Materia organiczna to związek chemiczny zawierający węgiel. Jedynymi wyjątkami są kwas węglowy, węgliki, węglany, cyjanki i tlenki węgla.
Historia
Sam termin „substancje organiczne” pojawił się w codziennym życiu naukowców na etapie wczesnego rozwoju chemii. W tym czasie dominowały witalistyczne światopoglądy. Była kontynuacją tradycji Arystotelesa i Pliniusza. W tym okresie eksperci byli zajęci dzieleniem świata na żywy i nieożywiony. Jednocześnie wszystkie substancje bez wyjątku zostały wyraźnie podzielone na mineralne i organiczne. Uważano, że do syntezy związków „żywych” substancji potrzebna jest specjalna „siła”. Jest nieodłącznym elementem wszystkich żywych istot, a elementy organiczne nie mogą się bez niego formować.
To stwierdzenie, śmieszne dla współczesnej nauki, dominowało przez bardzo długi czas, aż w 1828 Friedrich Wöhler eksperymentalnie je obalił. Udało mu się uzyskać organiczny mocznik z nieorganicznego cyjanianu amonu. To popchnęło chemię do przodu. Jednak podział substancji na organiczne i nieorganiczne został zachowany w teraźniejszości. To leży u podstaw klasyfikacji. Znanych jest prawie 27 milionów związków organicznych.
Dlaczego jest tak wiele związków organicznych?
Materia organiczna jest, z kilkoma wyjątkami, związkiem węgla. W rzeczywistości jest to bardzo ciekawy element. Węgiel może tworzyć łańcuchy ze swoich atomów. Bardzo ważne jest, aby połączenie między nimi było stabilne.
Ponadto węgiel w substancjach organicznych wykazuje wartościowość - IV. Wynika z tego, że pierwiastek ten jest w stanie tworzyć wiązania z innymi substancjami nie tylko pojedyncze, ale także podwójne i potrójne. Wraz ze wzrostem ich liczebności łańcuch atomów będzie się skracał. Jednocześnie zwiększa się stabilność połączenia.
Ponadto węgiel ma zdolność tworzenia płaskich, liniowych i trójwymiarowych struktur. Dlatego w przyrodzie jest tak wiele różnych substancji organicznych.
Skład
Jak wspomniano powyżej, materia organiczna to związki węgla. A to jest bardzo ważne. Związki organiczne powstają, gdy są związane z prawie każdym elementem układu okresowego. W naturze najczęściej ich skład (oprócz węgla) obejmuje tlen, wodór, siarkę, azot i fosfor. Pozostałe elementy są znacznie rzadsze.
Właściwości
Materia organiczna jest więc związkiem węgla. Jest jednak kilka ważnych kryteriów, które musi spełnić. Wszystkie substancje pochodzenia organicznego mają wspólne właściwości:
1. Istniejące między atomamiinna typologia wiązań nieuchronnie prowadzi do pojawienia się izomerów. Przede wszystkim powstają z połączenia cząsteczek węgla. Izomery to różne substancje, które mają tę samą masę cząsteczkową i skład, ale różne właściwości chemiczne i fizyczne. Zjawisko to nazywa się izomerią.
2. Kolejnym kryterium jest zjawisko homologii. Są to serie związków organicznych, w których formuła sąsiednich substancji różni się od poprzednich o jedną grupę CH2. Ta ważna właściwość jest stosowana w materiałoznawstwie.
Jakie są klasy substancji organicznych?
Istnieje kilka klas związków organicznych. Znane są wszystkim. Są to białka, lipidy i węglowodany. Grupy te można nazwać polimerami biologicznymi. Biorą udział w metabolizmie na poziomie komórkowym w każdym organizmie. Do tej grupy należą również kwasy nukleinowe. Możemy więc powiedzieć, że materia organiczna jest tym, co jemy na co dzień, z czego jesteśmy zbudowani.
Białka
Białka składają się ze składników strukturalnych - aminokwasów. To są ich monomery. Białka są również nazywane białkami. Znanych jest około 200 rodzajów aminokwasów. Wszystkie znajdują się w żywych organizmach. Ale tylko dwadzieścia z nich to składniki białek. Nazywane są podstawowymi. Ale w literaturze można znaleźć również mniej popularne terminy - aminokwasy proteinogenne i białkotwórcze. Formuła tej klasy materii organicznej zawiera składniki aminowe (-NH2) i karboksylowe (-COOH). Są one połączone ze sobą tymi samymi wiązaniami węglowymi.
