УГЛЕВОДЫ. Вода играет важную роль в осмотическом поступле­нии веществ в клетку и организм и в поддержании тургора

ОСНОВНЫЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ ВЕЩЕСТВА КЛЕТКИ.

Вода играет важную роль в осмотическом поступле­нии веществ в клетку и организм и в поддержании тургора.

Вода обладает большой теплотой испарения, т. е. испарение сопровождается охлаждением. Это явление используется, например, у животных при потоотде­лении и у растений при транспирации, т. е. вода участвует в терморегуляции организма.

Неполярные вещества, а также неполярныеучастки молекул гидрофобны, т. е. отталкиваются водой и в ее присутствии притягиваются друг к другу. Такие взаимодействия играют важную роль в обеспечении стабильности мембран, а также многих белковых мо­лекул, нуклеиновых кислот и ряда субклеточных структур.

РОЛЬ ВОДЫ В ЖИВЫХ ОРГАНИЗМАХ

Из неорганических веществ, входящих в состав клет­ки, важнейшим является вода. Количество еесоставля­ет от 60% до 95% общей массы организма. Жизнь на планете зародилась вводе и без нее существовать не может.

Ключевая роль воды находит объяснение в ее физических и химических свойствах. Молекулы воды малы, полярны(являются диполями) и способны соеди­няться друг с другом водородными связями.

Можно рассмотреть следующие важнейшие функции воды как компонента биологических систем:

1. Вода — растворитель для полярных веществ. Боль­шая часть химических реакций в клетке протекает в водных растворах.

3. Вода служит средой для транспорта различных ве­ществ.

4. Вода обладает большой теплоемкостью за счет водо­родных связей. Этосводитк минимуму происходя­щие в ней температурные изменения. Благодаря это­му биохимические процессы протекают в меньшеминтервале температур и с более постоянной скоростью.

7. Биологическое значение воды определяется и тем, что она участвует во многих реакциях метаболизма (все реакций гидролиза, выделение кислорода в про­цессе фотосинтеза).

8. В клетках и тканях различают две формы воды — свободную и связанную. Свободная обладает доста­точной подвижностью и участвует в основном в тран­спорте веществ в организме. Связанная может фор­мировать гидратные оболочки ионов и молекул, образовывать коллоидные растворы белков, капиллярно связываться со стенками сосудов.

Вопросы и задания для самопроверки

1. Какими свойствами молекул воды объясняется ее важней­шая роль в жизни организмов?

2. Перечислите важнейшие функции воды в живых системах.

3. В чем состоит принципиальное отличие свободной и свя­занной воды?

К углеводам относят соединения, общая формула ко­торых записывается как С_x (Н₂О)_у, где х и у могут иметь разные значения. Все углеводы являются либо альдеги­дами, либо кетонами, а в их молекулах всегда имеется несколько гидроксильных групп, т. е. они одновремен­но являются и многоатомными спиртами.

Углеводы под­разделяют на три главных класса: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды — соединения, в основе которых ле­жит неразветвленная углеродная цепочка, при одном из атомов углерода которой находится карбонильная группа (С=О), а при всех остальных — по одной гидроксогруппе {—ОН).

В зависимости от числа атомов уг­лерода выделяют триозы (х = 3), тетрозы (х = 4), пентозы (х = 5), гексозы (х = 6) и т. д.

В зависимости от того, входит в состав моносахарида альдегидная или кетогруппа, их разделяют на альдозы и кетозы.

Все моносахариды в живых организмах встречаются в виде различных производных, прежде всего в виде фосфатов, а пентозы — в составе нуклеотидов.

Гексозы входят в качестве мономерных звеньев в олиго- и полисахариды.

Среди пентоз наиболее важны D-рибоза и продукт ее восстановления D-дезоксирибоза.

А среди гексоз — производные D-глюкозы и двух ее изомеров: D-галактозы (альдозы) и D-фруктозы (кетозы).

В состав ряда полисахаридов входят также про­изводные глюкозы и галактозы, у которых при втором углеродном атоме гидроксогруппа заменена на аминогруппу — соответственно D-глюкозамин и D-гaлактозамин.

Олигосахариды получаются в результате реакции кон­денсации моносахаридов и содержат от двух до несколь­ких десятков остатков исходных соединений.

Наиболее важны дисахариды. В их молекулах два остатка моно­сахаридов связаны гликозидной связью, обычно обра­зующейся между первым и четвертым атомами углеро­да соседних моносахаридов. Среди дисахаридов наибо­лее распространены мальтоза, лактоза и сахароза:

глюкоза + глюкоза = мальтоза;

глюкоза + галактоза = лактоза;

глюкоза + фруктоза = сахароза.

Мальтоза образуется из крахмала в процессе его пере­варивания под действием ферментов амилаз.

Лактоза (мо­лочный сахар) содержится только в молоке.

Сахароза, или тростниковый сахар, наиболее распространена в растени­ях, где транспортируется по флоэме, а иногда откладыва­ется в качестве запасного питательного вещества.

В клетках эукариот многие белки связаны с олигосахаридными фрагментами (гликопротеины). Часть из них входит в состав гликокаликса.

Полисахариды являются биологическими полимера­ми, получающимися в результате реакций поликонден­сации из моносахаридов (мономеров), в первую очередь D-глюкозы.

К важнейшим полисахаридам относятся целлюлоза, крахмал, гликоген, хитин.

Самый распространенный полисахарид — целлюлоза. По имеющимся данным, растения планеты производят ее в количестве 10 тонн в год. Это линейный полимер, построенный из остатков β-D-глюкозы. В состав одной молекулы входит до 10 000 остатков глюкозы. Линей­ные молекулы связаны огромным числом водородных связей, образуя пучки — микрофибриллы. Целлюлоза является важнейшим структурным компонентом клеточ­ных стенок растений, а также служит пищей для неко­торых бактерий, грибов и животных (у жвачных жи­вотных в кишечнике обитают в качестве симбионтов бак­терии, переваривающие целлюлозу).

Крахмал является полимером α-D-глюкозы. Его мо­лекулы состоят из двух компонентов: амилозы (22-26%) и амилопектина. Линейные цепи амилозы состоят из нескольких тысяч остатков глюкозы и закручены в спи­раль, внутренний диаметр которой соответствует диа­метру молекулы йода. Именно амилоза ответственна за качественную реакцию на крахмал — синее окрашивание при добавлении раствора йода..

Амилопектин сущест­вует в виде разветвленных цепей и содержит приблизительно вдвое больше остатков глюкозы, чем амилоза. Крахмал является запасным питательным веществом растений.

У животных и многих грибов резервным по­лисахаридом является гликоген. Он, как и крахмал, по­строен из остатков α-D-глюкозы и сходен по строению с амилопектином, но цепи его ветвятся еще сильнее.

Хитин, образующий наружный скелет членистоногих и входящий в состав клеточных стенок многих грибов, является полимерным производным β-D-ацетилглюкозамина. С ним сходен по составу муреин, входящий в клеточные стенки многих бактерий.

Значительное количество полисахаридов, имеющих в своем составе остатки серной кислоты - мукополисахариды, входит в состав соединительной ткани. К мукополисахаридам относится и гепарин, препятствующий самопроизвольному свертыванию крови.

Таким образом, можно говорить о чрезвычайно важ­ной роли углеводов в клетке и организме в целом. Они выполняют следующие функции:

1. Структурную (клеточные стенки растений, бактерий,
грибов; наружный скелет членистоногих).

2. В составе гликокаликса животных клеток определяют антигенные свойства клеток, их способность «узнавать» друг друга.

3. Являются важным компонентом соединительной тка­ни позвоночных животных.

4. Выполняют защитную функцию (у животных — ге­парин как ингибитор свертывания крови, у растений — камеди и слизи, образующиеся в ответ на повреждения тканей).

5. Полисахариды являются запасными питательными
веществами всех организмов, играя роль важнейших
поставщиков энергии при окислении в процессах брожения, гликолиза, дыхания (энергетическая ценность глюкозы составляет 17,6 кДж/моль).

6. Рибоза и дезоксирибоза являются компонентами нуклеотидов, образующих нуклеиновые кислоты.

7. В различных процессах метаболизма углеводы могут превращаться в аминокислоты (далее в белки) и жиры.

Вопросы и задания для самопроверки

1. Какие основные классы органических соединений входят
в состав клетки?

2. Какие соединения относятся к углеводам?

3. Как различают D- и L-изомеры углеводов? Какие из них
чаще встречаются в природе?

4. Назовите наиболее важные моносахариды.

5. Назовите наиболее важные олигосахариды.

6. Назовите наиболее важные полисахариды. Опишите их со­
став, строение, функции.

7. Перечислите функции углеводов.

ЛИПИДЫ

Липиды — это ряд структурно и функционально раз­личных соединений, отличающихся своей гидрофобностью или, по крайней мере, наличием в составе их молекул больших гидрофобных фрагментов.

Большая часть липидов представляет собой сложные эфиры трех­атомного спирта глицерина и жирных кислот, т. е. жиры. В их состав могут входить ненасыщенные и на­сыщенные жирные кислоты.

К ненасыщенным кислотам относят­ся, например, олеиновая (С_1ТН₃₃СООН), линолевая (С₁₇Н₃₁СООН) и линоленовая (С₁₇Н₂₉СООН).

К насыщен­ным кислотам — миристиновая (С₁₃Н₂₇СООН), пальмитиновая (С₁₅Н₃₁СООН) и стеариновая (С₁₇Н₃₅СООН).

Триглицериды ненасыщенных жирных кислот при обычных температурах жидкие и называются маслами. Они встре­чаются обычно в растениях (исключение — твердый жир кокосовых орехов), а в организме животных содержат­ся твердые жиры (исключение — жидкий жир, накап­ливающийся в печени рыб).

К группе липидов относятся фосфолипиды, являю­щиеся основным компонентом всех клеточных мемб­ран. Они представляют собой сложные эфиры глице­рина, двух жирных кислот и одной молекулы фосфор­ной кислоты, связанной с аминокислотой серином или спиртом (холином, инозитом или этанол амином).

Основная черта всех фосфолипидов — наличие гидрофиль­ной «головки» (остатка фосфорной кислоты) и двух больших гидрофобных «хвостов» (остатков жирных кислот).

Важным компонентом мембран животных клеток яв­ляется также холестерин. Он относится к классу соеди­нений, называемых стероидами (полициклические со­единения). К этому же классу относятся и стероидные гормоны (половые: женские — прогестерон и эстрадиол и мужской — тестостерон, а также кортикостероиды — кортизон, кортикостерон и др.).

У растений встречается ряд соединений, имеющих общее название «терпены». Это производные изопрена. К ним относятся, например, гиббереллины (ростовые ве­щества растений), каротиноиды (пигменты фотосинте­за), вещества, входящие в состав млечного сока некото­рых сложноцветных (натуральный каучук).

Стероиды и терпены гидрофобны и относятся к липидам, хотя и не являются сложными эфирами глице­рина.

К липидам также относятся воска (сложные эфиры жирных кислот и жирных спиртов). Липиды могут связываться с белками, давая липопротеиды, и с угле­водами — гликолипиды.

Функции липидов:

1. Жиры (и масла) служат, в первую очередь, источ­ником энергий для клетки и организма в целом (их калорийность приблизительно в два раза выше калорийности углеводов).

2. А также источником воды, получающейся при их окислении (у верб­люда, кенгуровой крысы, животных, впадающих в спячку).

3. Кроме того, жиры участвуют в термо­регуляции организма, создавая теплоизолирующий слой.

4. Фосфолипиды — универсальные компоненты клеточных мембран.

5. К стероида м относятся важнейшие гормоны, желчные кислоты, участвующие в переваривании жиров,
холестерин — компонент мембран животных клеток,
витамин Д.

6. К терпенам относятся пигменты фотосинтеза (каротиноиды, часть молекулы хлорофилла), ростовые ве­щества растений (аналоги гормонов животных).

7. Воска выполняют защитную функцию у растений,
входят в состав наружного скелета насекомых, покрывают перья и шерсть.

8. Липопротеиды входят в состав мембран, а также переносятся с кровью и лимфой (т. е. являются транс­портной формой липидов).

9. Гликолипиды являются важнейшими компонентами
миелиновой оболочки нервных волокон и мембран
хлоропластов.

