מולקולות אורגניות: מאפיינים, פונקציות, סוגים - ביולוגיה - 2025

Biomolecules האורגני הוא קבוצה גדולה של תצורות מולקולריות נוכחות יצור חיים. בהגדרה, המבנה הבסיסי של מולקולות אורגניות אינו מורכב משלד פחמן או אטומי פחמן קשורים.

עם זאת, אין זה אומר שתרכובות אורגניות חייבות להיות נטולות פחמן לחלוטין כדי להיכלל בקטגוריה נהדרת זו, אלא שאסור שהפחמן צריך להיות האטום העיקרי והשופע ביותר במולקולה. התרכובות האורגניות המהוות יצורים חיים הם בעיקר מים וסדרה של מינרלים מוצקים או פתרונות.

מקור: אני, ספלט

למים - הבי-מולקולה האורגנית השופעת ביותר באורגניזמים - יש סדרה של מאפיינים שהופכים אותם ליסוד חיוני לחיים, כמו נקודת רתיחה גבוהה, קבוע דיאלקטרי גבוה, יכולת לחיץ שינויים בטמפרטורה וב- pH, בין אחרים.

יונים וגזים, לעומת זאת, מוגבלים לתפקודים מאוד ספציפיים בתוך יצורים אורגניים, כמו דחף עצבני, קרישת דם, ויסות אוסמוטי, בין היתר. בנוסף, מדובר בקופקטורים חשובים של אנזימים מסוימים.

מאפיינים

המאפיין המבדיל בין מולקולות אורגניות הנמצאות בחומר חי הוא היעדרם של קשרי פחמן-מימן.

ביו-מולקולות אלה קטנות יחסית וכוללות מים, גזים, ומספר אניונים וקטיונים שמשתתפים באופן פעיל בחילוף החומרים.

סיווג ופונקציות

המולקולה האורגנית הרלוונטית ביותר בחומר חי היא ללא ספק מים. בנוסף לכל זה, רכיבים אנאורגניים אחרים קיימים ומסווגים לגזים, אניונים וקטיונים.

בתוך הגזים יש לנו חמצן, פחמן דו חמצני וחנקן. באניונים כלורידים, פוספטים, פחמימות, בין היתר. ובקטיונים נמצאים נתרן, אשלגן, אמוניום, סידן, מגנזיום ויונים חיוביים אחרים.

להלן נתאר כל אחת מהקבוצות הללו, עם המאפיינים הבולטים ביותר שלהן ותפקודן בתוך יצורים חיים.

-מים

מים הם המרכיב האורגני השופע ביותר ביצורים חיים. ידוע כי החיים מתפתחים בסביבה מימית. למרות שישנם אורגניזמים שאינם חיים בגוף מים, הסביבה הפנימית של אותם אנשים היא לרוב הידרלית. דברים חיים מורכבים מ 60-90% מים.

הרכב המים באותו אורגניזם יכול להשתנות, תלוי בסוג התא שנחקר. לדוגמה, לתא בעצם יש בממוצע 20% מים, בעוד שתא מוח יכול להגיע בקלות ל 85%.

מים חשובים כל כך מכיוון שרובם המוחלט של התגובות הביוכימיות המרכיבות את חילוף החומרים של הפרטים מתרחשים בסביבה מימית.

לדוגמה, פוטוסינתזה מתחילה בפירוק רכיבי המים על ידי פעולת אנרגיית האור. הנשימה סלולרית מביאה לייצור מים על ידי סדוק מולקולות גלוקוז לצורך שאיבת אנרגיה.

מסלולי חילוף חומרים אחרים הידועים פחות כוללים גם ייצור מים. הסינתזה של חומצות אמינו מיוצרת על ידי מים.

מאפייני מים

למים סדרת מאפיינים ההופכים אותם ליסוד בלתי ניתן להחלפה על פני כדור הארץ, ומאפשרים את אירוע החיים הנפלא. בין הנכסים הללו יש לנו:

מים כממס: מבחינה מבנית, מים מורכבים משני אטומי מימן המקושרים לאטום חמצן אחד, ומשתפים את האלקטרונים שלהם דרך קשר קוולנטי קוטבי. לפיכך, מולקולה זו טעינה קצוות, אחת חיובית ואחת שלילית.

