Які органічні сполуки виконують функцію. Органічні речовини клітини
Органічними (вуглецевими) сполуками клітини є білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи, ліпіди та АТФ. Як уже зазначено, молекули цих сполук часто називають біологічними молекулами, а через їх великі розміри - макромолекулами.
Оскільки всі органічні сполукиклітини містять вуглець, прийнято вважати, що життя Землі побудована на вуглецевої основі. Чудовою особливістю вуглецю є те, що його атоми дуже легко утворюють ковалентні зв'язки з іншими атомами, внаслідок чого він більше за інші елементи здатний утворювати великі молекули. До певної міри такою здатністю, але меншою, має і кремній, що стало підставою до відомих припущень про існування життя на інших планетах, але на кремнієвій основі.
> Білки
Білки, або, як їх ще називають, протеїни (від грец. Protos - першорядний), є найскладнішими хімічними сполуками, що характеризуються великою молекулярною масою. До складу всіх відомих білків входять вуглець, водень, азот та кисень.
У більшості білків знаходять сірку, а в деяких білках - фосфор, залізо, цинк та мідь. Будучи макромолекулами, вони є лінійними полімерами, в яких мономерами є амінокислоти, кожна з яких складається з аміногрупи (-NH2), карбоксильної групи (-СООН), атома водню і R-групи, приєднаної до атома вуглецю, який називають tt-вуглецевим атомом. Завдяки наявності аміногруп та карбоксильних груп амінокислоти здатні реагувати один з одним та утворювати між собою ковалентні зв'язки. Зокрема, амінокислоти з'єднуються одна з одною за допомогою з'єднання аміногрупи однієї амінокислоти з карбоксильною групою іншої амінокислоти.
Зв'язок, що виникає між амінокислотами, називають пептидною (амідною), а кілька сполук амінокислот називають пептидом. Т.к. спочатку утворюється дипептид містить реакційноздатну аміногрупу і карбоксильну групи, то до нього здатні приєднатися інші амінокислоти, утворюючи поліпептид (білок). Зазвичай ланцюг із трьох амінокислот називають трипептидом, а ланцюг із багатьох сполучених амінокислот називають поліпептидним ланцюгом.
Отже, пептиди - це ланцюжки амінокислот. Білок може складатися з одного поліпептидного ланцюга або кількох. Наприклад, міоглобін складається з одного ланцюга, тоді як гемоглобін - з двох ланцюгів одного типу та двох ланцюгів іншого типу.
Для поліпептидних ланцюгів характерна нерозгалужена структура. Молекула білка є, по суті, невизначено довгі ланцюги амінокислот, пов'язані пептидними зв'язками.
де R-групи (бічні групи, ланцюги) є радикалами, кожен з яких складається з гідроксильної (ОН-), сульфгідрильної (SH-) та інших груп і які є частиною молекули. Бічні R-групи, будучи різними за структурою, електрозарядом та розчинністю у воді, визначають відмінності між амінокислотами.
Для амінокислот характерна асиметричність, у результаті розрізняють L- і D-амінокислоти. У складі клітинних білків є лише L-амінокислоти, відомо 20 L-амінокислот. Ці амінокислоти часто називають стандартними (основними, нормальними), тому що відомі ще інші амінокислоти, які присутні в організмах, але не виявляються в більшості їх білків. Такі нестандартні амінокислоти зустрічаються в колагені (4-гідроксипролін та 5-гідроксилізин), міозині (N-метиллізин), в протромбіні (g-карбоксиглутамінова кислота) та в еластині (десмозин). Припускають, що L-амінокислоти є близько 2 млрд років. З них побудовані білки всіх відомих на цей час організмів. Відмінності між різними L-амінокислотами визначаються бічними R-групами, приєднаними до альфавуглецю.
Крім пептидів, що утворюють білки, існує багато пептидів, що зустрічаються в організмах тварин і людини у вигляді вільних сполук, не пов'язаних із білками. Такими пептидами є деякі гормони (інсулін, глюкагон та інші). Оскільки R-групи характеризуються різним ступенем полярності (різною здатністю взаємодіяти з водою при рН близько 7,0), то амінокислоти класифікують на амінокислоти, що містять неполярні R-групи (аланін, валін, лейцин, ізолейцин, пролін), полярні незаряджені R-групи (гліцин, серії, треонін, цистеїн, тирозин, аспарагін, глутамін), негативно заряджені (кислі) R-групи (аспарагінова та глутамінова кислоти), позитивно заряджені (основні) R-групи (лізин, аргінін, гістидин).
