Органические вещества. Углеводы и жиры.

 

При всей важности неорганических веществ, в клетках главные функции выполняют органические вещества. Важнейшими в функциональном отношении являются углеводы, жиры, белки и нуклеиновые кислоты.

Начнем наш рассказ с углеводов. Эти вещества в химическом отношении разделяются на два класса – монозы или моносахариды и полиозы или полисахариды.

Среди моноз наибольшее значение имеют пятиатомные сахара пентозы и шестиатомные сахара гексозы. К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза – сахара, входящие в состав соответственно РНК и ДНК. Гексозы играют важнейшую роль в энергетическом обмене веществ и, прежде всего, глюкоза.

Полисахариды бывают первого и второго порядка. К полисахаридам первого порядка относят дисахариды и трисахариды. Важнейшими из них сахароза, лактоза, мальтоза.

К полисахаридам второго порядка относятся молекулы, имеющие молекулярную массу несколько миллионов дальтон. Наиболее важными из них являются крахмал и его аналог животного происхождения – гликоген.

Основными биологическими функциями углеводов являются.

1. Энергетическая функция – углеводы важнейший источник энергии для организма.

2. Структурная функция. Углеводы входят в состав клеток и клеточных образований.

3. Запасающая функция. Многие живые существа запасают питательные вещества в виде крахмала и гликогена.

4. Защитная функция. Слизи, которые выделяют железы, богаты углеводами и их химическими производными.

Жиры и жироподобные вещества играют также важную роль в клетках. Жиры – это соединения жирных кислот и глицерина. Среди жироподобных веществ или липоидов наибольшее значение имеют гликолипиды, липопротеины, фосфолипиды.

Функции жиров в живых системах следующие.

1. Структурная функция. Жиры принимают участие в построении мембран клеток всех тканей и органов. Участвуют в образовании биосоединений.

2. Энергетическая функция. Жиры обеспечивают 25 – 30% всей энергии необходимой клетке.

3. Запасающая функция. В виде жира запасают энергию многие живые существа. Иногда жиры называют «энергетическими консервами».

4. Функция терморегуляции, Жиры плохо проводят тепло и этим способствуют сохранению температуры тела.

5. Регуляторная функция. Многие жиры являются предшественниками и входят в состав гормонов.

 

Строение белков.

 

Среди органических соединений белки играют особую роль, так как очень многие жизненные свойства организмов определяют именно эти химические вещества.

С химической точки зрения, белки – это нерегулярные полимеры. Они состоят из 20 разновидностей аминокислот, причем, эти мономеры могут соединяться в любом порядке. Расчеты показывают, что для белка, построенного из 20 аминокислот и содержащего всего 100 аминокислотных остатков, число вариантов будет десять в сто тридцатой степени. А ведь есть молекулы белков значительно длиннее.

Аминокислоты в белках соединяются с помощью так называемых пептидных связей. Поэтому белки часто называют полипептидами.

В результате исследований было показано, что структура белковых молекул очень строго организована.

Последовательность аминокислот, соединенных пептидными связями называется первичной структурой белка. Первичная структура лежит в основе всей организации белковой молекулы.

Вторичная структура белка – это спираль, образуемая водородными связями. Белки, имеющие преимущественно вторичную структуру называются фибриллярными.

Третичная структура белка – это клубочек или глобула. Он образуется под воздействием межмолекулярных гидрофобных связей. Белки, имеющие третичную структуру, называются глобулярными.

Для большинства белков глобулярная структура – это высшая степень организации. Однако есть еще и четвертичная структура. Белки, имеющие такие структуры, состоят из нескольких субъединиц, объединенных общей функцией. Пример такой структуры – гемоглобин, состоящий из четырех субъединиц.

Белки в организме выполняют различные функции.

1. Важнейшей функцией белков является каталитическая функция. Значительная часть известных науке белков являются ферментами.

2. Белки-гормоны являются регуляторами физиологических процессов.

3. Белки выполняют транспортную функцию, переносят различные вещества из одной части организма в другую.

4. Защитная функция белков выражается, прежде всего, в том, что антитела представляют собой белки.

5. Строительная функция белков выражается в участии их в создании многих клеточных структур.

6. Часть белков выполняют сократительные функции.

7. В редких случаях белки могут быть использованы клеткой в качестве источников энергии.

 

Нуклеиновые кислоты.

 

Четвертый класс органических веществ – это нуклеиновые кислоты.

С точки зрения химии нуклеиновые кислоты – нерегулярные полимеры, состоящие из довольно сложно устроенных мономеров, называемых нуклеотидами.

Нуклеиновых кислот в клетках встречается два класса – ДНК и РНК. ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота, а РНК – рибонуклеиновая кислота.

Структура ДНК очень сложна и своеобразна. Каждый нуклеотид, из которого состоит ДНК, состоит из остатков сахара дезоксирибозы, остатка фосфорной кислоты и азотистого основания. Азотистых оснований четыре разновидности: аденин, гуанин, цитозин, и тимин. Нуклеотиды соединены в длинные цепи с помощью фосфорно-диэфирных связей.

В 1953 году исследователи Джеймс Уотсон и Френсис Крик предложили модель, которая объясняла строение молекулы ДНК. Согласно их теории ДНК состоит из двух спиральных цепей, соединенных водородными связями. Эти связи соединяют цепи ДНК не случайным образом, а по принципу комплементарности или соответствия. Суть этого принципа в следующем, если в одной цепи стоит тимин, то в противоположной цепи, ему соответствует аденин, а против гуанина всегда стоит цитозин. Это значит, что при удвоении ДНК на каждой из её цепей может быть достроена другая, и вместо одной молекулы получатся сразу две.

Принцип комплементарности лежит в основе всех процессов связанных с реализацией генетической информации: репликации ДНК, транскрипции, и трансляции.

Процесс репликации или редупликации ДНК иначе можно назвать удвоением. Он происходит перед делением клетки. Осуществляет его специальный фермент ДНК полимераза. Этот фермент разделяет две цепи двойной спирали и достраивает к каждой из них комплементарную ей цепь. Таким образом, из одной молекулы образуется две одинаковые дочерние молекулы. Процесс этот идет с очень высокой точностью – ошибки крайне редки.

Помимо ДНК в клетках встречаются три разновидности РНК: информационные (и-РНК), транспортные (т-РНК) и рибосомные (р-РНК). Все они отличаются от ДНК рядом особенностей. Во-первых, вместо азотистого основания тимина они содержат урацил. Во-вторых, вместо сахара дезоксирибозы они содержат рибозу. В-третьих, они, как правило, односпиральные.