Różnorodność substancji chemicznych w organizmach

żywych oraz ich rola w życiu organizmów

Wszystko , co nas otacza zbudowane jest z różnorakich substancji chemicznych ,tak więc i

organizmy żywe są z nich zbudowane.

Życie na naszej planecie mogło się rozwinąć dzięki:

- dostępności w środowisku w wystarczającej ilości wszystkich substancji –czyli pierwiastków-

chemicznych niezbędnych dla organizmów ,

- korzystnej temperaturze panującej na planecie ,

- występowaniu wody w postaci cieczy ,

- dostępowi energii słonecznej

- atmosferze izolującej powierzchnie Ziemi od promieniowania o wysokiej energii.

Podstawową jednostką strukturalną i funkcjonalną ,zarówno organizmów roślinnych , jak i

zwierzęcych jest komórka.

W komórce występują różnego rodzaju składniki , które ze względu na ich chemizm ,dzielimy na

związki organiczne i nieorganiczne ,zaś ze względu na sposób wykorzystania ich przez

komórkę- na budulcowe, regulacyjne i zapasowe.

Najważniejsze związki organiczne występujące w komórce to:

cukrowce , tłuszczowce , białka i kwasy nukleinowe.

Cukrowce (węglowodany)są związkami budowanymi przez węgiel, wodór i tlen. Biorąc pod

uwagę budowę i wielkość cząsteczki , wyróżnia się cukry proste oraz cukry złożone.

Cukry proste (mnosacharydy),łatwo krystalizują i łatwo rozpuszczają się w wodzie .Typowym

przykładem mnosacharydów jest glukoza. Cukry proste w swoich cząsteczkach mogą zawierać

trzy do siedmiu atomów węgla.

W zależności od ilości atomów węgla wyróżniamy triozy(3 atomy węgla), pentozy(5 atomów

węgla , oraz najczęściej spotykane w przyrodzie heksozy

(6 atomów węgla).

Cukry złożone składają się z kilku lub wielu cząsteczek cukrów prostych.

Połączenie dwóch cząsteczek cukrów prostych daje dwucukier(disacharyd).Przykładem takiej

substancji jest maltoza (zbudowana z 2 cząsteczek glukozy ), sacharoza (zbudowana z fruktozy

i glukozy).

Skrobia , glikogen i celuloza zbudowane są z wielu cząsteczek jednocukrów , dlatego zaliczają

się do polisacharydów(wielocukrów)

Cukrowce mogą w organizmie pełnić zarówno funkcje budulcowe jak również funkcje

regulatorów. Te ostatnie to głównie składniki odżywcze pełniące w organizmach głównie funkcje

energetyczne (stanowią źródło energi ).Inaczej mówiąc , cukry te są swego rodzaju paliwem ,

które ulega biologicznemu spaleniu a uwolniona energia pozwala na realizowanie czynności

życiowych.

Dla żywych komórek zdecydowanie najpowszechniejszym „paliwem” jest glukoza. Natomiast

wielocukry współtworzą elementy budulcowe nb. ściany komórkowe, stanowią także materiał

zapasowy(u roślin –skrobia , u zwierząt – glikogen).Typowymi regulatorami wykorzystywanymi

przez komórkę jako źródło energii są monosacharydy np. glukoza.

W cząsteczkach cukrów zarówno polisacharydów , jak i monosacharydów , mogą występować

dodatkowe grupy np. grupy kwasowe, metylowe lub aminowe. Związki takie mają wówczas

odmienne od cukrów właściwości i stanowić mogą np. składniki ścianki komórkowej, a także

mogą wchodzić w skład soku komórkowego niektórych komórek.

Tłuszczowce (lipidy)są to związki organiczne nierozpuszczalne w wodzie , a rozpuszczalne w

rozpuszczalnikach organicznych , przede wszystkim w mieszaninie chloroformu i metanolu ,

będące najczęściej estrami gliceryny (trójwodorotlenowy alkohol) i kwasów tłuszczowych. Lipidy

możemy podzielić na proste ( tłuszcze , sterole , woski ) i złożone (fosfolipidy i glikolipidy) -

takie związki tłuszczowe stanowią bardzo ważny składnik błon komórkowych. W komórce pełnią

głównie funkcje odżywcze i energetyczne.

Oprócz wyżej wymienionych składników w budowie cząsteczki tłuszczów występować mogą

dodatkowe podstawniki , jak np. grupy cukrowe lub fosforanowe.

Tłuszcze są estrami kwasów tłuszczowych i trójwodorotlenowego alkoholu -glicerolu .

Kwasy tłuszczowe chodzące w skład tłuszczów mogą być nasycone - gdy wszystkie wiązania

między kolejnymi atomami węgla są pojedyncze, lub nienasycone – gdy przynajmniej jedno z

wiązań jest podwójne.

Zarówno u roślin , jak i u zwierząt tłuszcze pełnia rolę materiału zapasowego

i energetycznego. W wyniku przekształceń chemicznych różne substancje pokarmowe zostają

przekształcone w tłuszcze i w tej postaci zmagazynowane.

Tłuszcze zgromadzone w tkance tłuszczowej zwierząt pełnią ponadto

funkcje ochronne i termoizolacyjne - warstwa tłuszczu podskórnego oddziela wnętrze organizmu

o określonej temperaturze od środowiska zewnętrznego.

Wiele lipidów jest związanych z błonami biologicznymi tj. błoną komórkową i błonami

wewnątrzkomórkowymi. Fosfolipidy ,których cząsteczki składają się z hydrofilowych

fosforanowych „główek” i hydrofobowych tłuszczowych „ogonków” stanowią podstawowy

budulec błon.

Glikolipidy występują przede wszystkim w zewnętrznej warstwie błony komórkowej. Cholesterol

jest niezbędnym składnikiem błon- pełni funkcję strukturalną. Jego niewielkie cząsteczki

usztywniają błony.

Niektóre cząsteczki lipidowe biorą udział w przekazywaniu do wnętrza komórek sygnałów z

otoczenia , a także jako hormony (np. kory nadnerczy, narządów rozrodczych) przenoszą ważne

informacje w organizmach zwierząt.

Woski spotykane są zarówno u roślin (np. na powierzchni liści) ,jak i u zwierząt

( np. wosk pszczeli).

Białka są związkami o skomplikowanej budowie , pełniącymi w komórce zarówno funkcje budulcowe jak , i regulatorowe. Podstawowymi jednostkami budulcowymi białek są aminokwasy

(mówimy , że są cegiełkami budującymi białka). Każdy aminokwas zawiera grup aminowa i

grupę karboksylową (stąd nazwa tej grupy związków). W przyrodzie występuje 20 rodzajów

aminokwasów , różniących się podstawnikami (łańcuchami bocznymi), które oznaczamy ogólnie

jako R. Aminokwasy łączą się ze sobą wiązaniami peptydowymi (grupa aminowa jednego

aminokwasu łączy się z grupą karboksylową drugiego aminokwasu).Powstają wówczas peptydy.

Połączenie 100 aminokwasów prowadzi do powstania białka.(zwykle w jednym białku jest

kilkaset aminokwasów , ale może być ich nawet kilka tysięcy).

Jeśli cząsteczka białka zbudowana jest wyłącznie z aminokwasów , nazywamy ją białkiem

prostym. W przypadku gdy oprócz aminokwasów zawiera ona jeszcze dodatkowe , niebiałkowe

podstawniki , mówimy o białku złożonym.

Białka złożone mogą zawierać w swej cząsteczce np. grupy cukrowe (są to glikoproteidy) lub

grupy tłuszczowe (są to lipoproteidy).

Białka pełnią w komórkach rozliczne funkcje , m.in. budulcową , wzmacniającą oraz

regulatorową. Z białek złożonych najistotniejsze znaczenie dla komórki mają enzymy pełniące

funkcje biokatalizatorów – związków , które przyspieszają zachodzące w komórce reakcje

chemiczne. Inną ważną grupę białek złożonych, występujących we wszystkich komórkach ,

stanowią nukleoproteidy – połączenia części białkowej z grupą niebiałkową , która stanowi kwas

nukleinowy.

Kwasy nukleinowe powstają przez połączenie ze sobą licznych nukleotydów .

W skład każdego nukleotydu wchodzi po jednej cząsteczce :cukru 5-cio węglowego, zasady

azotowej oraz kwasu fosforowego .Połączenie cząsteczki cukru z zasadą azotową nosi nazwę

nukleozytu. Nukleozyt z resztą kwasu fosforowego tworzy nukleotyd.

W komórkach , zarówno roślinnych , jak i zwierzęcych występują dwa rodzaje kwasów

nukleinowych: kwasy dezoksyrybonukleinowe, zawierające w swej cząsteczce jako cukier

dezoksyrybozę i rybonukleinowe , w których część cukrową cząsteczki stanowi ryboza. Kwasy

nukleinowe występują w postaci długich łańcuchów powstałych przez połączenia nukleotydów.

Kwas dezoksyrybonukleinowy (DNA) zbudowany jest z dwóch nici.

Poszczególne nukleotydy należące do obu nici łączą się ze sobą za pomocą zasad przy czym

połączenia te nie są przypadkowe, a mianowicie określona zasada purynowa jednego z

nukleotydów łączy się z określoną zasadą pirymidynową drugiego nukleotydu.

Kwas rybonukleinowy (RNA) występuje głównie w postaci jednoniciowej.

Nukleoproteidy mają istotne znaczenie dla komórki: stanowią matrycę

i nośnik informacji dla syntezy białek , a także wchodzą w skład niektórych organelli

komórkowych jako element strukturalny.

DNA jest podstawowym nośnikiem informacji genetycznej, co oznacza , że musi zawierać

bardzo dużo elementów niosących informację.