Білки розрізняються між собою за молекулярною масою, яка для більшості з них лежить у межах 6000-1000000.
Білки розрізняються за складом на прості та складні. Прості білки складаються тільки з амінокислот, що містять 50% вуглецю, 7% водню, 23% кисню, 16% азоту. До складу деяких простих білків може входити сірка у невеликій кількості.
Складні білки, крім амінокислот, містять у своєму складі інші сполуки як органічні, так і неорганічні. Цю небілкову частину молекули складного білка називають простетичною групою. Складними білками є нуклеопротеїди, ліпопротеїди, фосфопротеїди, металопротеїди та глікопротеїди.
Білки розрізняються також за структурою, яка залежить від кількості амінокислот (амінокислотних залишків), що входять до їх складу, і послідовності (чергування) амінокислот у поліпептиді. Одні білки побудовані з одного (рибонуклеаза, лізоцим), двох (бичачий інсулін), трьох (хемотрипсин), чотирьох (гемоглобін людини) та більше поліпептидних ланцюгів.
Розрізняють первинну, вторинну, третинну та четвертинну структуру білків. Первинна структура визначається ставленням одного амінокислотного залишку до іншого в поліпептиді, тобто послідовністю амінокислотних залишків у поліпептиді. Вторинна структура визначається скрученістю поліпептидних ланцюгів як спіралей. Третинна структура характерна для поліпептидних спіральних структур, що утворюють клубки (фібрили). Що стосується четвертинної структури, вона виникає, коли відбувається з'єднання між собою декількох молекул.
Залежно від конформації (просторової структури), розрізняють глобулярні (поліпептидні ланцюги утворюють клубки) та фібрилярні білки (поліпептидні ланцюги формують фібрили). Глобулярними білками є майже всі ферменти, антитіла, гормони, гемоглобін, сироватковий альбумін, тоді як фібрилярними є колаген сухожиль і кісток, кератинін волосся та інші.
Перед білків у цитоплазмі припадає 50-70% від загальної кількості органічних сполук. Що ж до функцій білків, то вони виключно різноманітні.
Білки є, насамперед, будівельним матеріалом, тому що входять до складу практично всіх клітинних структур. Крім того, володіючи здатністю утворювати волокна, багато білків виконують опорну функцію. Наприклад, основу шкіри, хрящів та сухожилля у ссавців становить фібрилярний білок колаген, який при кип'ятінні у воді перетворюється на желатин, а зв'язок - еластин. Хімічний склад волосся, нігтів (кігтів) та пір'я визначається в основному кератином. Шовкові нитки та павутиння побудовані з білка фібреїну.
Багато білків є ферментами (ензимами). Ферменти локалізуються в мітохондріях, цитоплазмі, лізосомах, пероксисомах, на мембранах клітин та органел. Вони каталізують всі реакції, що протікають у клітинах. Вважають, що ферменти підвищують швидкість реакції щонайменше 1 млн разів. Кожна реакція забезпечується своїм ферментом. Наприклад, ліпаза розщеплює жири, амілаза розщеплює крохмаль. Нині відомо понад 2000 різних ферментів. Залежно від каталізованих реакцій їх класифікують на гідролази (реакції гідролізу), нуклеази (розщеплення нуклеїнових кислот), трансферази (перенесення функціональних груп), оксидоредуктази (окислювально-відновлювальні реакції), ліпази (утворення зв'язків за рахунок АТФ) та ін.
Найважливішою особливістю білків є те, що в клітинах багатоклітинних організмів тисячі білків функціонально пов'язані між собою та переносять інформацію від плазматичної мембрани до геному. Наприклад; фермент у метаболічному шляху "читає" концентрацію субстрату і продукує відповідний рівень продукту, а рецептор на клітинній поверхні "читає" концентрацію його ліганду та продукує певний рівень комплексу рецептор - ліганд.
Білки мають регуляторну здатність. Ті тварини білки, які є гормонами, мають здатність регулювати фізіологічні процеси, що протікають у клітинах. Наприклад, інсулін, який є білковим гормоном, що продукується клітинами підшлункової залози, регулює в організмі метаболізм глюкози. Білковими є також гормони, що продукуються клітинами гіпоталамічної частини мозку та гіпофізом і мають важливе значення у зростанні та розвитку організмів. Паратиреоїдний гормон регулює транспорт іонів Са та фосфатів. Однак зауважимо, що не всі гормони мають білкову природу. У рослин також відомі окремі білки, які мають гормональну активність. Наприклад, таку активність має індолі-оцтова кислота, яка стимулює ріст рослин. Репресорні білки беруть участь у регуляції експресії генів.
