В состав клетки входит ряд органических соединений: белки, липиды, углеводы, нуклеиновые кислоты, витамины, АТФ
• Многие органические вещества клетки относятся к биополимерам
* Полимеры - вещества, состоящие из «мономерных звеньев», соединённых в длинные макромолекулы химическими связями
- Выделяют регулярные (периодические) и нерегулярные (непериодические) биополимеры
Регулярный полимер - это полимер, состоящий из закономерно повторяющихся мономеров (или повторяющейся группы мономеров)
Нерегулярный полимер - полимер, в молекуле которого мономеры расположены хаотично, без закономерного повторения
1-ая группа органических веществ – Углеводы
Общая формула: Cn(H2O)m, где n и m > 3.
• Среднее содержание в клетке: 1-5% (животные), до 90% (растения)
3. Полисахариды (гликаны)
• Высокомолекулярные вещества - полимеры, состоящие из большого числа моносахаридов
• Мономером является в основном глюкоза (у крахмала, гликогена, клетчатки)
• Свойства зависят не только от состава, но и от строения (способа соединения мономеров друг с другом)
• Плохо растворимы в воде, обычно не имеют сладкого вкуса
Крахмал (картофельная мука) – запасное вещество в клетках растений, состоит из 2-х компонентов: амилоза, имеющая линейное строение, и амилопектин, имеющий разветвлённое строение
Гликоген – запасное вещество животных и грибов
Клетчатка (целлюлоза) – структурный полисахарид растений, входит в
состав клеточных стенок
Хитин – структурный компонент клеточных стенок грибов и кутикулы членистоногих
Инулин – полимер фруктозы, имеющий сладкий вкус; является пищевым волокном, пребиотиком, диетическим подсластителем; служит запасным веществом у многих растений
* Муреин (пептидогликан) – гликопротеид, входящий в состав клеточной стенки бактерий (не полисахарид, а гетерополимер, так как содержит помимо углеводных мономеров - белковые)
Функции углеводов
1) Энергетическая - 1 г. углеводов при полном распаде дает 17,6 кДж
Преимущество углеводов (в первую очередь глюкозы) в качестве основного источника энергии в том, что они легко растворимы в воде способны быстро окисляться (давая энергию) как в аэробных, так и в анаэробных условиях; при этом клетки некоторых органов (мозг) способны усваивать и окислять только глюкозу
2) Структурная (клеточная стенка)
3) Запасающая (крахмал, гликоген)
4) Входят в состав РНК и ДНК
5) Сигнальная
Гликокаликс - это гликопротеины (комплексные соединения углеводов и белков), расположенные на поверхности клетки, обеспечивающие узнавание клетками друг друга, взаимодействие клеток
6) Защитная - вязкие секреты (слизи) богаты углеводами и предохраняют,
например, стенки полых органов.
* Глюконеогенез - ферментативный процесс синтеза глюкозы из неуглеводных веществ (аминокислоты, пируват, молочная кислота, глицерин, липиды), обнаруженный у всех организмов
2-ая группа органических веществ – Липиды
- Это химически разнородная группа соединений, общим и определяющим свойством которых является нерастворимость в воде и растворимость в неполярных растворителях (бензол, эфир, хлороформ)
- Плохо проводят тепло
- НЕ полимеры
• В некоторых клетках липидов всего несколько процентов, а в некоторых их содержание достигает 90 % (семена подсолнечника, подкожная жировая клетчатка)
• Липиды при комнатной температуре (+20°C) могут находиться в твёрдом или жидком (масла) состоянии
- В основном, твердыми жирами являются липиды животного происхождения (исключения - триглицериды какао, ореха кокоса)
- Маслами являются растительные жиры, жиры холоднокровных животных
► Липиды по способности к гидролизу делятся на две большие группы:
• Омыляемые липиды – сложные эфиры, образуемые жирными кислотами и спиртами (т.е. при гидролизе они расщепляются на ЖК и спирт)
- К таким липидам относятся триглицериды, воска (н-р, пчелиный), и сложные липиды (н-р, фосфолипиды)
• Неомыляемые липиды – могут иметь разное строение, не расщепляются при гидролизе на отдельные компоненты
- К ним относятся холестерин и его производные (стероидные гормоны), все жирные кислоты, жирорастворимые витамины (А, Е, Д, К)
Жирные кислоты (ЖК) – это одноосновные (имеющие одну карбоксильную группу) карбоновые кислоты с линейной углеродной цепочкой из 4-24 атомов С. Они содержатся в этерифицированной форме (в составе сложных эфиров) в жирах, маслах и восках растительного и животного происхождения.
ЖК бывают насыщенными и ненасыщенными:
• У насыщенных жирных кислот углеродная цепь предельная, не содержит двойных связей – н-р, пальмитиновая и стеариновая кислоты
• Ненасыщенные ЖК (в первую очередь те, которые имеют более 2-х двойных связей, называемые полиненасыщенными) играют особую роль для человека – это омега-6 жирные кислоты, в основном встречающиеся в растительных маслах (немного в свином жире и морепродуктах) и омега-3, встречающиеся в жире морских рыб
! Температура плавления (и температура застывания) ненасыщенных жирных кислот ниже, чем у насыщенных – поэтому при обычных условиях они представляют собой жидкие масла, а не твёрдые вещества
! ЖК являются важнейшей частью клеточных мембран (в составе фосфолипидов) и триглицеридов*. Большая роль ненасыщенных кислот в том, что обеспечивают текучесть клеточной мембраны у холоднокровных организмов, особенно при низких температурах. То есть при низких температурах ненасыщенные кислоты в клеточной мембране не будут затвердевать и функции мембраны сохранятся. У теплокровных животных температура тела постоянная, поэтому содержание ненасыщенных ЖК в мембране у них ниже.
