Значение химических компонентов клетки

Изучение химии живых организмов – биохимии тесно связано с общим развитием биологии в нашем веке. Значение биохимии в том, что она дает фундаментальное понимание физиологии, иными словами понимание того, как работают биологические системы. Простые органические соединения мы находим во всех организмах (мономеры – «строительные блоки»). Из них строятся более крупные соединения – макромолекулы.

Таблица

Главные органические соединения

В некоторых углеводах и липидах запасается энергия, которая при необходимости может быть извлечена в процессе их расщепления. Среди углеводов растений важную роль играет такой полисахарид, как целлюлоза, несущая опорные функции. Липиды представляют собой неполярные соединения, и поэтому нерастворимы в воде; эти соединения – необходимые компоненты всех биологических мембран. К липидам относятся также и некоторые важные гормоны [4, с. 57]. Белки и нуклеиновые кислоты выполняют главные функции в управлении ростом, метаболизмом и размножением. Ферменты – это белковые катализаторы; тысячи ферментов, которыми оснащены клетки, дают им возможность быстро осуществлять химические реакции при низких температурах. Важное место среди белков занимают также структурные белки, гормоны и токсины.

Макромолекула – это гигантская молекула, построенная из многих повторяющихся единиц; следовательно она представляет собой полимер, и звенья, из которых она состоит - мономеры. Макромолекулы составляют около 90% сухой массы клеток. Одним из ключевых обстоятельств, связанных с органическими соединениями, является то, что нуклеиновые кислоты и белки могут рассматриваться как информационные молекулы. Полисахариды таковыми не являются. Информационность молекул нуклеиновых кислот и белков означает, что в них важна последовательность мономерных звеньев и то, что в них она варьирует сильнее, чем в полисахаридах.

Углеводы, их структура и свойства. Углеводами (сахаридами) называют вещества с общей формулой Сх(Н₂О)у, где х и у могут иметь разные значения. Название “углеводы” отражает тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих веществ в том же соотношении, что и в молекуле воды. Все углеводы являются либо альдегидами, либо кетонами.

Химические свойства углеводов определяются именно этими группами. Альдегиды, например, легко окисляются и поэтому являются мощными восстановителями. Кроме того, в органических соединениях встречаются и другие химические группы.

Моносахариды – простые сахара. По числу атомов углерода вих молекулах они делятся на: триозы (ЗС), тетрозы (ЧС), пептозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7С). Наиболее распространены в природе пентозы и гексозы.

В молекулах моносахаридов по всем атомам углерода, за исключением одного, присоединены гидроксильные группы (-ОН). Этот один атом углерода входит в состав либо альдегидной группы – альдозы, либо кетогруппы – кетозы. К альдозам относятся: рибоза глюкоза, манноза и галактоза; к кетозам: рибулоза и фруктоза [6, с.157]. Функции моносахаридов очень разнообразны, лишь тетрозы встречаются в природе очень редко, в основном у бактерий.

Дисахариды образуются в результате реакции конденсации между двумя моносахаридами, обычно гексозами. Связь между двумя моносахаридами называют гликозидной связью. Обычно она образуется между 1-ым и 4-ым углеродными атомами соседних моносахаридов (1, 4- гликозидная связь).

Мальтоза образуется в результате расщепления полисахарида крахмала под действием ферментов, называемых амилазими (например, в организме животных или при прорастании семян). Расщепление дисахарида мальтозы до моносахарида глюкозы осуществляется под действием фермента мальтазы. Лактоза, или молочный сахар, содержится только в молоке. Сахароза, или тростниковый сахар, содержится преимущественно в растениях. Трансформируясь по флоэме (нисходящий ток), сахароза часто откладывается в качестве питательного вещества. Сахарозу получают промышленным путем из сахарного тростника или из сахарной свеклы; именно она тот самый сахар, который мы покупаем в магазине.

Полисахариды, как уже было сказано – полимеры моносахаридов. Полимеры пентоз называются пентозанами, гексоз – гексозанами и т.д. суффикс «ан» означает полимер.

Одним из распространенных полимеров глюкозы является крахмал. У растений крахмал служит главным запасным питательным веществом, но его нет у животных, которые запасают вместо него гликоген. Крахмал запасается в виде зерен в хлоропластах листьев, в клубнях картофеля, семенах злаков и бобовых.

Гликоген – это эквивалент крахмала, построенный из остатков глюкозы; встречается гликоген в клетках многих грибов. У позвоночных он содержится главным образом в печени и в мышцах, т.е. в местах высокой метаболической активности, где он служит источником глюкозы, используемой в процессе дыхания. В клетках гликоген отлагается в виде крошечных гранул, которые обычно связываются с гладким ЭР.

Целлюлоза также является полимером глюкозы. В целлюлозе заключено около 50% углерода, находящегося в растениях, и по общей массе она на Земле занимает первое место среди всех органических соединений. Кроме растений ее образует один из классов грибов (оомицетов) и некоторые низшие беспозвоночные. В среднем 2040% материала клеточной стенки растений составляет именно целлюлоза. Кроме того, что целлюлоза является структурным компонентом растительных клеточных стенок, она служит пищей для некоторых животных (жвачных, многих беспозвоночных), бактерий и грибов. Фермент целлюлаза, расщепляющий целлюлозу до глюкозы редко встречается в природе. У жвачных животных, например, у коровы, в кишечнике есть симбионтные бактерии, которые переваривают целлюлозу. Большое количество и медленный распад целлюлозы в природе важны в экологическом плане, потому что они означают «складирование» углерода столь необходимого всем живым организмам. Велико промышленное значение целлюлозы [6, с. 123].

Соединениями, близкими к полисахаридам, являются: хитин, гликопротеины и гликолипиды.

Хитин – структурный полисахарид, очень близкий к целлюлозе; встречается у грибов, где выполняет опорную функцию в клеточных стенках. Особенно распространен этот полимер у членистоногих животных, в качестве важного компонента наружного скелета. Хитин - полимер ацетилглюкозамина.

Гликопротеины и гликолипиды – важные биологические соединения, содержащие ту или иную полисахаридную единицу. Полисахариды и родственные им соединения выполняют многообразные функции в живых организмах. Например, структурные функции пектина заключаются в том, что он входит в состав матрикса клеточной стенки у растений; часто образует гели, которые используются как желирующие вещества. Муреин локализован в клеточных стенках бактерий; играет роль структурного компонента подобного целлюлозе в клеточных стенках растений.

Гликопротеины, гликолипиды и гиалуроновая кислота также является структурными компонентами клеток различных тканей.

Защитные функции выполняют: гепарин, камеди и слизи, а к резервным веществам относятся: маннан, арабиан.

Липиды. Липиды – это обширная группа органических соединений, которые содержатся во всех живых клетках, нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в неполярных растворителях (эфир, бензол, бензин, хлороформ и др.). Липиды отличаются большим разнообразием химической структуры, но настоящие липиды – это сложные эфиры жирных кислот и какого-либо спирта.

Важнейшими группами липидов являются также стероиды (желчные кислоты, холестерол, половые гормоны, витамин Д и др.), терпены (ростовые вещества растений – гибберилины, коротиноиды, витамин К), воска, фосфо- и гликолипиды, липопротеины.

Как источники энергии липиды дают в 2-3 раза больше энергии, чем углеводы и белки. Это связано с тем, что в липидах по сравнению с последними значительно больше водорода и совсем мало кислорода. Высокое содержание липидов в семенах обеспечивает энергией процесс развития зародышей. Семена кокосовой пальмы, сои, подсолнечника и др. масличных растений, обеспечивают промышленное производство масел.

Благодаря низкой теплопроводности липиды выполняют теплоизоляционные функции. У китов жиры способствуют плавучести.

Еще одно из важнейших значений жиров в том, что они являются источником воды. При окислении 100 г жира образуется около 105 г воды. Эта метаболическая вода важна для обитателей пустынь (верблюд, жуки чернотелки и др.). Впадающие в спячку животные (медведи, сурки и др.) также получают воду окислением запасенных жиров.

Аминокислоты – это низкомолекулярные органические соединения, в состав которых входят одна или две аминогруппы (-NH₂) и одна или две карбоксильные группы (-СООН), обладающие щелочными и кислотными свойствами соответственно. Этим объясняются амфотерные свойства аминокислот, благодаря чему в клетке они играют роль буферных соединений.

В клетках и тканях организмов встречается около 170 аминокислот, в составе белков обнаруживается 26, но обычными компонентами белка являются лишь 20 аминикислот. Растения синтезируют все необходимые им аминокислоты. Животные же такой способностью не обладают, поэтому многие аминокислоты они получают с пищей, в готовом виде. Такие аминокислоты назывались незаменимыми. «Незаменимы» они лишь в том смысле, что организм животного не может их синтезировать.

Недостаточное содержание этих аминокислот в пище человека или рационе животных приводит к нарушению биосинтеза белка, замедлению роста и развития организма, к различным заболеваниям. Введение в рацион 0,2-0,5% таких незаменимых аминокислот, как лизин, триптофан, треонин и метионин повышает продуктивность домашних животных.

Уникальность свойств каждой из аминокислот определяется строением радикала, или R группы. Так в простейшей аминокислоте глицине роль R играет атом водорода Н, если R представляет собой метильную (-СН₃) группу, то образуется аминокислота аланин. Встречаются аминокислоты, у которых аминогруппа (-NH₂) заменена имминогруппой (=NH), такие кислоты называются имминокислотами, например пролин.

Аминокислоты способны образовывать ряд химических связей с реакционноспособными группами, что крайне существенно для структуры и функции белков. Такие аминокислоты называются протеиногенными (образующими протеины, т.е. белки) им присуще одно из важнейших свойств – способность при участии ферментов образовывать полипептидные цены, соединяясь по амино- и карбоксильным группам. Связь, образованная по этим группам, называется пептидной и осуществляется она в результате конденсации аминокислот.

Соединение, образующееся в результате конденсации двух аминокислот, представляет собой дипептид, много аминокислот соединяясь таким образом образуют полипептид.

Дисульфидные связи образуются окислением сульфгидрильных групп (-SH) групп (например, две молекулы цистеина). Часто возникающие при биохимических реакциях водородные связи очень слабы, но роль их в стабильности молекулярной структуры (например, структуры шелка) весьма значительна.