Білки мають рухову і скорочувальну функції, забезпечуючи на молекулярному, рівні рух хромосом і сперматозоїдів, на інших рівнях - рух найпростіших, рухові реакції у рослин; скорочення скелетних м'язів у багатоклітинних тварин (м'язові білки антин та міозин). Вони виконують роль механічної опори. Наприклад, висока пружність шкіри обумовлена наявністю у ній колагену.
Для білків характерна транспортна функція. Зокрема, є транспортерами гормонів, амінокислот, ліпідів, цукрів, іонів кисню.
Білки є джерелами енергії, якщо їх розпад до амінокислот. Втрачаючи аміногрупи (дезамінуючись), білки стають джерелом енергія під час, коли у клітинах настає виснаження вуглеводних та ліпідних ресурсів.
Оцінюючи роль білків у житті клітин, тканин і організмів, не можна також не відзначити, що вони мають видову специфічність, а це веде до одного основного висновку, що зводиться до визнання положення "організми робляться білками".
Органічні речовиниклітини. Вуглеводи
Вуглеводи- Органічні сполуки, що складаються з вуглецю, водню та кисню. Термін «вуглеводи» виник тому, що перші відомі представники складу відповідали формулі C m (H 2 O) n (вуглець + вода); згодом було виявлено природні вуглеводи з іншим співвідношенням атомів у молекулі.
За хімічною структурою вуглеводи - кетоноспирти або альдегідоспирти: у їх молекулах присутні кілька гідроксильних груп (як багатоатомних спиртів) і карбонильная група (як альдегідів і кетонів).
Моносахариди(Прості вуглеводи) - безбарвні кристалічні речовини, що легко розчиняються у воді і мають солодкий смак. Загальна формула моносахаридів - З n Н 2n Про n (n = 3 - 9). За кількістю атомів вуглецю в молекулі моносахариди поділяються на тріози(n = 3), тетрози(n = 4), пентози(n = 5), гексози(n = 6) і т. д. У природі найчастіше зустрічаються пентози та гексози. Природні моносахариди з вуглецевим ланцюгом, що містить понад 9 атомів вуглецю, не виявлено.
Моносахариди в природі рідко зустрічаються у вільному стані: зазвичай є мономерами більших молекул оліго- і полісахаридів, а також входять у вигляді залишків до складу глікопротеїнів, гліколіпідів, нуклеїнових кислот та ін.
У вільному стані в організмах зустрічаються такі моносахариди, як (міститься в плазмі крові та соках рослин) та (у меді та плодах деяких рослин).
| Моносахарид | Формула | Знаходження у клітці та у природі |
|---|---|---|
| З 5 Н 10 Про 5 | У складі РНК, АТФ | |
| C 5 H 10 O 4 | У складі ДНК | |
| З 6 Н 12 Про 6 | У вільному стані у клітинному соку рослин та у плазмі крові; також у складі глікогену, крохмалю, целюлози | |
| З 6 Н 12 Про 6 | У меді, фруктах, ягодах | |
| З 6 Н 12 Про 6 | У складі молочного цукру |
У дорослої людини у крові міститься в середньому 6 г глюкози. Ця енергетична сировина може забезпечити потреби організму близько 15 хвилин. Організм постійно виробляє нові порції глюкози і виділяє їх у кров у міру того, як витрачаються старі запаси.
Моносахариди - головне джерело енергії для процесів, що відбуваються у клітині. Моносахариди відразу окислюються до двоокису вуглецю та води, тоді як білки та жири окислюються до тих самих продуктів через ряд складних проміжних процесів. При більш глибоких перетвореннях в обміні речовин із моносахаридів можуть утворюватися амінокислоти, ліпіди та інші органічні сполуки.
Біосинтез моносахаридів з Вуглекислий газі води відбувається у рослинах у процесі фотосинтезу.
Дисахариди- Вуглеводи, у яких молекула складається з двох мономерів - моносахаридів. Таким чином, дисахарид є димерами. Дисахариди, як і моносахариди, мають солодкий смак і тому їх називають «цукром».
| Дисахарид | Формула | Мономери | Знаходження у природі |
|---|---|---|---|
| C 12 H 22 O 11 | Глюкоза та фруктоза | Фрукти, плоди, ягоди | |
| З 12 Н 22 Про 11 | Глюкоза та галактоза | Молоко | |
| C 12 H 22 O 11 | Глюкоза | Пророслі зерна (солод) злаків |
У коров'ячому молоці міститься 4,6% молочного цукру. У жіночому молоці його більше – 6,5%.
