Минеральные соли ( клеточные электролиты )

• в клетке находятся в диссоциированном на катионы и анионы состоянии ( могут быть в твёрдом состоянии )

Катионы - К⁺ , Na⁺ , Са^{2 +}, Mg²⁺, Fe^{2 +},Сu²⁺ и др.

Анионы ( преимущественно слабых и амфотерных кислот ) – НСО₃ ^- , Н₂РО₄^- , Сl ^- , NO₂^- и др.

Общие биологические функции солей

1. Сохранение кислотно-щелочного равновесие ( буферные свойства - карбонатный и фосфатный буфер )

Буферность - способность клетки сохранять определённую концентрацию водородных ионов - рН ( в клетке поддерживается слабощелочная реакция 7,2 )

2 . Активация ферментов ( через аллостерический центр фермента )

3 , Участие в создании мембранных потенциалов клеток и потенциалов действия ( ос-

нова раздражимости клетки )

4 . Участие в работе синапсов и проведении нервного импульса

5 . Осмотические явления в клетке

6 . Поддержание тургора

7 . Материал для синтеза металлорганических соединений (пигментов - хлорофилла , гемоглобина и др. )

8 . Образование внутреннего и наружного скелета ( раковины моллюсков , межклеточное вещество костной ткани , зубы )

• важно не только содержание отдельных ионов , но и их пропорциональные соотношения

Биологические функции отдельных химических элементов

Na - ( примерное содержание 0 ,1 % ) - в клетке только в виде ионов Na+

• регуляция частоты сердечных сокращений

• синтез гормонов

К - ( 0 ,25 % ) - только в виде ионов К+

• активизирует ферменты белкового синтеза

• регуляция сердечной деятельности

• участвует в процессах фотосинтеза

• поступление веществ через мембрану клетки « калиевый насос»

• проведение нервного импульса , создание мембранного потенциала

Са ( 2 , 5% ) - в виде ионов или кристаллов солей

• образует межклеточное вещество и кристаллы в клетках растений

• свёртывание крови

• входит в состав костей , зубов , раковин , известковых скелетов коралловых полипов и животных

• активирует сокращение мышечных волокон

• функционирование межнейронных контактов ( синапсов )

Mg (0 , 07% ) - входит в состав молекул хлорофилла , костей , зубов

• активирует энергетический обмен и синтез ДНК

Р ( 1 ,0% ) - входит в состав костной ткани и зубной эмали

• входит в состав молекул нуклеиновых кислот ( ДНК ,РНК ) , АТФ , ферментов

• входит в состав всех мембранных структур

S ( 0 , 25% ) - входит в состав аминокислот ( цистеина , цистина , метионина ) , витамина В₁ , ферментов

I ( 0 , 01% ) - входит в состав гормонов щитовидной железы

Fe ( 0 , 01% ) - в составе многих ферментов , гемоглобина , миоглобина

• участвует в синтезе хлорофилла ,процессе дыхания , фотосинтеза

Сu ( следы ) - входит в состав пигментов беспозвоночных ( гемоцианина ) , ферментов

• участвует в кроветворении , фотосинтезе , синтезе гемоглобина

Cl ( 0 , 2% ) - преобладающий отрицательный ион в организме животных

• компонент соляной кислоты в желудочном соке

Органические вещества клетки

Углеводы ( сахариды )

• Общая формула С_x ( H₂O )_y , где x и y могут иметь разные значения

( чаще С_n (H₂O )_n , где n - число С - атомов )

• Самое распространённое в природе органическое вещество ( входят в состав клеток всех царств живой природы )

• Больше всего содержится в клетках растений - до 90% сухой массы (клубни картофеля , семена ) , в животных клетках не более 2 - 5%

• Молекулы построены из трёх элементов С , Н , О

• Все углеводы являются либо альдегидами , либо кетонами ( в их молекулах всегда имеются ОН - группы , определяющие их химические свойства )

• Разделяются на два класса - моносахариды и полисахариды

Моносахариды (монозы , простые сахара )

• Общая формула ( СН₂О ) _n или С_n ( H₂ O )_n , где n-целое число С-атомов от 3 до 9

