Органічна речовина. Органічною речовиною є… Органічна хімія

Органічна речовина — це хімічна сполука, у складі якої присутній вуглець. Винятки становлять тільки вугільна кислота, карбіди, карбонати, ціаніди та оксиди вуглецю.

Історія

Сам термін «органічні речовини» з’явився в ужитку вчених на етапі раннього розвитку хімії. У той час панували віталістичні світогляди. Це було продовження традицій Арістотеля і Плінія. У цей період вчені чоловіки були зайняті поділом світу на живе і неживе. При цьому всі без винятку речовини чітко підрозділювалися на мінеральні та органічні. Вважалося, що для синтезу сполук «живих» речовин необхідна особлива «сила». Вона притаманна всім живим істотам, і без неї утворюватися органічні елементи не можуть.

Це смішне для сучасної науки твердження панувало дуже довго, поки в 1828 році Фрідріх Велер досвідченим шляхом його не спростував. Він зміг з неорганічного ціанату амонію отримати органічну сечовину. Це підштовхнуло хімію вперед. Однак ділення речовин на органічні та неорганічні збереглося і в теперішньому часі. Воно лежить в основі класифікації. Відомо майже 27 мільйонів органічних сполук.

Чому так багато органічних сполук?

Органічна речовина — це, за деяким винятком, вуглецева сполука. Насправді це дуже цікавий елемент. Вуглець здатний утворювати з атомів ланцюжки. При цьому дуже важливо, що зв’язок між ними стабільний.

Крім того, вуглець в органічних речовинах проявляє валентність — IV. З цього випливає, що цей елемент здатний утворювати з іншими речовинами зв’язки не тільки одинарні, а й подвійні і потрійні. По мірі зростання їх кратності, ланцюжок, що складається з атомів, стане коротшим. При цьому стабільність зв’язку тільки збільшується.

Також вуглець має здатність утворювати плоскі, лінійні та об’ємні структури. Саме тому в природі так багато різноманітних органічних речовин.

Склад

Як було сказано вище, органічна речовина — це сполуки вуглецю. І це дуже важливо. Органічні з’єднання виникають при його зв’язку практично з будь-яким елементом періодичної таблиці. У природі найчастіше до їх складу (крім вуглецю) входять кисень, водень, сірка, азот і фосфор. Інші елементи зустрічаються набагато рідше.

Властивості

Отже, органічною речовиною є вуглецева сполука. При цьому існують кілька важливих критеріїв, яким воно має відповідати. Усі речовини органічного походження мають загальні властивості:

1. Існуюча між атомами різна типологія зв’язків неодмінно призводить до появи ізомерів. Перш за все вони утворюються при з’єднанні молекул вуглецю. Ізомери — це різні речовини, що мають одну молекулярну масу і склад, але різні хіміко-фізичні властивості. Це явище називається ізомерією.

2. Ще один критерій — явище гомології. Це ряди органічних сполук, в них формула сусідніх речовин відрізняється від попередніх на одну групу SN₂. Ця важлива властивість застосовується в матеріалознавстві.

Які існують класи органічних речовин?

До органічних сполук відносять кілька класів. Вони відомі всім. Це білки, ліпіди і вуглеводи. Ці групи можна назвати біологічними полімерами. Вони беруть участь у метаболізмі на клітинному рівні в будь-якому організмі. Також до цієї групи включають нуклеїнові кислоти. Так що можна сказати, що органічна речовина — це те, що ми щодня споживаємо в їжу, те, з чого складаємося.

Білки

Білки складаються зі структурних компонентів — амінокислот. Це їх мономери. Білки також називають протеїнами. Відомо близько 200 видів амінокислот. Всі вони зустрічаються в живих організмах. Але лише двадцять з них є складовими білків. Їх називають основними. Але в літературі також можна зустріти і менш популярні терміни — протеїногенні і білокобразуючі амінокислоти. Формула органічної речовини цього класу містить амінні (-NH₂) і карбоксильні (-СООН) складові. Між собою вони пов’язані все тими ж вуглецевими зв’язками.

Функції білків

Білки в організмі рослин і тварин виконують безліч важливих функцій. Але головна з них — структурна. Білки є основними компонентами клітинної мембрани і матриксу органелл у клітинах. У нашому організмі всі стінки артерій, вен і капілярів, сухожиль і хрящів, нігтів і волосся складаються переважно з різних білків.

Наступна функція — ферментативна. Білки виступають як ферменти. Вони каталізують протікання в організмі хімічних реакцій. Саме вони відповідають за розпад поживних компонентів у травному тракті. У рослин ферменти фіксують положення вуглецю під час фотосинтезу.

Деякі види білків переносять в організмі різні речовини, наприклад, кисень. Органічна речовина також здатна приєднуватися до них. Так здійснюється транспортна функція. Білки розносять по кровоносних судинах іони металів, жирні кислоти, гормони і, звичайно ж, вуглекислий газ і гемоглобін. Транспорт відбувається і на міжклітинному рівні.

Білкові сполуки — імуноглобуліни — відповідають за виконання захисної функції. Це антитіла крові. Наприклад, тромбін і фібриноген беруть активну участь у процесі згортання. Таким чином, вони запобігають великій крововтраті.

Білки відповідають і за виконання скоротної функції. Завдяки тому, що міозинові та актинові протофібрили постійно виконують ковзні рухи відносно один одного, відбувається скорочення м’язових волокон. Але й у одноклітинних організмів відбуваються подібні процеси. Рух джгутиків бактерій також безпосередньо пов’язаний зі ковзанням мікротрубочок, які мають білкову природу.

Окислення органічних речовин вивільняє велику кількість енергії. Але, як правило, білки витрачаються на енергетичні потреби дуже рідко. Це відбувається, коли вичерпані всі запаси. Найкраще для цього підходять ліпіди і вуглеводи. Тому білки можуть виконувати енергетичну функцію, але тільки за певних умов.