Полісахариди- загальна назва класу складних високомолекулярних вуглеводів, молекули яких складаються з десятків, сотень або тисяч мономерів - моносахаридів. Молекули полісахаридів можуть бути лінійними або розгалуженими, бути гомополімерами (побудованими із залишків лише одного моносахариду) або гетерополімерами (побудованими із залишків двох і більше моносахаридів).
До полісахаридів належать, зокрема: , , .
| Полісахарид | Формула, характер молекули | Молекулярна маса | Мономір | Знаходження у природі |
|---|---|---|---|---|
| (C 6 H 10 O 5) n Суміш молекул лінійної та розгалуженої будови | 10 5 — 10 9 | Глюкоза | Запасається в клітинах рослин, особливо в насінні, цибулинах, бульбах | |
| (C 6 H 10 O 5) n Молекула розгалужена | 10 6 — 10 9 | Глюкоза | Запасається у клітинах тварин, особливо у печінці та м'язах | |
| (C 6 H 10 O 5) n Молекула лінійна | до 2 х 10 9 | Глюкоза | Входить до складу клітинних стінок рослин та мікроорганізмів | |
| (C 8 H 12 O 3 N) n Молекула лінійна | до 260 000 | N-ацетил-глюкозамін | Входить до складу клітинних стінок грибів та деяких бактерій; утворює кутикулу членистоногих |
У людини надлишки глюкози конденсуються в особливий вид крохмалю – глікоген. Він запасається в печінці, м'язах та шкірі. У добре вгодованого дорослої людини запаси глікогену в організмі можуть досягати 350-400 грамів.Слово «глікоген» походить від грецьких слів «що народжує насолоду».
Функції вуглеводів в організмі
| Запасна | Запасна поживна речовина - глікоген (у тварин та грибів), крохмаль (у рослин) |
| Енергетична | Основне джерело енергії для організму при розщепленні 1 г вуглеводів виділяється 17,6 кДж |
| Будівельна | Входять до складу нуклеїнових кислот, утворюють міжклітинну речовину сполучної тканини. У рослин входять до складу клітинної оболонки |
| захисна | Взаємодіють у печінці з багатьма отруйними сполуками, переводячи їх у нешкідливі та легко розчинні речовини. Гепарин запобігає згортанню крові в судинах |
| Рецепторна (сигнальна) | Забезпечення комунікації клітин |
Не всякий цукор харчовий продукт. Наприклад, "свинцевий цукор" або "цукор-сатурн" - це ацетат свинцю(Pb(CH 3 COO) 2 ·3H 2 O) . «Свинцевий цукор» має солодкий смак, але це сильна отрута. Ця солодка біла кристалічна речовина застосовується як протрава при фарбуванні, виробництві оліф, для виготовлення свинцевих білил, в медицині як примочка при забоях..
Перші досліди з одержання цукру з кукурудзи проводились у Болгарії. З цієї культури був отриманий сироп високої якості, що має всі переваги фруктози і не має недоліків сахарози. Він у 1,7 разу солодший від звичайного цукру і добре сприймається організмом. Його рекомендують використовувати при серцево-судинних та шлунково-кишкових захворюваннях.
Речовини клітини. Клітини нашого організму складаються з різноманітних хімічних сполук. Одні з цих сполук – неорганічні – зустрічаються й у неживій природі. До них відносяться вода та мінеральні солі. Але для живих клітин найбільш характерні органічні сполуки, молекули яких мають дуже складну будову. Серед них найбільше значення мають білки, жири, вуглеводи та нуклеїнові кислоти.
Неорганічні сполуки клітини. Найбільше у клітинах води. Вода – добрий розчинник; вона відіграє у всіх життєвих процесах, які у клітинах. У водному розчині відбувається хімічна взаємодія між різними речовинами, що містяться у клітині. Поживні речовини, що у розчиненому стані, проникають у клітину через зовнішню мембрану. Вода також сприяє видаленню з.клітини речовин, які утворюються в результаті життєвих процесів, що відбуваються в ній.
Мінеральні солі містяться в цитоплазмі та ядрі клітин у малих концентраціях. Проте їх роль життя клітини дуже велика. Про це ви дізнаєтеся з наступних тем.
Органічні сполуки клітини. З речовин, що утворюють клітину, Головна рольу виконанні її функцій належить органічним сполукам.
Білки – це основні речовини будь-якої живої клітини. Без них немає життя. Вони становлять основу цитоплазми та ядра.
Білки належать до найскладніших речовин, які у природі. Їхні молекули утворені тисячами атомів. Але кількість елементів, що входять до складу білків, відносно невелика. У білках обов'язково містяться вуглець, водень, кисень та азот. Крім цих чотирьох обов'язкових елементів, у білках майже завжди є сірка, часто фосфор і деякі інші.
За розмірами білкова молекула в сотні та тисячі разів перевершує молекули відомих вам неорганічних сполук. Встановлено, що молекула будь-якого білка рослин, тварин чи людини утворена сотнями послідовно пов'язаних один з одним залишків амінокислот (рис. 12).
До складу білків входить лише трохи більше 20 різних видів амінокислот. І незважаючи на це, білкові сполуки дуже різноманітні. В одній живій клітині налічується до 1000 різних білків! Крім того, білки різних організмів мають неоднаковий склад.
Як же може комбінація з такої малої кількості видів амінокислот дати таку величезну різноманітність білків? Це можна зрозуміти, згадавши, що кожен із нас, використовуючи всього 32 літери алфавіту, може написати нескінченну кількість різних слів та речень. Подібно до цього і різноманітність білків залежить від тієї послідовності, в якій пов'язані між собою молекули амінокислот, що їх утворюють.
Жири мають менш складну будову молекул. До їх складу входить лише три елементи - вуглець, водень, кисень.
Вуглеводи утворені тими самими елементами, як і жири, - вуглецем, воднем і киснем. Але будова молекул вуглеводів інша. До них належать різні цукри, крохмаль.
Нуклеїнові кислоти утворюються у клітинному ядрі. Звідси і походить їх назва (нуклеус - латинська назва ядра). Одні з нуклеїнових кислот – ДНК (скорочена назва дезоксирибо-нуклеїнових кислот) – знаходяться в основному в хромосомах клітин. Ці кислоти грають основну роль побудові притаманних цієї клітини білків й у передачі спадкових задатків від батьків потомству. Молекули ДНК значно більші за білкові. Функції інших нуклеїнових кислот – РНК (скорочена назва рибонуклеїнових кислот) – також пов'язані з побудовою білків у клітині.
Основні життєві властивості клітини. Кожна жива клітина нашого тіла отримує речовини, які їй приносить кров від органів травлення, - харчується.
У клітині відбуваються процеси утворення органічних сполук, молекули яких мають складну будову, з найпростіших речовин, що проникають до неї ззовні. Ці процеси називаються біосинтезом.
Органічні сполуки піддаються у клітині хімічному розпаду і утворюють речовини простішого будови. У більшості клітин поряд з розпадом органічних сполук відбувається їх окиснення киснем, що приносить кров. При розпаді та окисленні речовин звільняється енергія, що витрачається на життєві процеси, що протікають у клітині.
Клітини здатні реагувати на подразнення - фізичні і хімічні зміни в навколишньому середовищі, тобто мають дратівливість. Так, клітини м'язів під дією подразнення стають коротшими і товстішими - скорочуються, а клітини слинних залоз при подразненні виділяють слину.
Клітинам властиві ріст і розмноження. Особливо швидко розмножуються клітини в дитячому та юнацькому організмах. Але й у дорослих людей цей процес не припиняється. Деякі клітини протягом життя людини відмирають і постійно замінюються новими. Так, загоєння ран, зрощення кісток у місцях перелому відбуваються завдяки розмноженню клітин.
Харчування, біосинтез органічних сполук, розпад та окиснення клітинних речовин, дратівливість, зростання та розмноження – це основні властивості живих клітин.
Ферменти. Всі життєві процеси, що протікають у клітині, пов'язані з безперервною зміною фізичного стану та хімічного складу речовин, що її утворюють.
Перебіг багатьох хімічних реакцій пришвидшується у присутності деяких речовин. У живій клітці знаходиться безліч білків, що каталітично прискорюють хімічні перетворення, що відбуваються в ній. Ці білки – каталізатори – отримали назву ферментів. Так, процеси біосинтезу, окиснення в живій клітині можуть відбуватися лише у присутності певних ферментів. Більшість білків, що знаходяться в клітині, має властивості ферментів.
■ Білки. Жири. Вуглеводи. Нуклеїнові кислоти. Ферменти.
? 1. Які речовини містяться у клітці? 2. Якої речовини у клітині найбільше? 3. Які речовини найхарактерніші для живої клітини? 4. Які речовини становлять основу цитоплазми та ядра? 5. Які елементи входять до складу білків? 6. Що знаєте про будову білкової молекули? 7. Чи пояснюється різноманітність білків? 8. Які елементи входять до складу жирів та вуглеводів? 9. Які основні життєві властивості клітки?
Вуглеводи
У більшості вуглеводів співвідношення водню та кисню в молекулі таке саме, як у воді. Їх елементарний склад (СН2О)n- Зустрічаються вуглеводи та з іншим співвідношенням: наприклад, цукор рамнозу має склад С6Н12О5.
Усі вуглеводи поділяються на монози, або моносахариди, і поліози, або полісахариди. З шести вуглецевих моноз (гексоз) найбільш широко поширена і має найбільше значення глюкоза, а з пентоз-рибозу та дезоксирибозу, що входять до складу нуклеїнових кислот.
Монози, з'єднуючись один з одним із виділенням однієї молекули води, утворюють полісахариди. Ді-, три-і тетрасахариди відносяться до полісахарид першого порядку. Усі вони кристалічні речовини і добре розчиняються у воді. Більш складні полісахариди становлять групу другого порядку. Багато з них мають велику молекулярну масу, у воді не розчиняються або утворюють колоїдні розчини.
Залежно від хімічного складу полісахариди можуть бути поділені на пентозани (утворені з пентозних молекул), гексозани (утворені з гексозних молекул) та змішані полісахариди, що мають у своєму складі гексози, пентози та інші речовини, наприклад, уронові кислоти.
Пентозани зустрічаються у бактеріальних клітинах щодо рідко. Встановлено, що у клітинах бактерії азотобактера містяться арабани, т. е. пентозани, що утворилися з молекул арабінози. У рослинних тканинах часто присутні геміцелюлози, що складаються з молекул ксилози та арабінози.
Гексозани представлені у клітинах мікроорганізмів дуже широко. З дисахаридів найбільш поширені сахароза, що складається з глюкози та фруктози, мальтоза, що містить дві молекули глюкози, та лактоза, до складу якої входять глюкоза та галактоза.
З полісахаридів другого порядку в клітинах мікроорганізмів виявлено декстрани, що складаються з молекул глюкози, левани, утворені молекулами фруктози, і галактани, що містять молекули галактози. Декстрани є водорозчинними полісахаридами з молекулярною масою, близькою до мільйона. Вони виробляються багатьма видами бактерій у тому числі різними видами Leuconostoc, що викликають слизове бродіння і здатні завдати значної шкоди виробництву цукру. Продукти гідролізу декстранів застосовують як замінники плазми крові.
До гексозанів відносяться також целюлоза, крохмаль та глікоген (тваринний крохмаль). У целюлозі молекули глюкози з'єднані послідовно, у крохмалі та глікогені вони утворюють розгалужене коло.
Змішані полісахариди містяться в капсулах бактерій та входять до складу клітинних стінок. Багато мікроорганізмів утворюють слизу, що складаються з полімерів - пентоз, гексоз і уронових кислот. Багато хвороботворних бактерій утворюють специфічні полісахариди, більшість яких також відноситься до змішаних полісахаридів.
У клітинах живих організмів вуглеводи грають дуже важливу роль. У процесі фотосинтезу молекула вуглекислого газу приєднується до вуглеводу рибулозодифосфату, і таким чином вуглеводи є первинними продуктами органічного синтезу, з яких згодом будується все різноманіття органічних речовин. Вуглеводи відкладаються у вигляді запасних поживних речовин у тканинах рослин та тварин. Вони є одним з основних джерел енергії для всіх живих організмів. При повному окисненні 1 г вуглеводів загалом звільняється 16,8-17,6 кДж.
Рибоза та дезоксирибоза входять до складу нуклеїнових кислот і, отже, беруть участь у передачі спадкової інформації, синтезі білка та енергетичному обміні. Вуглеводи виконують і опорну функцію: у рослинних клітинах вуглеводи у формі целюлози утворюють клітинну оболонку, а організмі тварин у складі білків мукоидов забезпечують міцний зв'язок між клітинами в тканинах. Багато специфічних змішаних полісахаридів бактерій відіграють важливу роль у процесах імунітету людини і тварин.
Жири та жироподібні речовини (ліпоїди) разом становлять групу ліпідів. Для цієї групи характерні загальні властивості: гідрофобність та нерозчинність у воді.
До складу жирів входять вуглець, кисень і водень, але на відміну вуглеводів жири містять мало атомів кисню. Молекули жирів утворені молекулою гліцерину та трьома залишками жирних кислот. З цієї причини до складу молекули жиру здебільшого входить лише 6 атомів кисню незалежно від кількості атомів вуглецю. Кількість кисню може кілька, хоч і незначно, збільшитися, якщо до складу жиру входять оксикислоти.
Ліпоїди, або жироподібні речовини, відрізняються від жирів тим, що до їх складу можуть входити додатково фосфор та азот.
Залишки аліфатичних кислот надають жирам та ліпоїдам гідрофобні властивості. Гліцерин має гідрофільні властивості, тому на поверхні води жири утворюють плівку товщиною в одну молекулу: до води звернені залишки гліцерину, а з води виступають гідрофобні вуглеводневі ланцюги залишків високомолекулярних жирних кислот.
Жири служать джерелом енергії у клітці. При повному окисненні 1 г жиру виділяється 38,9 кДж енергії. Жири та ліпоїди беруть участь у регулюванні проникності клітинної стінки та в адсорбційних процесах у цитоплазмі.
Білки - основна визначальна частина хімічного складу будь-якої клітини. Саме білки визначають видову специфічність організму. Білки інакше називають протеїнами (від грец. протос-головний, перший). Цією назвою підкреслюється значення білків.
Білки складаються з амінокислот. До складу амінокислот обов'язково входять аміногрупа (NH2) та карбоксил (СООН). Разом вони утворюють угруповання
Аміногрупа амінокислот, що входять до складу білків, завжди стоїть у другого атома вуглецю, тобто знаходиться в положенні.
Аміногрупа надає амінокислотам лужні властивості, а карбоксильна-кислотні. Завдяки цьому білки мають амфотерність.
Крім аміногрупи, до другого атома вуглецю приєднується один атом водню, а валентність, що залишилася, заповнюється радикалом. Радикали амінокислот різні. У найпростішому випадку радикалом може бути атом водню (амінокислота гліцин), в інших амінокислотах радикалами є різні вуглеводневі ланцюги або бензольні кільця.
Як вуглеводи, білки є полімерними сполуками.
Амінокислоти здатні з'єднуватися один з одним, утворюючи довгі ланцюжки. При цьому аміногрупа однієї кислоти з'єднується з карбоксилом іншою з виділенням однієї молекули води. Зв'язок NH-З називається пептидним. Звідси ще одна назва білків-поліпептиди.
В даний час достовірно встановлено присутність у білках 25 різних амінокислот. Поєднуючись у різній послідовності, вони утворюють дуже довгі ланцюжки. Молекулярна маса білків вимірюється десятками і сотнями тисяч, інколи ж навіть перевищує мільйон.
Всі білки поділяються на дві великі групи: білки, що складаються тільки з амінокислот, називаються протеїнами, а білки, що містять крім амінокислот якесь з'єднання небілкової природи, - протеїдами. Небілкова частина молекули протеїдів називається простетичною групою.
Класифікація протеїнів носить умовний характер і заснована переважно на їх здатність до розчинення. Так, альбуміни розчиняються у воді і випадають в осад у насичених сольових розчинах. Глобуліни, навпаки, у воді нерозчинні, але розчиняються у водних розчинах різних солей.
Проламіни розчиняються в 60-80% -ном етиловому спирті, а глютеліни-в лугах.
Класифікація інших протеїнів заснована на будь-яких характерних рис: фосфопротеїни містять фосфорну кислоту, протаміни відрізняються порівняно низькою молекулярною масою (до 10000) та переважанням (до 80%) амінокислот з вираженими лужними властивостями. Гістони займають проміжне положення між протамінами та іншими білками: вони також відносяться до низькомолекулярних білків, а лужні амінокислоти становлять у них 20-30%. Протеїноїди-нерозчинні білки-характеризуються високим змістомсірки. Вони входять до складу вовни, волосся, рогів, копит, сухожилля та шовку.
Класифікація протеїдів ґрунтується на хімічній природі простетичної групи. Залежно від хімічної природи небілкового компонента розрізняють: глікопротеїди (білок з вуглеводом), ліпопротеїди (білок з ліпідами), нуклеопротеїди (білок з нуклеїновими кислотами) та хромопротеїди (білок з пігментом).
Функції білків у клітині дуже важливі та різноманітні. Відомо, що у тілі живих організмів хімічні реакції протікають із винятковою швидкістю. Це пояснюється присутністю у клітині біологічних каталізаторів білкової природи-ферментів (див. гл. III). Білки входять до складу клітинних мембран і, отже, несуть структурну функцію.
Каталітична та структурна функції білків виявляються у всіх без винятку клітинах. Крім того, білки здійснюють рухові функції. Рух джгутиків бактерій відбувається за допомогою білків. Білок крові-гемоглобін-переносить кисень до всіх ділянок тіла. Імунологічні реакції пов'язані з діяльністю білків?-глобулінів. Нуклеопротеїди беруть участь у передачі спадкової інформації. Крім того, білки можуть бути джерелом енергії для організму. У тому випадку, коли вичерпані запаси вуглеводів та жирів, амінокислоти білків піддаються дезамінуванню та окислюються поряд із жирними кислотами. При повному розщепленні 1 г білків у середньому виділяється 23,7 кДж енергії. Білки часто окислюються неповністю. Значна частина енергії не використовується, а залишається у продуктах азотного обміну, що виводяться з організму. Використовується близько 17,6 кДж/г, тобто в енергетичному відношенні білки аналогічні до вуглеводів.
Нуклеїнові кислоти
Нуклеїнові кислоти названі так тому, що вперше були виявлені в ядрі клітини (ядро латиною-нуклеус). Вони складаються з вуглецю, кисню, азоту, водню та фосфору. Так само як вуглеводи та білки, нуклеїнові кислоти відносяться до полімерів, їх структурна одиниця-нуклеотид. До складу одного нуклеотиду входять: азотна основа, пентозний моносахарид рибозу або дезоксирибозу та залишок фосфорної кислоти. Комплекс із азотистої основи та пентози називається нуклеозидом. Нуклеозид із фосфорною кислотою утворює нуклеотид. Нуклеїнові кислоти (НК), що містять дезоксирибозу, називають дезоксирибонуклеїновими (ДНК), а містять рибозу - рибонуклеїновими (РНК). ДНК міститься переважно в ядрі, але зустрічається і в цитоплазмі, наприклад, хлоропластах. РНК, навпаки, переважно присутні у цитоплазмі. Зміст ДНК у всіх клітинах організму, крім статевих, постійно. У клітинах бактерій ДНК становить 3-4%. Вміст рибонуклеїнових кислот схильний до великих коливань і збільшується в період синтезу білка.
Рибонуклеїнові кислоти у вигляді моно- та динуклеотидів входять до складу деяких вітамінів та ферментів. Вони здатні приєднувати до свого фосфатного залишку ще один або два залишки фосфорної кислоти, утворюючи відповідно ді-і три-фосфати. На приєднання фосфатних залишків витрачається велика кількістьенергії, що вивільняється при розриві зв'язку. Цей механізм дає можливість клітині запасати про запас енергію і витрачати її при необхідності. При відщепленні однієї грам-молекули фосфорної кислоти від аденозинтрифосфату виділяється від 30 до 42 кДж. Аденозинтрифосфат (АТФ) при цьому перетворюється на аденозиндифосфат (АДФ). Перехід АТФ до
АДФ і назад здійснюється у клітині постійно. Він супроводжує реакції, що протікають із виділенням або поглинанням енергії. Якщо позначити аденіловий нуклеозид через «А», то перетворення АТФ на АДФ можна подати у вигляді реакції:
Багаті енергією зв'язку називаються макроергічними та позначаються значком
Макроергічні зв'язки утворюють всі нуклеотидні основи, але особливо широке поширення має система.
Довгий час нуклеїновим кислотам не надавали особливого значенняхоч і було відомо, що вони відіграють важливу роль в енергетичному балансі клітини. Поступово стали накопичуватися відомості про те, що нуклеїнові кислоти відіграють основну роль передачі спадкової інформації. На той час носієм спадкових властивостей організму вважався білок. Основні докази ролі ДНК передачі спадкових ознак були отримані на бактеріях і вірусах.
Нині роль ДНК передачі спадкової інформації твердо встановлена. У 1953 р. біолог Вотсон і фізик Крік спільно створили структурну модель ДНК. Після цього протягом десяти років було розшифровано і код спадкової інформації, тобто було встановлено, яким чином ДНК може зберігати спадкові властивості та передавати їх потомству.
Специфічність ДНК визначається послідовністю нуклеотидів у ланцюжку ДНК аналогічно тому, як специфічність білка визначається послідовністю амінокислот. Нуклеотиди відрізняються один від одного азотистими основами, що входять до їх складу. До складу ДНК входять чотири азотисті основи: аденін (А), гуанін (Г), тимін (Т) та цитозин (Ц). А і Г відносяться до пуринів і складаються з двох кілець, Т і Ц-до піримідинів, що мають у своєму складі одне кільце.