Funkcje białkowe
Białka w organizmie roślin i zwierząt pełnią wiele ważnych funkcji. Ale główny ma charakter strukturalny. Białka są głównymi składnikami błony komórkowej i macierzy organelli w komórkach. W naszym ciele wszystkie ściany tętnic, żył i naczyń włosowatych, ścięgna i chrząstki, paznokcie i włosy składają się głównie z różnych białek.
Następna funkcja jest enzymatyczna. Białka działają jak enzymy. Katalizują reakcje chemiczne w organizmie. Odpowiadają za rozkład składników odżywczych w przewodzie pokarmowym. W roślinach enzymy ustalają pozycję węgla podczas fotosyntezy.
Niektóre rodzaje białek przenoszą w organizmie różne substancje, takie jak tlen. Materia organiczna również jest w stanie do nich łączyć. Tak działa funkcja transportu. Białka przenoszą przez naczynia krwionośne jony metali, kwasy tłuszczowe, hormony i oczywiście dwutlenek węgla i hemoglobinę. Transport odbywa się również na poziomie międzykomórkowym.
Związki białkowe - immunoglobuliny - odpowiadają za funkcję ochronną. To są przeciwciała krwi. Na przykład trombina i fibrynogen są aktywnie zaangażowane w proces krzepnięcia. W ten sposób zapobiegają większej utracie krwi.
Białka są również odpowiedzialne za pełnienie funkcji skurczowej. Ze względu na to, że protofibryle miozyny i aktyny stale wykonują względem siebie ruchy ślizgowe, włókna mięśniowe kurczą się. Ale nawet w organizmach jednokomórkowych są podobneprocesy. Ruch wici bakteryjnej jest również bezpośrednio związany z przesuwaniem się mikrotubul, które mają charakter białkowy.
Utlenianie materii organicznej uwalnia duże ilości energii. Ale z reguły białka bardzo rzadko są zużywane na potrzeby energetyczne. Dzieje się tak, gdy wszystkie zapasy są wyczerpane. Najlepiej nadają się do tego lipidy i węglowodany. Dlatego białka mogą pełnić funkcję energetyczną, ale tylko pod pewnymi warunkami.
Lipidy
Związek tłuszczopodobny jest również substancją organiczną. Lipidy należą do najprostszych cząsteczek biologicznych. Są nierozpuszczalne w wodzie, ale rozkładają się w roztworach niepolarnych, takich jak benzyna, eter i chloroform. Są częścią wszystkich żywych komórek. Pod względem chemicznym lipidy to estry alkoholi i kwasów karboksylowych. Najbardziej znanym z nich są tłuszcze. W organizmie zwierząt i roślin substancje te pełnią wiele ważnych funkcji. Wiele lipidów jest stosowanych w medycynie i przemyśle.
Funkcje lipidów
Te organiczne substancje chemiczne wraz z białkami w komórkach tworzą błony biologiczne. Ale ich główną funkcją jest energia. Kiedy cząsteczki tłuszczu ulegają utlenieniu, uwalniana jest ogromna ilość energii. Dochodzi do tworzenia ATP w komórkach. W postaci lipidów w organizmie może gromadzić się znaczna ilość rezerw energetycznych. Czasami są nawet więcej niż konieczne do realizacji normalnego życia. Wraz z patologicznymi zmianami w metabolizmie komórek „tłuszczowych” staje się więcej. Mimo żeuczciwie należy zauważyć, że takie nadmierne zapasy są po prostu niezbędne do hibernacji zwierząt i roślin. Wiele osób uważa, że drzewa i krzewy żywią się glebą w okresie chłodów. W rzeczywistości zużywają rezerwy olejów i tłuszczów, które wytworzyli w okresie letnim.
W ciele ludzkim i zwierzęcym tłuszcze mogą również pełnić funkcję ochronną. Odkładają się w tkance podskórnej oraz wokół narządów, takich jak nerki i jelita. Służą więc jako dobra ochrona przed uszkodzeniami mechanicznymi, czyli wstrząsami.