בזכות קונפורמציה זו נקרא החומר קוטבי. בדרך זו מים יכולים להמיס חומרים עם אותה נטייה קוטבית, מכיוון שהמנות החיוביות מושכות את החלקים השליליים של המולקולה להתמוסס ולהיפך. המולקולות שממיסות מים נקראות הידרופיליות.

זכור שבכימיה יש לנו הכלל ש"אותו ממס אותו ". המשמעות היא שחומרים קוטביים מתמוססים באופן בלעדי בחומרים אחרים שהם גם קוטביים.

לדוגמה, תרכובות יוניות, כמו פחמימות וכלורידים, חומצות אמינו, גזים ותרכובות אחרות עם קבוצות הידרוקסיל, יכולות להתמוסס בקלות במים.

קבוע דיאלקטרי: הקבוע הדיאלקטרי הגבוה של הנוזל החיוני הוא גם גורם התורם להמסת מלחים אורגניים בתוכו. הקבוע הדיאלקטרי הוא הגורם בו מופרדים שני מטענים של סימן הפוך ביחס לוואקום.

חום ספציפי של מים: דיכוי שינויים אלימים בטמפרטורה הוא מאפיין חיוני להתפתחות החיים. הודות לחום הספציפי הגבוה של המים, שינויי הטמפרטורה מתייצבים ויוצרים סביבה המתאימה לחיים.

חום גבוה ספציפי פירושו שתא יכול לקבל כמויות חום משמעותיות וטמפרטורת התא אינה עולה באופן משמעותי.

לכידות: לכידות היא מאפיין נוסף המונע שינויים פתאומיים בטמפרטורה. בזכות המטענים ההפוכים של מולקולות המים, הם מושכים זה את זה, ויוצרים מה שנקרא לכידות.

לכידות מאפשרת לטמפרטורה של חומר חי לא לעלות יותר מדי. אנרגיית חום מפרקת את קשרי המימן בין מולקולות, במקום להאיץ מולקולות בודדות.

בקרת PH: בנוסף לוויסות ושמירה על הטמפרטורה קבועה, מים מסוגלים לעשות את אותו הדבר עם ה- pH. ישנן תגובות מטבוליות מסוימות הדורשות pH ספציפי על מנת להתקיים. באותה דרך, אנזימים דורשים גם pH ספציפי כדי לעבוד ביעילות מירבית.

ויסות ה- pH מתרחש בזכות קבוצות ההידרוקסיל (-OH) המשמשות יחד עם יוני המימן (H ⁺ ). הראשון קשור להיווצרות מדיום אלקליין, ואילו האחרון תורם להיווצרות מדיום חומצי.

נקודת רתיחה: נקודת הרתיחה של מים היא 100 מעלות צלזיוס. מאפיין זה מאפשר להתקיים מים במצב נוזלי בטווח טמפרטורות רחב, בין 0 ° C ל- 100 ° C.

נקודת הרתיחה הגבוהה מוסברת על ידי היכולת ליצור ארבעה קשרי מימן לכל מולקולת מים. מאפיין זה מסביר גם את נקודות ההיתוך הגבוהות וחום האידוי, אם נשווה בינו לבין הידרידים אחרים, כמו NH ₃ , HF או H ₂ S.

זה מאפשר קיומם של כמה אורגניזמים קיצוניים. לדוגמא, ישנם אורגניזמים המתפתחים בקרבת 0 מעלות צלזיוס ונקראים פסיכופילים. באותה דרך, תרמופילים מתפתחים סביב 70 או 80 מעלות צלזיוס.

שונות צפיפות: צפיפות המים משתנה בצורה מאוד מסוימת ככל שמשתנה טמפרטורת הסביבה. קרח מציג סריג גבישי פתוח, בניגוד למים במצב נוזלי הוא מציג ארגון מולקולרי אקראי יותר, הדוק וצפוף יותר.

