Органические вещества клетки

Клетки содержат множество разнообразных органических соединений: углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты и др. Основу органических веществ составляют атомы углерода, способные вступать друг с другом в прочные ковалентные связи и образовывать разнообразные по форме каркасы органических молекул. В зависимости от молекулярной массы и структуры различают малые низкомолекулярные органические молекулы – мономеры – и более крупные, высокомолекулярные макромолекулы – полимеры. Мономеры служат строительными блоками для полимеров.

Полимеры представляют собой линейные или разветвленные цепи, содержащие большое число мономерных звеньев. Полимеры, представленные одним видом мономеров, называют гомополимерами, несколькими различными мономерами – гетерополимерами. Полимер, в молекуле которого группа мономеров периодически повторяется, называют регулярным. Известны также нерегулярные полимеры, в молекулах которых нет видимой повторяемости мономерных звеньев. Свойства биополимеров зависят от числа, состава и порядка расположения составляющих их мономеров. Возможность изменения состава и последовательности мономеров в структуре полимера лежит в основе образования значительного числа вариантов биологических макромолекул, обладающих различными свойствами. Этот принцип играет важную роль в понимании многообразия живых организмов.

Углеводы

Как следует из названия, углеводы представляют собой соединения углерода и воды; их формула Cn(H2O)n. Содержание углеводов в животных клетках составляет 1–5%, а в некоторых клетках растений достигает 70%.

Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды, различающиеся числом мономерных звеньев.

Моносахариды – бесцветные, твердые кристаллические вещества, легко растворимые в воде, но нерастворимые в неполярных растворителях, имеющие, как правило, сладкий вкус. В зависимости от числа атомов углерода различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и гептозы. Наиболее распространены в природе гексозы (глюкоза, фруктоза) – основные источники энергии в клетках (при полном расщеплении 1 г глюкозы высвобождается 17,6 кДж энергии) и пентозы (рибоза, дезоксирибоза), входящие в состав нуклеиновых кислот.

Два или несколько ковалентно связанных друг с другом с помощью гликозидной связи моносахарида образуют ди- или олигосахариды. Дисахариды также широко распространены в природе: наиболее часто встречаются мальтоза, или солодовый сахар, состоящий из двух молекул глюкозы; лактоза, входящая в состав молока и состоящая из галактозы и глюкозы; сахароза, или свекловичный сахар, включающий глюкозу и фруктозу. Дисахариды, как и моносахариды, растворимы в воде и обладают сладким вкусом.

Полисахариды содержат большое число моносахаридных остатков и обладают высокой молекулярной массой. Они утрачивают сладкий вкус и способность растворяться в воде. Полисахарнды – это биополимеры. В составе живых организмов имеется много разнообразных полисахаридов. Наиболее широко распространены такие полимеры глюкозы, как крахмал и гликоген, используемые клетками растений и животных для запасания энергии, а также целлюлоза и хитин, обеспечивающие прочность покровных структур растений, грибов и животных.

Некоторые углеводы способны образовывать комплексы с липидами и белками, формируя сложные углеводы типа гликолипидов и гликопротеинов. Большинство мембранных и секретируемых клеткой белков относится к гликопротеинам.

Биологическое значение углеводов состоит в том, что они являются мощным и богатым источником энергии, необходимой клетке для осуществления различных форм активности. Полисахариды – удобная форма накопления энергоемких моносакаридоа, а также незаменимый защитный и структурный компонент клеток и тканей животных, растений и микроорганизмов. Некоторые полисахариды входят в состав клеточных мембран и служат рецепторами, обеспечивая узнавание клеток друг другом и их взаимодействие.

Липиды

Липиды представляют собой органические вещества, не растворимые в воде, но растворимые в неполярных растворителях – эфире, хлороформе, бензоле. Они обнаруживаются во всех без исключения клетках и разделены на несколько классов, выполняющих специфические биологические функции. Наиболее распространенными в составе живой природы являются нейтральные жиры, или триацилглицерины, воска, фосфолипиды, стеролы. Содержание липидов в разных клетках сильно варьирует: от 2 – 3 до 50 – 90 % в клетках семян растений и жировой ткани животных.

Структурными компонентами большинства липидов являются жирные кислоты, молекулы которых содержат две части: длинноцепочечный углеводородный "хвост", имеющий гидрофобный характер, и карбоксильную группу, крайне гидрофильную. Жирные кислоты являются ценным источником энергии. При окислении 1 г жирных кислот высвобождается 38 кДж энергии и синтезируется а два раза большее количество АТФ, чем при расщеплении такого же количества глюкозы.

Жиры – наиболее простые и широко распространенные липиды. Они представляют собой эфиры трехатомного спирта (глицерина) и трех молекул жирных кислот. Жиры являются основной формой запасания липидов в клетке. У позвоночных животных примерно половина энергии, потребляемой клетками в состоянии покоя, образуется за счет окисления жиров. Жиры используются также в качестве источника воды (при сгорании 1г жира образуется 1,1 г воды). Это особенно ценно для арктических и пустынных животных, обитающих в условиях дефицита свободной воды. У многих млекопитающих под кожей откладывается толстый слой подкожного жира, который благодаря низкой теплопроводности защищает организм от переохлаждения.

Воска – это сложные эфиры, образуемые жирными кислотами и многоатомными спиртами. У позвоночных животных воска секретируются кожными железами. Покрывая кожу и ее производные (волосы, шерсть, мех, перья), воска смягчают их и предохраняют от действия воды. Листья и плоды многих растений покрыты защитным восковым налетом. Воска вырабатываются и используются в очень больших количествах морскими организмами, особенно планктонными.

Фосфолипиды, в состав молекул которых входит остаток фосфорной кислоты, являются основой всех клеточных мембран.

Стероиды составляют группу липидов, не содержащих жирных кислот и имеющих особую структуру. К ним относится ряд гормонов, в частности кортизон, вырабатываемый корой надпочечников, различные половые гормоны, а также холестерин – важный компонент клеточных мембран у животных.

Биология: