3.5. Химический состав живых организмов
Все молекулы, которые входят в состав живых клеток, можно разделить на неорганические (минеральные) и органические.
Неорганические вещества - это молекулы простых веществ, или небольшие молекулы, в которых атомы металлов и неметаллов обычно находятся в окисленном состоянии в соединении с кислородом. Все эти соединения делят на оксиды (соединения кислорода с каким-либо элементом), основания (соединения металлов с кислородом и водородом), кислоты (соединения неметаллов с кислородом и водородом) и соли (соединения металлов с неметаллами). Многие минеральные вещества хорошо растворимы в воде и при растворении распадаются на ионы. Основания при этом дают катионы металлов и анион ОН¯(щелочная среда), кислоты дают анионы из неметаллов и катионы водорода (протоны) Н+(кислая среда), соли дают катионы металлов и анионы из неметаллов (нейтральная среда).
Металлы входят в состав многих органических веществ и в реакционные центры ферментов, являются активаторами различных ферментов, участвуют вместе с анионами неметаллов в образовании мембранных электрических потенциалов. Неметаллы, в первую очередь углерод, являются основой построения органических молекул.
Органические вещества представляют собой линейные цепи или разветвлённые пространственные структуры из различного количества соединённых между собой атомов углерода, большинство из которых соединены также и с атомами водорода. Такая форма углерода называется восстановленной, в отличие от окисленного углерода в составе минеральных соединений: СО2, СО3¯¯. Название «органические» вещества получили потому, что в современных условиях они синтезируются почти исключительно живыми организмами, поэтому находятся только в составе организмов или в неживой природе как не полностью разложившиеся продукты жизнедеятельности. В качестве примера важного органического соединения приведём структурную формулу одной из аминокислот (аланин) (рис.3.3).
В сложных структурах органических молекул могут быть выделены отдельные части (группировки атомов), в состав которых входят атомы различных металлов и неметаллов. Это вызывает неравномерное распределение электронной плотности. Такие группировки называют полярными. Остальные группировки, состоящие только из углерода и водорода, называются неполярными. Например, в формуле аланина (рис.3.3) имеются две полярных группы: одна с атомом азота, другая с двумя атомами кислорода.
Соотношение полярных и неполярных групп определяет характер взаимодействия молекул с водой, что существенно сказывается на характере протекания физических и химических процессов в клетках живых организмов. Вода составляет от 50 до 90 % массы активно функционирующих клеток.
Преобладание полярных групп способствует хорошей растворимости вещества в воде, и такие молекулы называются гидрофильными. Преобладание неполярных групп делает молекулы нерастворимыми в воде, и молекулы называются гидрофобными. Существуют молекулы и со смешанными гидрофильно-гидрофобными свойствами.
Органические молекулы по особенностям строения и химическим свойствам делят на большое количество классов, из которых наиболее распространёнными и важными являются углеводы, жиры, липиды, белки и нуклеиновые кислоты.
Углеводы имеют общую формулу СnН2nОn, которая показывает, что соотношение атомов водорода и кислорода в молекуле такое же, как в воде - 2:1. Углеводы делят на моносахариды (число атомов углерода от 3 до 7), дисахариды (два соединённых в одну молекулу моносахарида) и полисахариды (разветвлённые или линейные полимеры из большого количества моносахаридов).
Моно- и дисахариды представляют собой мобильную, быстро превращаемую форму питательных веществ. Примерами моносахаридов являются глюкоза и фруктоза, относящиеся к гексозам (имеют по 6 атомов углерода). Примером дисахарида является сахароза (обычный пищевой сахар), которая представляет собой соединение глюкозы и фруктозы. Моносахариды входят в состав некоторых важных структурных молекул клетки. Например, в нуклеиновых кислотах содержатся пятиуглеродные сахара рибоза и дезоксирибоза.
Полисахариды являются запасными питательными веществами длительного хранения (крахмал у растений, гликоген у животных и грибов), составляют основу биологических слизей и гелей, формируют структурные элементы клеточных стенок растений (клетчатка или целлюлоза), а также образуют основу хитина – строительного материала клеточных стенок животных и грибов.
Жиры и липиды представляют собой сложные молекулы из глицерина и жирных органических кислот. Жиры выполняют функцию запасных питательных веществ длительного хранения. При окислении жиров выделяется примерно в 1,5 раза больше энергии, чем на ту же массу углеводов. С участием жиров и липидов формируются водо- и электроизолирующие структуры и водоотталкивающие (гидрофобные) покрытия. Жиры являются хорошим теплоизолирующим материалом. Липиды составляют основу важнейших структурных элементов всех живых клеток – биологических мембран. Структурно-строительная функция жиров и липидов проявляется также в формировании сложных молекул липопротеидов (соединений жиров и липидов с белками).