מאפיין זה מאפשר לקרח לצוף על המים, לפעול כמבודד מונח ולאפשר יציבות של המוני אוקיינוס ​​גדולים.

אם זה לא היה כך, הקרח היה שקוע במעמקי הים, והחיים, כידוע, היו אירוע בלתי סביר מאין כמוהו, כיצד יכלו החיים להתעורר בהמוני קרח גדולים?

תפקיד אקולוגי של מים

לסיום סוגיית המים, יש להזכיר שלנוזל החיוני יש לא רק תפקיד רלוונטי בתוך יצורים חיים, אלא גם מעצב את הסביבה בה הם חיים.

האוקיאנוס הוא מאגר המים הגדול ביותר על פני כדור הארץ, המושפע מטמפרטורות, העדיף תהליכי אידוי. כמויות עצומות של מים נמצאים במחזור מתמיד של אידוי ומשקעים של מים, ויוצרים מה שמכונה מחזור המים.

-גַז

אם נשווה את הפונקציות הנרחבות של מים במערכות ביולוגיות, תפקידם של שאר המולקולות האורגניות מוגבל רק לתפקידים מאוד ספציפיים.

באופן כללי, גזים עוברים בתאים בדילולים מימיים. לפעמים הם משמשים כמצעים לתגובות כימיות, ובמקרים אחרים הם התוצר הפסולת של המסלול המטבולי. הרלוונטיים ביותר הם חמצן, פחמן דו חמצני וחנקן.

חמצן הוא המקבל האלקטרוני הסופי בשרשרות ההובלה של אורגניזמים מונשמים אירובית. כמו כן, פחמן דו חמצני הוא מוצר פסולת בבעלי חיים ומצע לצמחים (לתהליכים פוטוסינתטיים).

-בינתיים

כמו גזים, תפקידם של יונים באורגניזמים חיים נראה מוגבל לאירועים מאוד מסוימים, אך חיוניים לתפקודו התקין של האדם. הם מסווגים בהתאם למטען שלהם לאנונים, יונים עם מטענים שליליים, וקטיונים, יונים עם מטענים חיוביים.

חלקם נדרשים רק בכמויות קטנות מאוד, כמו רכיבי המתכת של אנזימים. אחרים נחוצים בכמויות גבוהות יותר, כגון נתרן כלורי, אשלגן, מגנזיום, ברזל, יוד, בין היתר.

גוף האדם מאבד כל הזמן את המינרלים הללו, דרך שתן, צואה וזיעה. יש להכניס רכיבים אלה למערכת באמצעות מזון, בעיקר פירות, ירקות, ובשרים.

פונקציות יון

קופקטורים: יונים יכולים לפעול כקופקטורים לתגובות כימיות. יון הכלור משתתף בהידרוליזה של עמילן על ידי אמילאזים. אשלגן ומגנזיום הם יונים חיוניים לתפקודם של אנזימים החשובים מאוד למטבוליזם.

שמירה על אוסמולולריות: תפקיד נוסף בעל חשיבות רבה הוא שמירה על תנאים אוסמוטיים מיטביים להתפתחות תהליכים ביולוגיים.

יש לווסת את כמות המטבוליטים המומסים בצורה יוצאת דופן, מכיוון שאם מערכת זו נכשלה, התא יכול להתפוצץ או עלול לאבד כמויות משמעותיות של מים.

אצל בני אדם, למשל, נתרן וכלור הם יסודות חשובים התורמים לשמירה על איזון אוסמוטי. אותם יונים מקדמים גם איזון בסיס-חומצה.

פוטנציאל ממברנה: אצל בעלי חיים, יונים משתתפים באופן פעיל ביצירת פוטנציאל הממברנה בקרום של תאים נרגשים.

התכונות החשמליות של הממברנות משפיעות על אירועים מכריעים, כמו היכולת של נוירונים להעביר מידע.

