основ, яке називається антикодоном. Антикодон може зв'язатися з певним угрупованням трьох основ на мРНК – кодоном. Функція тРНК полягає у приєднанні відповідних амінокислот і транспортування їх до місця синтезу білка, тобто до рибосом.

В природі виділена також вірусна РНК, яка здійснює функцію збереження та передачі спадкової інформації у РНК-вмісних вірусів.

Треба зазначити, що крім білків, ліпідів, вуглеводів та нуклеїнових кислот серед органічних сполук в клітині значна роль належить також вітамінам, аденозинтрифосфорній кислоті (див. тему №7) та іншим речовинам, без яких неможливі реакції обміну речовин в рослинній та тваринній клітинах.

Важливе значення для фармації мають речовини вторинного походження, які синтезуються тільки в рослинних клітинах. Ці речовини не мають власних шляхів синтезу і для свого утворення використовують основні метаболічні шляхи рослин. Серед речовин вторинного походження є дуже важливі для людини сполуки, які використовуються для приготування ліків (серцеві глікозиди, кумарини та катехіни як судинноукріплюючі засоби, глікоалкалоїди для лікування артритів і ревматизму, дубільні речовини як в’яжучі, бактерицидні та протипухлинні засоби та ін.), для виготовлення косметичних і парфумерних засобів (гліколева кислота, кумарин, різноманітні ефірні масла і т.д.), у харчовій промисловості (винна кислота, яблучна кислота, молочна кислота, ефірні масла), у текстильній промисловості (винна кислота, таніни та ін.) та багатьох інших сферах діяльності.

Поиск по сайту: