Біополімери. Вуглеводи, ліпіди

1

Автор: admin | Розділ: Хімічний склад клітини | 06-12-2012

вуглеводДо складу клітин входить безліч органічних з’єднань: вуглеводи, білки, ліпіди, нуклеїнові кислоти і інші з’єднання, яких немає в неживій природі. Органічними речовинами називають хімічні з’єднання, до складу яких входить атоми вуглецю.

Атоми вуглецю здатні вступати один з одним в міцний ковалентний зв’язок, утворюючи безліч різноманітних ланцюгових або кільцевих молекул.

Найпростішими вуглецьомістячи з’єднаннями є вуглеводні, з’єднання, які містять тільки вуглець і водень. Проте в більшості органічних, тобто вуглецевих, з’єднань містять і інші елементи (кисень, азот, фосфор, сірку).

Біологічні полімери (біополі мери). Біологічні полімери – це органічні з’єднання, входять до складу клітин живих організмів.

Полімер (від грецького „полі” – багато) багатоланковий ланцюг, в якому ланкою є якась проста речовина – мономер. Мономери, з’єднуються між собою, утворюючи ланцюги, складені із тисячі мономерів. Якщо визначити тип мономера певною буквою, наприклад А, то полімер можна показати у вигляди дуже довгого з’єднання мономерних ланок: А – А – А – А – …А. Це, наприклад, відомий вам органічні речовини: крохмаль, глікоген, целюлоза і ін. Біополі мерами є білки, нуклеїнові кислоти, полісахариди.

Властивості біополімерів залежать від будови їх молекул: від числа і різноманітності моно мірних ланцюгів, утворюють полімер.

Якщо з’єднати разом два типи мономерів А і Б, то можна отримати дуже великий набір різноманітних полімерів. Будова і властивості таких полімерів буде залежати від числа, співвідношення і порядку чергування, тобто положення мономерів в ланцюгах. Полімер, в молекулі якого група мономерів періодично повторюються, називається регулярним.

Проте значно більше можна отримати варіантів полімерів, в яких немає видимої закономірності до повторюваності мономерів. Такі полімери називаються нерегулярними.

Припустимо, що кожний із мономерів визначає яку-небудь властивість полімеру. Наприклад, мономер А визначає високу міцність, а мономер Б – електропровідність. Поєднуючи ці дво мономери в різних співвідношеннях і по різному чергуючи їх, можливо отримати велике число полімерних матеріалів з різними властивостями. Якщо взяти не два типи мономерів (А і Б), а більше, то і число варіантів полімерних ланцюгів значно зросте.

Виявилось, що поєднання і перестановка декількох типів мономерів в довгих полімерних ланцюгах забезпечує побудову безліч варіантів і визначає різні властивості біополі мерів, входять до складу всіх організмів. Цей принцип лежить в основі різноманіття життя на нашій планеті.

Вуглеводи і їх будова. В складу клітин всіх живих організмів широке розповсюдження мають вуглеводи. Вуглеводами називаються органічні з’єднання, складаються з вуглецю, водню і кисню. У вуглеводах водню і кисню знаходяться, як правило, в однакових співвідношеннях, що і у воді (звідси їх назва – вуглевод). Загальна формула вуглеводів Сn(H2O)m. Прикладом може буди один із самих поширених вуглеводів – глюкоза, елементний склад якої С6Н12О6. Глюкоза є простим цукром. Декілька залишків простих цукрів з’єднуються між собою і утворюють складні цукри. До складу молока входить молочний цукор (дисахарид), який складається із залишків молекул двох простих цукрів. Молочний цукор – основне джерело енергії для дітей всіх ссавців.

Тисячі залишків молекул однакових цукрів, з’єднуються між собою, утворюють біополімери – полісахариди. У складі живих організмів є багато різнообразних полісахаридів; у рослин це крохмаль, у тварин – глікоген. Всі вони складаються із тисячі молекул глюкози. Крохмаль і глікоген відіграють роль як би акумуляторів енергії, необхідної для життєдіяльності клітин і організмів. Дуже багаті крохмалем пшениця, жито, кукурудза і ін.

Функції вуглеводів. В травному тракті людини і тварини крохмаль розщеплюється особливими білками до глюкози. Глюкоза, всмоктується з кишечника в кров, окислюється в клітинах з звільненням енергії хімічних зв’язків, а надлишок її запасається в клітинах печінки і м’язів у вигляді глікогену. Під час інтенсивної м’язової роботи або нервового напруження (або при голодуванні) у м’язах і печінці тварин розщеплювання глікогену посилюється. При цьому утворюється глюкоза, яка використовується інтенсивно працюючими м’язами, і нервовими клітинами.