Kopiowanie DNA , czyli replikacja , prowadzi do powstania cząsteczek potomnych , dokładnie

takich jak cząsteczka macierzysta.

Cząsteczki RNA spełniają natomiast funkcje pomocnicze :

- pośredniczą w przekazywaniu informacji genetycznej do miejsc syntezy białek

- dostarczają aminokwasy w czasie syntezy białek

- współtworzą organelle zwane rybosomami.

W komórce występują liczne składniki nieorganiczne .

Spośród nich należy wymienić wodę. Zawartość wody w różnych komórkach jest odmienna ,

zależy też od aktualnie realizowanych czynności życiowych,

Jest składnikiem budulcowym płynów ustrojowych zwierząt:

krwi , limfy , płynu mózgowo – rdzeniowego , moczu , soków trawiennych , żółci , łez , potu ,

oraz roślin - roztworów krążących w tkance przewodzącej. Rozpuszczanie różnych substancji w

wodzie umożliwia ich transport w tych płynach.

Woda stanowi jedyne środowisko dla większości procesów biochemicznych zachodzących w

komórkach. Jest substancją dość bierną chemicznie , zwykle nie reaguje więc z rozpuszczonymi

w niej związkami.

Dla niektórych procesów jest jednak bardzo ważnym substratem albo produktem. Woda stanowi

też dobry rozpuszczalnik dla wielu związków organicznych np. niektórych białek , a także

związków nieorganicznych.

Składnikami nieorganicznymi komórki są również jony pierwiastków i związków chemicznych.

Tworzą one sole mineralne albo połączenia ze związkami organicznymi. Najczęściej

występującymi pierwiastkami w postaci jonowej są : fosfor , siarka , chlor , sód , potas ,

magnez , wapń.

Komórki starają się utrzymać korzystny dla siebie stopień uwodnienia.

Poziom występujących w komórce pierwiastków tworzących jony musi być stały , od ich stężenia

zależy bowiem prawidłowy przebieg procesów metabolicznych ( biochemicznych i

fizjologicznych).

Woda bierze również udział w termoregulacji – dzięki temu, że ma wysoką pojemność cieplną .

Oznacza to , że nagrzewając się może przyjąć duże ilości ciepła , które wolno oddaje podczas

ochładzania się.

Nagrzewanie się wody wchodzącej w skład krwi w narządach produkujących duże ilości

(wątroba , mięśnie ) i jej odprowadzanie do innych części organizmu powoduje wyrównanie

temperatur w ciele.

Woda wydzielana z organizmów w postaci cieczy (pot) lub pary wodnej ( w powietrzu

wydychanym prze zwierzęta , podczas transpiracji z ciała roślin) odprowadza nadmierne ilości

ciepła.

Roztwór wodny pobierany przez rośliny z gleby i pokarmy zjadane przez zwierzęta soli

mineralnych , których cząsteczki są zazwyczaj zdysocjowane na kationy i aniony. Sole

mineralne wnoszą pierwiastki chemiczne niezbędne do budowy związków chemicznych. Do

budowy białek na przykład , oprócz węgla , wodoru i tlenu , niezbędne są: azot , fosfor i siarka .

Niektóre ważne dla metabolizmu komórek zawierają atomy pierwiastków , takich jak :żelazo ,

miedź , czy cynk. Często obecność określonych jonów w środowisku jest niezbędna, by mogła

zajść dana reakcja.

Dla prawidłowego funkcjonowania każdego organizmu niezbędne są również witaminy.

Witaminy są to niskocząsteczkowe związki organiczne niezbędne dla organizmu w niewielkich

ilościach, ale przez ten organizm nie wytwarzane - musza być zatem dostarczane w pożywieniu.

Pod względem struktury cząsteczek witaminy znacznie różnią się między sobą.

Pojęcie „witamina” jest względne. Związek chemiczny będący witaminą dla człowieka nie musi

być witaminą dla np. szczura , jeśli organizm tego ostatniego potrafi ten związek wytwarzać

samodzielnie.

W przypadku roślin w ogóle nie możemy mówić o witaminach, ponieważ rośliny są w stanie

wyprodukować wszystkie niezbędne substancje na drodze metabolizmu. Większość witamin lub

ich pochodnych wytworzonych w organizmie w wyniku przekształcenia cząsteczek witamin pełni

w komórkach rolę koenzymów. Inne regulują przebieg istotnych procesów w organizmach

zwierząt.

Jak więc wynika z powyższego opracowania różnorodność substancji chemicznych w

organizmach żywych jest ogromna. Każda z tych substancji-pierwiastków- chemicznych jest

niezbędna w określonym zakresie funkcjonowania danego organizm

u.

Jak można zaobserwować olbrzymia rola tych substancji w organizmach żywych jest

niepodważalna. Są (i były) one niezbędne od początku istnienia życia na ziemi.