Nieorganiczne biomolekuły: charakterystyka, funkcje, klasyfikacja i przykłady

Nieorganiczne biomolekuły stanowią szeroką grupę konfiguracji molekularnych obecnych w żywych istotach. Z definicji podstawowa struktura cząsteczek nieorganicznych nie składa się ze szkieletu węglowego lub związanych atomów węgla.

Nie oznacza to jednak, że związki nieorganiczne muszą być całkowicie wolne od węgla, aby mogły zostać włączone do tej wielkiej kategorii, ale że węgiel nie może być głównym i najliczniejszym atomem cząsteczki. Związki nieorganiczne, które są częścią żywych istot, to głównie woda i szereg stałych minerałów lub w roztworze.

Woda - najobficiej występująca nieorganiczna biomolekuła w organizmach - ma szereg cech, które czynią ją istotnym elementem życia, takim jak wysoka temperatura wrzenia, wysoka stała dielektryczna, zdolność do buforowania zmian temperatury i pH, między inni

Z drugiej strony, jony i gazy są ograniczone do bardzo specyficznych funkcji w organicznych istotach, takich jak między innymi impuls nerwowy, krzepnięcie krwi, regulacja osmotyczna. Ponadto są ważnymi kofaktorami niektórych enzymów.

Funkcje

Charakterystyczną cechą cząsteczek nieorganicznych występujących w żywej materii jest brak wiązań węgiel-wodór.

Te biomolekuły są stosunkowo małe i obejmują wodę, gazy i szereg anionów i kationów, które aktywnie uczestniczą w metabolizmie.

Klasyfikacja i funkcje

Najważniejszą nieorganiczną cząsteczką w żywej materii jest bez wątpienia woda. Oprócz tego obecne są inne składniki nieorganiczne, które są klasyfikowane jako gazy, aniony i kationy.

W gazach mamy tlen, dwutlenek węgla i azot. W anionach są między innymi chlorki, fosforany, węglany. A w kationach są jony sodu, potasu, amonu, wapnia, magnezu i inne jony dodatnie.

Następnie opiszemy każdą z tych grup, z ich najbardziej wyróżniającymi się cechami i ich funkcją w żywych istotach.

-Woda

Woda jest najliczniejszym składnikiem nieorganicznym w żywych istotach. Powszechnie wiadomo, że życie rozwija się w środowisku wodnym. Chociaż istnieją organizmy, które nie żyją w ciele wodnym, wewnętrzne środowisko tych osobników to głównie woda. Żywe istoty zawierają od 60% do 90% wody.

Skład wody w tym samym organizmie może się różnić w zależności od rodzaju badanej komórki. Na przykład komórka w kości ma średnio 20% wody, podczas gdy komórka mózgowa może łatwo osiągnąć 85%.

Woda jest tak ważna, ponieważ ogromna większość reakcji biochemicznych, które składają się na metabolizm jednostek, zachodzi w środowisku wodnym.

Na przykład fotosynteza zaczyna się od rozpadu składników wody przez działanie energii świetlnej. Oddychanie komórkowe powoduje wytwarzanie wody przez rozszczepienie cząsteczek glukozy w celu uzyskania ekstrakcji energii.

Inne mniej znane szlaki metaboliczne obejmują również produkcję wody. Synteza aminokwasów ma wodę jako produkt.

Właściwości wody

Woda ma szereg cech, które czynią ją niezastąpionym elementem na planecie Ziemi, pozwalając na wspaniałe wydarzenie życia. Wśród tych właściwości mamy:

Woda jako rozpuszczalnik: strukturalnie woda powstaje z dwóch atomów wodoru przyłączonych do atomu tlenu, dzielących swoje elektrony poprzez polarne wiązanie kowalencyjne. Tak więc ta cząsteczka ma naładowane końce, jeden dodatni i jeden ujemny.

Dzięki tej konformacji substancję nazywa się polarną. W ten sposób woda może rozpuszczać substancje o tej samej tendencji polarnej, ponieważ części dodatnie przyciągają negatywy cząsteczki do rozpuszczenia i odwrotnie. Cząsteczki rozpuszczane przez wodę nazywane są hydrofilowymi.

Przypomnijmy, że w chemii mamy zasadę, że „to samo rozpuszcza to samo”. Oznacza to, że polarne substancje rozpuszczają się wyłącznie w innych substancjach, które są również polarne.

Na przykład związki jonowe, takie jak węglowodany i chlorki, aminokwasy, gazy i inne związki z grupami hydroksylowymi, łatwo rozpuszczają się w wodzie.