Таким чином, біополі мери полісахариди – це речовини, в яких запасається використовувана клітинами енергія рослинних і тваринних організмів. Проте це не єдина функція полісахаридів.

В рослинах в результаті полімеризації глюкози утворюється також целюлоза. З целюлозних волокон будується міцна основа клітинних стінок рослин. Завдяки особливій будові целюлоза не розчинна у воді і має високу міцність. По цій причині целюлоза використовують і для виготовлення тканин. Адже бавовна – майже чиста целюлоза. В кишечнику людини і більшості тварин немає ферментів, здатних розціпляти зв’язки між молекулами глюкози, входять до складу целюлози. У жуйних тварин целюлоза розщеплюється ферменти бактерії, постійно живущі в спеціальному відділу шлунку.

Відомі також складні полісахариди, складаються із двох типів простих цукрів, які регулярно чередуються в довгих ланцюгах. Такі полісахариди виконують структурні функції в опорних тканинах тварин. Вони входять до складу міжклітинних речовин шкіри, сухожиль, хрящів, надаючи їм міцності і еластичності. Таким чином, другою важливою функцією вуглеводних біополі мерів є їх структурна функція.

Маються полімери цукру, які входять до складу кліткових мембран; вони забезпечують взаємодію клітин одного типу, впізнавання клітинами один одного. Якщо розділені клітини печінки змішати с клітинами нирок, то вони самостійно розійдуться в дві групи завдяки взаємодії однотипних клітин: клітини нирок з’єднуються в одну групу, а клітини печінки – в іншу. Втрата здатності впізнавати один одного характерна для злоякісних клітин. Вияснення механізмів впізнавання і взаємодії клітин може мати дуже важливе значення, в зокрема, для розробки засобів лікування рака.

Ліпіди. Ліпіди різноманітні по структурі. Всім їм притаманне, одна загальна властивість: всі вони неполярні. Тому вони розчиняють в таких неполярних рідинах, як хлороформ, ефір, але практичноліпіди нерозчинні у воді. До ліпід відносять і жири. В клітині при окисленні жирів утворюється велика кількість енергії, яка тратиться на різні процеси. В цьому заклечається енергетична функція жиру.

Жири можуть накопичуватися в клітинах і служити запасними поживними речовинами. У деяких тварин (наприклад, у китів, ластоногих) під шкірою відкладається товстий шар підшкірного жиру, який завдяки низькій теплопровідності захищає їх від переохолоджування.

Деякі ліпіди є гормонами і приймають участь в регуляції фізіологічних властивостях організму. Ліпіди, які містять фосфор (фосфоліпіди), служать важливою складовою частиною клітинних мембран, тобто вони виконують структурну функцію.

Неорганічні з’єднання

0

Автор: admin | Розділ: Хімічний склад клітини | 25-11-2012

Біологічно важливі хімічні елементи. З відомих нам 110 хімічних елементів до складу клітин живих організмів входить тільки 24. Набір цих елементів не випадковий. Життя зароджувалось в водабудова молекули водих мирового океану, і живі організми складаються переважно із тих елементів, які утворюють легко розчинні у воді з’єднання. Більшість таких елементів належить до числа легких, їх особливістю є здатність вступати в міцні (ковалентні) зв’язки і створювати безліч складних і різноманітних молекул.

В складі клітин людського тіла переважають водень (більше 60%), кисень (близько 25%) і вуглець (близько 10%). На кальцій, азот, сірку, фосфор, натрій, хлор, калій, магній, разом взяті, доводиться менше 3%. Останні 13 елементів складають не більше 0,1%. Подібний елементарний склад мають клітини більшість тварин; відрізняються лише клітини рослин і мікроорганізмів. Навіть ті елементи, які в клітинах містяться в мізерно малих кількостях, нічим не можуть бути замінені і абсолютно необхідні для життя. Так, зміст йоду в клітинах не перевищує 0,01%. Проте при недостатку його в ґрунті (із-за цього і в харчових продуктах) затримується ріст і розвиток дітей, проживаючих в районах земної кулі, де в ґрунті не хватка йоду. Склад міді в клітинах тварин не перевищує 0,0002%. Але при недостачі міді в ґрунті (звідси і в рослинах) виникають масові захворювання сільськогосподарських тварин.

Неорганічні (мінеральні) з’єднання. До складу живих клітин входить ряд відносно простих з’єднань, які зустрічаються і в неживій природі — в мінералах, природних водах. Це неорганічні з’єднання.

Вода – одне із самих поширених речовин на Землі. Вона прокриває більшу частину земної кулі. Майже всі живі організми складаються в основному з води. У людини вміст води в різних органах і тканинах варіює від 20% (в кістковій тканині) до 85% (в головному мозку). Майже 2/3 маси людини складає вода, в організмі медузи до 95% води, навіть в сухих насіннях вода складає 10-12%.