במקרים אלה, הממברנה פועלת באופן מקביל לקבל חשמלי, שם מטענים מצטברים ונאגרים הודות לאינטראקציות האלקטרוסטטיות בין קטיונים לאנונים משני צידי הממברנה.

ההתפלגות הא-סימטרית של היונים בתמיסה מכל צד של הממברנה מתורגמת לפוטנציאל חשמלי - תלוי בחדירות הממברנה ליונים הנוכחים. ניתן לחשב את גודל הפוטנציאל על ידי ביצוע משוואת נרנסט או גולדמן.

מבני: חלק מהיונים מבצעים פונקציות מבניות. לדוגמה, הידרוקסיאפטיט מתנה את המיקרו-מבנה הגבישי של העצמות. סידן וזרחן, בינתיים, הם מרכיב הכרחי ליצירת עצמות ושיניים.

פונקציות אחרות: לבסוף, יונים משתתפים בפונקציות הטרוגניות כמו קרישת דם (על ידי יוני סידן), ראייה והתכווצות שרירים.

הבדלים בין ביומולקולות אורגניות ואורגניות

בערך 99% מהרכב היצורים החיים כוללים רק ארבעה אטומים: מימן, חמצן, פחמן וחנקן. אטומים אלה מתפקדים כפיסים או כבלוקים, אותם ניתן לסדר במגוון רחב של תצורות תלת מימדיות ויוצרים את המולקולות המאפשרות חיים.

בעוד שתרכובות אורגניות נוטות להיות קטנות, פשוטות ולא מגוונות במיוחד, תרכובות אורגניות נוטות להיות בולטות ומגוונות יותר.

בנוסף לכל אלה מורכבות המולקולות הביולוגיות האורגניות מכיוון שבנוסף לשלד הפחמן יש להם קבוצות פונקציונליות שקובעות את המאפיינים הכימיים.

עם זאת, שניהם נחוצים באותה מידה להתפתחות מיטבית של יצורים חיים.

שימוש במונחים אורגניים ואורגניים בחיי היומיום

כעת, כאשר אנו מתארים את ההבדל בין שני סוגי המולקולות הביולוגיות, יש צורך להבהיר כי אנו משתמשים במונחים אלה בצורה מעורפלת ולא מדויקת בחיי היומיום.

כשאנחנו מייעדים פירות וירקות כ"אורגניים "- שזה מאוד פופולרי כיום - זה לא אומר ששאר המוצרים הם" לא אורגניים ". מכיוון שהמבנה של אלמנטים אכילים אלה הוא שלד פחמן, ההגדרה של אורגני נחשבת מיותרת.

למעשה, המונח אורגני נובע מיכולתם של אורגניזמים לסנתז תרכובות אלה.

הפניות

1. Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). ביולוגיה: חיים על כדור הארץ. חינוך פירסון.
2. Aracil, CB, Rodríguez, MP, Magraner, JP, and Pérez, RS (2011). יסודות הביוכימיה. אוניברסיטת ולנסיה.
3. באטנר אריאס, א '(2014). קומפנדיום של אנזימולוגיה. מהדורות אוניברסיטת סלמנקה.
4. ברג, JM, Stryer, L., & Tymoczko, JL (2007). בִּיוֹכִימִיָה. התהפכתי.
5. Devlin, TM (2004). ביוכימיה: ספר לימוד עם יישומים קליניים. התהפכתי.
6. דיאז, איי פי, ופנה, א (1988). בִּיוֹכִימִיָה. לימוזה עריכה.
7. Macarulla, JM, & Goñi, FM (1994). ביוכימיה אנושית: קורס בסיסי. התהפכתי.
8. Macarulla, JM, & Goñi, FM (1993). מולקולות ביולוגיות: שיעורים בביוכימיה מבנית. התהפכתי.
9. מולר - אסתרל, וו. (2008). בִּיוֹכִימִיָה. יסודות רפואה ומדעי החיים. התהפכתי.
10. Teijón, JM (2006). יסודות הביוכימיה המבנית. טבר עורך.
11. Monge-Nájera, J. (2002). ביולוגיה כללית. מנוהלת.