Ponadto tłuszcze mają niską przewodność cieplną, co pomaga utrzymać ciepło. Jest to bardzo ważne, szczególnie w zimnym klimacie. U zwierząt morskich podskórna warstwa tłuszczu również przyczynia się do dobrej pływalności. Jednak u ptaków lipidy pełnią również funkcję hydrofobową i nawilżającą. Wosk pokrywa pióra i uelastycznia je. Niektóre gatunki roślin mają taką samą powłokę na liściach.
Węglowodany
Wzór organiczny C (H2O)m wskazuje, czy związek należy do klasa węglowodanów. Nazwa tych cząsteczek nawiązuje do tego, że zawierają one tlen i wodór w takiej samej ilości jak woda. Oprócz tych pierwiastków chemicznych związki mogą zawierać np. azot.
Węglowodany w komórce to główna grupa związków organicznych. Są to podstawowe produkty procesu fotosyntezy. Stanowią również początkowe produkty syntezy w roślinach innychsubstancje takie jak alkohole, kwasy organiczne i aminokwasy. Węglowodany są również częścią komórek zwierząt i grzybów. Znajdują się również wśród głównych składników bakterii i pierwotniaków. Czyli w komórce zwierzęcej są one od 1 do 2%, a w komórce roślinnej ich liczba może sięgać 90%.
Dziś istnieją tylko trzy grupy węglowodanów:
- cukry proste (monosacharydy);
- oligosacharydy, składające się z kilku cząsteczek kolejno połączonych cukrów prostych;
- polisacharydy, zawierają ponad 10 cząsteczek monosacharydów i ich pochodnych.
Funkcje węglowodanowe
Wszystkie substancje organiczne w komórce pełnią określone funkcje. Na przykład glukoza jest głównym źródłem energii. Jest rozkładany w komórkach wszystkich żywych organizmów. Dzieje się tak podczas oddychania komórkowego. Glikogen i skrobia są głównym źródłem energii, przy czym pierwsze u zwierząt, drugie w roślinach.
Węglowodany pełnią również funkcję strukturalną. Głównym składnikiem ściany komórkowej roślin jest celuloza. A u stawonogów chityna pełni tę samą funkcję. Znajduje się również w komórkach wyższych grzybów. Jeśli weźmiemy za przykład oligosacharydy, to są one częścią błony cytoplazmatycznej - w postaci glikolipidów i glikoprotein. Również glikokaliks jest często wykrywany w komórkach. Pentozy biorą udział w syntezie kwasów nukleinowych. W tym przypadku dezoksyryboza jest zawarta w DNA, a ryboza jest zawarta w RNA. Te składniki znajdują się również w koenzymach, na przykład w FAD,NADP i NAD.
Węglowodany mogą również pełnić funkcję ochronną w organizmie. U zwierząt substancja heparyna aktywnie zapobiega szybkiemu krzepnięciu krwi. Powstaje podczas uszkodzenia tkanek i blokuje tworzenie się skrzepów krwi w naczyniach. Heparyna znajduje się w dużych ilościach w komórkach tucznych w granulkach.
Kwasy nukleinowe
Białka, węglowodany i lipidy nie są wszystkimi znanymi klasami substancji organicznych. Chemia obejmuje również kwasy nukleinowe. Są to biopolimery zawierające fosfor. Będąc w jądrze komórkowym i cytoplazmie wszystkich żywych istot, zapewniają przekazywanie i przechowywanie danych genetycznych. Substancje te zostały odkryte dzięki biochemikowi F. Miescherowi, który badał plemniki łososia. To było „przypadkowe” odkrycie. Nieco później RNA i DNA znaleziono również we wszystkich organizmach roślinnych i zwierzęcych. Kwasy nukleinowe zostały również wyizolowane w komórkach grzybów i bakterii, a także wirusów.
Łącznie w przyrodzie występują dwa rodzaje kwasów nukleinowych - rybonukleinowy (RNA) i dezoksyrybonukleinowy (DNA). Różnica wynika z tytułu. DNA zawiera dezoksyrybozę, pięciowęglowy cukier. A ryboza znajduje się w cząsteczce RNA.
Kwasy nukleinowe są badane przez chemię organiczną. Tematy badań podyktowane są również przez medycynę. Istnieje wiele chorób genetycznych ukrytych w kodach DNA, których naukowcy jeszcze nie odkryli.