Вопросы и задания для самопроверки

1. По какому признаку соединения объединяются в класс липидов?

2.'Можноли вместо «липиды» говорить «жиры»?

3. В чем разница между жирами и маслами?

4. Что представляют собой фосфолипиды?

5. Назовите основные функции липидов.

АМИНОКИСЛОТЫ И БЕЛКИ

Аминокислотами называются соединения, имеющие в своем составе карбоксильную группу —(СООН) и амино­группу (—NH₂). Всего в природе встречается более 170 аминокислот. Все они (кроме простейшей — аминоуксусной кислоты, или глицина) могут существовать в виде двух оптических изомеров: L и D. В составе белков встречает­ся 20 аминокислот, причем только L-изомеры, хотя D-изоформы также есть в клетках и могут входить в состав не­которых биологически важных коротких олигопептидов.

Кроме оптической изомерии, для аминокислот харак­терна изомерия положения аминогруппы. В состав бел­ков входят только α-аминокислоты,

общая формула которых R—СН—СООН, где R — органический радикал.

|

NH₂

Он может быть предельным, ароматическим, гетероциклическим, содержать группы —SH, —ОН, —СООН или —NН₂.

Аминокислоты, входящие в состав белков, и соответствующие им кодоны в и-РНК

Название аминокислоты	Структурная формула	Кодоны в и-РНК
Глицин	СН2—СООН | NH2	ГГУ ГГЦ ГГА ГГГ
Алании	Н3С—СН—СООН | NH2	ЩУ ГЦЦ ГЦА ГЦГ
Валин	Н3С—СН—СН—СООН | | СН3 NH2	ГУУ ГУЦ ГУ А ГУГ
Лейцин	Н3С—СН—СН2—СН—СООН | | СН3 NH2	ЦУУ ЦУЦ ЦУА ЦУГ УУА УУГ
Изолейцин	Н3С—СН2 —СН—СН—СООН | | СН3 NH2	АУУ АУЦ АУА
Метионин	Н3С—S—СН2—СН2 —СН—СООН |	АУГ
	NH2
Серин	СН2—СН—СООН || ОН NH2	УЦУ УЦЦ УЦА УЦГ АТУ АЩ
Треонин	Н3С—СН—СН—СООН | | ОН NH2	АДУ АЦЦ АДА АЦГ
Цистеин	HS—СН2 —СН—СООН | NH2	УГУ УГЦ
Фенилаланин	—CH2 —СН—СООН | NH2	УУУ УУЦ
Тирозин	ОН—СН2 —СН—СООН | NH2	УАУ УАЦ
Триптофан	—CH2 —CH—COOH NH2 H	УГГ
Аспарагиновая кислота	HOOC—CH2—CH—COOH | NH2	ГАУ ГАЦ
Глутаминовая кислота	HOOC—CH2 —CH2 —CH—COOH NH2	ГАА ГАГ
Аспарагин	C—CH2 —CH—COOH NH2	ААУ ААЦ
Глутамин		ЦААЦАГ
Гистидин	CH2 —CH—COOH	ЦАУ ЦАЦ
Лизин	CH2—CH2—CH2—CH2—CH—COOH NH2 NH2	АААААГ
Аргинин	HN=C—NH —CH2—CH2—CH2—CH—COOH NH2 NH2	ЦГУ ЦГЦ ЦГА ЦГГ АГА АГГ
Пролин		ЦЦУ ЦЦЦ ЦЦА ЦЦГ
«Знаки препинания»	УААУАГ УГА

Некоторые аминокислоты, встречающиеся в клетке в свободном или связанном виде (но не в составе бел­ков), играют важную роль в жизнедеятельности орга­низма (например, γ-аминомасляная кислота имеется только в нервной ткани и является ингибитором нейромедиаторов).

Растения и большая часть микроорганизмов способ­ны производить весь набор аминокислот, необходимых для построения белковой молекулы.

У животных часть ферментов, требующихся для био­синтеза аминокислот из простых предшественников, от­сутствует. Поэтому некоторые аминокислоты животные должны получать с пищей. Такие аминокислоты назы­ваются незаменимыми. К их числу относятся 12 из 20 входящих в состав белков (см. табл. 1).

Дата добавления: 2015-05-26