Ліпіди

Органічною речовиною є і жироподібне з’єднання. Ліпіди належать до найпростіших біологічних молекул. Вони нерозчинні у воді, але при цьому розпадаються в неполярних розчинах, таких як бензин, ефір і хлороформ. Вони входять до складу всіх живих клітин. У хімічному відношенні ліпіди — це складні ефіри спиртів і карбонових кислот. Найвідоміші з них — жири. В організмі тварин і рослин ці речовини виконують безліч важливих функцій. Багато ліпідів використовуються в медицині та промисловості.

Функції ліпідів

Ці органічні хімічні речовини разом з білками в клітинах утворюють біологічні мембрани. Але головна їх функція — енергетична. При окисленні молекул жирів вивільняється величезна кількість енергії. Вона йде на освіту в клітинах АТФ. У формі ліпідів в організмі може накопичуватися значна кількість енергетичних запасів. Часом їх навіть більше, ніж потрібно для здійснення нормальної життєдіяльності. При патологічних змінах метаболізму «жирних» клітин стає більше. Хоча справедливості заради потрібно зауважити, що такі надмірні запаси просто необхідні тваринам, що впадають у сплячку, і рослинам. Багато хто вважає, що дерева і чагарники в холодний період харчуються за рахунок ґрунтів. Насправді ж вони витрачають запаси олій і жирів, які зробили за літній період.

В організмі людини і тварин жири можуть виконувати і захисну функцію. Вони відкладаються в підшкірній клітковині і навколо таких органів, як нирки і кишківник. Таким чином, вони служать хорошим захистом від механічних ушкоджень, тобто ударів.

Крім цього, жири володіють низьким рівнем теплопровідності, що допомагає зберегти тепло. Це дуже важливо, особливо в умовах холодного клімату. У морських тварин підшкірний жировий шар ще й сприяє хорошій плавучості. А ось у птахів ліпіди виконують ще й водовідштовхувальну і змащувальну функції. Віск покриває їх пір’я і робить їх більш еластичними. Такий же наліт мають на листях деякі види рослин.

Вуглеводи

Формула органічної речовини C_n (H₂O) _m вказує на приналежність з’єднання до класу вуглеводів. Назва цих молекул вказує на той факт, що в них присутній кисень і водень у тій же кількості, що і вода. Крім цих хімічних елементів, у сполуках може бути, наприклад, азот.

Вуглеводи в клітці є основною групою органічних сполук. Це первинні продукти процесу фотосинтезу. Вони представляють собою і вихідні продукти синтезу в рослинах інших речовин, наприклад, спиртів, органічних кислот і амінокислот. Також вуглеводи входять до складу клітин тварин і грибів. Виявляються вони і серед основних компонентів бактерій і найпростіших. Так, у тваринній клітці їх від 1 до 2%, а в рослинній їх кількість може досягати 90%.

На сьогоднішній день виділяють всього три групи вуглеводів:

— прості цукру (моносахариди);

— олігосахариди, що складаються з декількох молекул послідовно з’єднаних простих цукрів;

— полісахариди, до їх складу входить понад 10 молекул моносахаридів та їх похідних.

Функції вуглеводів

Усі органічні речовини в клітці виконують певні функції. Так, наприклад, глюкоза — це основне енергетичне джерело. Вона розщеплюється в клітинах усіх живих організмів. Це відбувається під час клітинного дихання. Глікоген і крохмаль складають основний запас енергії, причому перша речовина у тварин, а друга — у рослин.

Вуглеводи виконують і структурну функцію. Целюлоза є основним компонентом клітинної стінки рослин. А у членистоногих цю ж функцію виконує хітин. Також він виявляється в клітинах вищих грибів. Якщо брати як приклад олігосахариди, то вони входять до складу цитоплазматичної мембрани — у вигляді гліколіпідів і глікопротеїнів. Також у клітинах нерідко виявляється глікокалікс. У синтезі нуклеїнових кислот беруть участь пентози. При цьому дезоксирибозу включено до складу ДНК, а рибозу — в РНК. Також ці компоненти виявляються і в коферментах, наприклад, у ФАД, НАДФ і НАД.

Вуглеводи також здатні виконувати в організмі і захисну функцію. У тварин речовина гепарин активно перешкоджає швидкому згортанню крові. Він утворюється під час пошкодження тканини і блокує утворення тромбів у судинах. Гепарин у великій кількості виявляється в хмарних клітинах у гранулах.

Нуклеїнові кислоти

Білки, вуглеводи та ліпіди — це не всі відомі класи органічних речовин. Хімія відносить сюди ще й нуклеїнові кислоти. Це фосфорвмісні біополімери. Вони, перебуваючи в клітинному ядрі і цитоплазмі всіх живих істот, забезпечують передачу і зберігання генетичних даних. Ці речовини були відкриті завдяки біохіміку Ф. Мішеру, який займався вивченням сперматозоїдів лосося. Це було «випадкове» відкриття. Трохи пізніше РНК і ДНК були виявлені і в усіх рослинних і тварин організмах. Також були виділені нуклеїнові кислоти в клітинах грибів і бактерій, а також вірусів.

Всього в природі виявлено два види нуклеокислот — рибонуклеїнові (РНК) і дезоксирибонуклеїнові (ДНК). Відмінність зрозуміла з назви. До складу ДНК входить дезоксирибоза — п’ятивуглецевий цукор. А в молекулі РНК виявляється рибоза.

Вивченням нуклеїнових кислот займається органічна хімія. Теми для дослідження диктує також медицина. У кодах ДНК ховається безліч генетичних хвороб, виявити які вченим ще тільки належить.