Вода володіє деякими унікальним властивостями. Властивості ці настільки важливі для живих організмів, що неможливо представити життя без цього з’єднання водню і кисню.

Унікальні властивості води з’ясовуються структурою її молекул. В молекулі води атом кисню ковалентно пов’язаний з 2 атомами водню. Молекула води полярна (диполь). Плюсові заряди зосереджені у атомів водню, так як кисень електронегативній водню.

Негативно заряджений атом кисню однієї молекули води притягується до позитивного зарядженого атому водню іншої молекули з утворюванням водневого зв’язку.

По міцності водневий зв’язок приблизно в 15-20 раз слабше ковалентного зв’язку. Тому водневий зв’язок легко розривається, що спостерігається, коли випаровується вода. Внаслідок теплового руху молекул у воді одні водневі зв’язки розриваються інші утворюються.

В наслідок цього, в рідкій воді молекули рухомі, що немало важливо для процесів обміну речовин. Молекули води легко проникають через клітинні мембрани.

Внаслідок високої полярності молекул вода є розчинником інших полярних з’єднань, не має собі рівних. У воді розчиняються більше речовин, ніж в будь-якій іншій рідині. Саме тому у водному середовищі клітини здійснюють безліч хімічних реакцій. Вода розчиняє продукти обміну речовин і виводить їх із клітини і організму в цілому.

Вода володіє великою теплоємністю, тобто можливістю поглинати теплоту при мінімальній зміні власної температури. Завдяки цьому вона оберігає клітину від різких змін температури. Оскільки на випаровування води витрачається багато тепла, то випаровував воду, організми можуть захистити себе від перегріву.

Вода володіє високою теплопровідністю. Така властивість дає можливість рівномірно розповсюджувати теплоту між тканинами тіла.

Вода служить «мастильним» матеріалом, необхідним скрізь, де є тертьові поверхні.

Вода має максимальну щільність при 40С. Тому лід, володіє меншою щільністю, і плаває на поверхні води, що захищає водойм від промерзання. Ця властивість води охороняє життя більшості водним організмам.

По відношенню до води всі речовини клітини поділяються на дві групи: гідрофільні і гідрофобні. До гідрофільним відносяться речовини, добре розчинні у воді. Це соль, цукор, амінокислоти. Гідрофобні речовини, навпаки, у воді майже не розчиняються. До них відносяться, наприклад, жири.

Кліткові поверхні, відділяючі клітину від зовнішнього середовища, і деякі інші структури складаються з водонерозчинних (гідрофобних) з’єднань. Завдяки цьому зберігається структурна цілісність клітини. Образно клітину можливо уявити у вигляді посудині з водою, де проходять біохімічні реакції, забезпечуючи життя. Стінки цієї посудини не розчинні у воді. Але вони здатні вибірково пропускати водорозчинні з’єднання.

Крім води, в числі неорганічних речовин клітини потрібно назвати солі, представляючи собою іонні з’єднання. Вони утворені катіонами калію, натрію, магнію і інших металів і аніонами соляної, вугільної, сірчаної, фосфорної кислот. При дисоціації таких солей у розчинах з’являються катіони і аніони. Концентрація іонів на зовнішній поверхні клітини відрізняється від її концентрації на внутрішній поверхні. Різне число іонів калію і натрію на внутрішній і зовнішній поверхні клітини створює різність зарядів на мембрані. На зовнішній поверхні клітинної мембрани дуже висока концентрація іонів натрію, а на внутрішній поверхні дуже висока концентрація іонів калію і низька – натрію. Внаслідок цього утворюється різність потенціалів між внутрішньої і зовнішньої поверхнею клітинної мембрани, що обумовлює передачу збудження по нерву або м’язу.

Іони калію і магнію є активаторами багатьох ферментів, і при нестачі їх порушуються життєво важливі процеси в клітинах. Ряд важливих функцій виконують в живих організмах неорганічні кислоти і солі. Соляна кислота створює кисле середовище в шлунку тварин і людей і в спеціальних органах комахоїдних рослин, прискорює перетравлення білкової їжі. Залишки фосфорної кислоти, приєднуються до ряду ферментних і інших білків клітини, змінюють їх фізіологічну активність. Залишки сірчаної кислоти, приєднуються до нерозчинних у воді чужорідних речовин, придають їм розчинність і сприяють таким чином виведенню їх з клітин і організмів. Неорганічні натрієві і кальцієві солі азотної і фосфорної кислоти, калієва соль сірчаної кислоти служать важливою складовою частиною мінерального харчування рослин, їх вносять в грунт як добриво для підкорми рослин.