Триглицериды (собственно жиры) – сложные эфиры жирных кислот и 3-атомного спирта-глицерина
• В состав триацилглицеридов входят три жирные кислоты, каждая из которых образует эфирную связь с глицерином – т.е. это продукты этерификации карбоновых кислот и глицерина
Триглицериды обеспечивают аккумулирование энергии и теплоизоляцию
• В большинстве клеток эукариот триглицериды откладываются в цитоплазме в виде капель – это хранилище метаболического «топлива»; особенно много таких капель в клетках жировой ткани (адипоцитах)
- Триглицериды в виде масел (т.е. с большим кол-вом ненасыщенных ЖК в составе) запасаются в семенах растений многих видов, поставляя энергию для биосинтеза при прорастании семян
- Адипоциты и прорастающие семена содержат липазы – ферменты, катализирующие гидролиз запасенных ТГ, при котором высвобождаются жирные кислоты для экспорта в те места, где требуется энергия (затем жирные кислоты окисляются в клетке с образованием СО2 и Н2О, при этом выделяется очень много энергии)
• При использовании в качестве запаса энергии триглицериды преимущества по сравнению с полисахаридами:
- окисление жиров по сравнению с окислением углеводов дает более чем в два раза больше энергии (1г жиров-38,9 кДж энергии)
- из-за того, что ТГ гидрофобны и, следовательно, не гидратированы, организм, который в качестве топлива содержит жир, избавлен от лишнего веса гидратной воды, которая связана с депонированными полисахаридами (2 г/г полисахарида)
- У человека жировая ткань находится под кожей, в брюшной полости и в молочных железах. Опустошая свои жировые депо, человек может удовлетворять энергетические нужды в течение месяцев. А в форме гликогена человеческое тело может сохранять менее чем однодневный запас энергии.
* У некоторых животных триацилглицериды, находящиеся под кожей, служат не только как энергетические запасы, но и для теплоизоляции при низких температурах (жиры плохо проводят тепло → тепло сохраняется организмом, не рассеивается). Тюлени, моржи, пингвины и другие теплокровные полярные животные щедро «набиты» триглицеридами.
* Триглицериды низкой плотности могут выполнять в организме еще одну замечательную функцию. Кашалоты благодаря запасу ТГ и восков могут менять свою плавучесть в водах с различной плотностью, что особенно важно во время глубоких погружений в холодную воду ☺
Воски представляют собой сложные эфиры длинноцепочечных ЖК и длинноцепочечных спиртов
• Воски выполняют множество функций, обусловленных их твердой консистенцией и водоотталкивающими свойствами:
- У позвоночных воски выделяются кожными железами, чтобы защитить кожу и волосы и сохранять их мягкими, гладкими и водоустойчивыми
- Птицы, особенно водоплавающие, выделяют воски из копчиковой (сальной) железы для поддержания водоотталкивающих свойств перьев
- Листья многих, особенно тропических растений покрыты толстым слоем воска, который предотвращает избыточное испарение воды
- В планктоне (пассивноплавающих микроорганизмах), воски являются главной формой хранения метаболического топлива
- Воски используются в промышленности: ланолин (из овечьей шерсти), пчелиный воск и др. используют в производстве лосьонов, мазей, лаков
Фосфолипиды – амфифильные молекулы (т.е. имеющие и гидрофобную, и гидрофильную части), составляющие основу клеточной мембраны
• Основу фосфолипидов составляет глицерин, к 1-му и 2-му атомам которого присоединены жирные кислоты (как в триглицеридах) а к 3-ему атому – фосфатная группа, связанная с гидрофильной молекулой спирта
- Таким образом, фосфолипид представляет собой два гидрофобных "хвоста" (жирные кислоты) и гидрофильную "головку" (включающую спирт, фосфат и глицерин)
Гидрофильная часть фосфолипида взаимодействует с водой ("поворачивается" к ней), а гидрофобные части «прячутся» от воды. В результате фосфолипиды самоорганизуются в бислои и образуют липосомы. Таким бислоем является клеточная мембрана.
Стероидные вещества – вещества, содержащие в своем составе гидрофобное стероидное ядро (оно состоит из четырех конденсированных углеродных колец); к ним относятся холестерин и некоторые его производные – стероидные гормоны, желчные кислоты
Холестерин – жироподобное вещество, является структурным компонентом клеточной мембраны животных ("встроен" в липидный бислой и придает ему жесткость), а также служит предшественником разнообразных продуктов, обладающих специфической биологической активностью
Стероидные гормоны – мощные биологически активные молекулы, регулирующие процессы жизнедеятельности. Главную группу стероидных гормонов составляют мужские и женские половые гормоны (андрогены, эстрогены) и гормоны кортизол и альдостерон, производимые корой надпочечников
Таким образом, функции липидов:
1) Энергетическая
2) Запасающая
3) Структурная
4) Регуляторная
7) Защитная
7) К липидам относятся витамины А, D, Е и К, выполняющие специфические функции
Следующие классы органических веществ в клетке – белки и нуклеиновые кислоты будут описаны в следующей статье