Stała dielektryczna: wysoka stała dielektryczna żywej cieczy jest również czynnikiem, który pomaga w rozpuszczaniu soli nieorganicznych w jej rdzeniu. Stała dielektryczna jest współczynnikiem, o który oddziela się dwa ładunki o przeciwnym znaku w stosunku do próżni.

Ciepło właściwe wody: amortyzacja gwałtownych zmian temperatury jest istotną cechą rozwoju życia. Dzięki wysokiemu specyficznemu ciepłu wody zmiany temperatury stabilizują się, tworząc odpowiednie środowisko do życia.

Wysokie ciepło właściwe oznacza, że ​​ogniwo może odbierać znaczne ilości ciepła, a jego temperatura nie wzrasta znacząco.

Spójność: Spójność to kolejna właściwość, która zapobiega nagłym zmianom temperatury. Dzięki przeciwstawnym ładunkom cząsteczek wody przyciągają się nawzajem, tworząc tzw. Spójność.

Spójność pozwala, aby temperatura żywej materii nie wzrastała zbytnio. Energia kaloryczna przerywa wiązania wodorowe między cząsteczkami, zamiast przyspieszać poszczególne cząsteczki.

Kontrola PH: oprócz regulacji i utrzymywania stałej temperatury, woda jest w stanie zrobić to samo z pH. Istnieją pewne reakcje metaboliczne, które wymagają określonego pH, aby można je było przeprowadzić. W ten sam sposób enzymy wymagają również specyficznego pH do pracy z maksymalną wydajnością.

Regulacja pH zachodzi dzięki grupom hydroksylowym (-OH), które są stosowane razem z jonami wodoru (H +). Pierwszy związany jest z tworzeniem środowiska zasadowego, a drugi przyczynia się do tworzenia środowiska kwaśnego.

Temperatura wrzenia : temperatura wrzenia wody wynosi 100 ° C Ta właściwość pozwala wodzie istnieć w stanie ciekłym w szerokim zakresie temperatur od 0 ° C do 100 ° C.

Wysoka temperatura wrzenia tłumaczona jest zdolnością do tworzenia czterech wiązań wodorowych na cząsteczkę wody. Ta cecha wyjaśnia również wysokie temperatury topnienia i ciepło parowania, jeśli porównamy je z innymi wodorkami, takimi jak NH ₃, HF lub H ₂ S.

Pozwala to na istnienie niektórych organizmów ekstremofilnych. Na przykład są organizmy, które rozwijają się w pobliżu 0 ° C i nazywane są psychrofílos. W ten sam sposób termofile rozwijają się w pobliżu 70 lub 80 ° C.

Zmiana gęstości: gęstość wody zmienia się w bardzo szczególny sposób przy zmianie temperatury otoczenia. Lód stanowi otwartą sieć krystaliczną, w przeciwieństwie do wody w stanie ciekłym, ma bardziej losową, ściślejszą i gęstszą strukturę molekularną.

Ta właściwość pozwala lodowi unosić się w wodzie, działać jako izolator termiczny i umożliwiać stabilność dużych mas oceanicznych.

Gdyby tak nie było, lód zostałby zatopiony w głębinach mórz, a życie, jak wiemy, byłoby nadzwyczaj mało prawdopodobne, jak mogło powstać życie w wielkich masach lodu?

Ekologiczna rola wody

Aby zakończyć temat wody, trzeba wspomnieć, że witalny płyn nie tylko odgrywa istotną rolę w żywych istotach, ale także kształtuje środowisko, w którym żyje.

Ocean jest największym rezerwuarem wody na Ziemi, na który wpływają temperatury, sprzyjając procesom parowania. Ogromne ilości wody są w ciągłym cyklu odparowywania i wytrącania się wody, tworząc tzw. Cykl wodny.

-Gazy

Jeśli porównamy rozległe funkcje wody w układach biologicznych, rola pozostałych cząsteczek nieorganicznych jest ograniczona tylko do bardzo konkretnych ról.

Ogólnie, gazy przechodzą przez komórki w wodnych rozcieńczeniach. Czasami są wykorzystywane jako substraty do reakcji chemicznych, aw innych przypadkach są produktem odpadowym szlaku metabolicznego. Najbardziej istotne są tlen, dwutlenek węgla i azot.

Tlen jest końcowym akceptorem elektronów w łańcuchach transportowych organizmów z oddychaniem tlenowym. Ponadto dwutlenek węgla jest produktem odpadowym u zwierząt i substratem dla roślin (w procesach fotosyntezy).

-Iones

Podobnie jak gazy, rola jonów w organizmach żywych wydaje się ograniczona do bardzo specyficznych zdarzeń, ale niezbędna dla prawidłowego funkcjonowania jednostki. Są one klasyfikowane w zależności od ich ładunku w anionach, jonów z ładunkami ujemnymi i kationów, jonów z ładunkami dodatnimi.

Niektóre z nich są wymagane tylko w bardzo małych ilościach, takich jak metalowe składniki enzymów. Inne są potrzebne w większych ilościach, takich jak między innymi chlorek sodu, potas, magnez, żelazo, jod.

Ludzkie ciało stale traci te minerały, przez mocz, kał i pot. Składniki te muszą zostać ponownie wprowadzone do systemu poprzez żywność, głównie owoce, warzywa i mięso.

Funkcje jonowe

Kofaktory: jony mogą działać jako kofaktory reakcji chemicznych. Jon chloru bierze udział w hydrolizie skrobi przez amylazy. Potas i magnez są niezbędnymi jonami dla funkcjonowania bardzo ważnych enzymów w metabolizmie.

Utrzymanie osmolarności: inną ważną funkcją jest utrzymanie optymalnych warunków osmotycznych dla rozwoju procesów biologicznych.

Ilość rozpuszczonych metabolitów musi być regulowana wyjątkowo, ponieważ jeśli ten system zawiedzie, komórka może eksplodować lub może stracić znaczne ilości wody.

U ludzi, na przykład, sód i chlor są ważnymi elementami, które przyczyniają się do utrzymania równowagi osmotycznej. Te same jony sprzyjają również równowadze zasad kwasowych.

Potencjał błonowy: u zwierząt jony aktywnie uczestniczą w wytwarzaniu potencjału błonowego w błonie komórek pobudliwych.

Właściwości elektryczne membran wpływają na kluczowe zdarzenia, takie jak zdolność neuronów do przekazywania informacji.

W tych przypadkach membrana działa analogicznie do kondensatora elektrycznego, gdzie ładunki są gromadzone i przechowywane dzięki oddziaływaniom elektrostatycznym między kationami i anionami po obu stronach membrany.

Asymetryczny rozkład jonów w roztworze na każdej ze stron membrany skutkuje potencjałem elektrycznym - w zależności od przepuszczalności membrany dla obecnych jonów. Wielkość potencjału można obliczyć za pomocą równania Nernsta lub równania Goldmana.

Strukturalne: niektóre jony pełnią funkcje strukturalne. Na przykład hydroksyapatyt warunkuje mikrostrukturę krystaliczną kości. Z drugiej strony wapń i fosfor są niezbędnym elementem tworzenia kości i zębów.

Inne funkcje: w końcu jony uczestniczą w funkcjach tak niejednorodnych, jak koagulacja krwi (przez jony wapnia), widzenie i skurcz mięśni.

Różnice między organicznymi i nieorganicznymi biomolekułami

Około 99% składu istot żywych obejmuje tylko cztery atomy: wodór, tlen, węgiel i azot. Atomy te działają jak kawałki lub bloki, które mogą być rozmieszczone w szerokim zakresie konfiguracji trójwymiarowych, tworząc cząsteczki, które pozwalają na życie.

Podczas gdy związki nieorganiczne wydają się być małe, proste i niezbyt zróżnicowane, związki organiczne wydają się być bardziej niezwykłe i zróżnicowane.

Ponadto złożoność organicznych biocząsteczek wzrasta, ponieważ oprócz szkieletu węglowego mają one grupy funkcyjne, które określają właściwości chemiczne.

Oba są jednakowo niezbędne dla optymalnego rozwoju żywych istot.

Wykorzystanie terminów organicznych i nieorganicznych w życiu codziennym

Teraz, gdy opisujemy różnicę między obydwoma typami biomolekuł, konieczne jest wyjaśnienie, że używamy tych terminów w sposób niejasny i nieprecyzyjny w życiu codziennym.

Kiedy określamy owoce i warzywa jako „organiczne” - co jest obecnie bardzo popularne - nie oznacza to, że pozostałe produkty są „nieorganiczne”. Ponieważ struktura tych jadalnych elementów jest szkieletem węglowym, definicja organiczna uważana jest za zbędną.

W rzeczywistości termin organiczny wynika ze zdolności organizmów do syntezy wspomnianych związków.