• Б есцветные , твёрдые , сладкие , гидрофильные , кристаллизуются , имеют постоянную молекулярную массу

• Нельзя подвергнуть гидролизу

• имеют большое структурное разнообразие и высокую химическую активность , относятся к группе редуцирующих ( восстанавливающих ) сахаров

• способны к ферментативной полимеризации ( конденсации ) путём удаления молекулы воды с образованием ди - , три - тетра - и др . полисахаридов

• присуща структурная и пространственная изомерия в зависимости от положения ОН группы у пятого С атома ( 2 формы - D и L )

• В зависимости от содержания С - атомов имеют названия :

• триозы ( С₃ Н₆ О₃ ) - глицерин и его производные ( молочная кислота , пировиноградная кислота -ПВК - играют роль промежуточных продуктов в процессе дыхания , фотосинтезе , углеводном обмене )

• тетрозы ( С₄ Н ₈ О₄ ) - эритроза и др . ( встречаются в природе редко , главным образом у бактерий )

• пентозы ( С₅ Н₁₀ О₅ ) - ксилоза , арабиноза , рибоза , рибулоза , дезоксирибоза ( молекулы способны к образованию циклических структур ) - участвуют в синтезе нуклеиновых кислот , коферментов - НАД , НАДФ , ФАД , синтезе АТФ , полисахаридов , акцептор СО₂ при фотосинтезе

• гексозы ( С₆ Н₁₂ О₆ ) - глюкоза ,фруктоза , галактоза , манноза (все гексозы являются по отношению друг к другу структурными изомерами , молекулы образуют циклические структуры : - и  - изомеры )

- наиболее распространённые моносахариды

- дыхательный субстрат , служат первичными источниками энергии , освобождаемой при дыхании

- участвуют в синтезе олиго - и полисахаридов ( гексозанов )

Производные моносахаридов

1. Сахарные спирты :

• глицерол (глицерин ) - используется при синтезе липидов (жиров )

• маннитол - запасная форма углеводов в некоторых плодах

2.Сахарные кислоты :

• витамин С (аскорбиновая кислота )

• глюкуроновая кислота - входит в состав смолы , слизи , клеточных стенок

3. Аминосахара :

• глюкозамин - используется в синтезе хитина , входит в состав полисахаридов

• галактозамин - используется при образовании хряща

Полисахариды I порядка ( олигосахариды )

• образуются в результате реакции конденсации между моносахаридами ( обычно гексозами )

• связь между остатками моносахаридов в полисахаридах называют гликозидной связью

• содержат от 2 до 9 остатков моносахаридов, соединённых гликозидной связью

• бесцветные, кристаллические, сладкие на вкус, гидрофильные, имеют постоянную молекулярную массу

• способны к гидролизу с образованием простых сахаров ( чаще всего глюкозы и фруктозы )

• в зависимости от содержания моноз различают ди - , три - , тетра - , пента - и т. д олигосахариды

Дисахариды ( сахароза , мальтоза , лактоза )

• Общая формула С

Глюкоза + Фруктоза = Сахароза ( тростниковый сахар )

• наиболее распространена в растениях , транспортируется по флоэме

• откладывается в качестве запасного питательного вещества

• метаболически инертна

Глюкоза + Глюкоза = Мальтоза (солодовый сахар ) , образуется из крахмала в процессе его переваривания под действием фермента гликозидазы или при прорастании семян

Глюкоза + Галактоза = Лактоза ( молочный сахар ) содержится только в молоке

Трисахариды - раффиноза

Тетрасахарид - стахиоза

Полисахариды ( полиозы )

• высокомолекулярные полимеры моносахаридов ( более 10 мономерных звеньев ) , имеют огромную молекулярную массу - несколько миллионов дальтон (их цепи могут компактно свёртываться )

• мономерами являются моносахариды ( чаще гексозы , очень редко пентозы ) соединеные гликозидными связями

• практически нерастворимы в воде ( образуют коллоидный раствор ) , не имеют сладкого вкуса

• способны гидролизоваться до олиго - и моносахаридов под действием гидролаз ( гликозидазы )

• не оказывают на клетку ни осмотического , ни химического влияния

• полимеры пентоз - ( пентозаны ) - арабаны , ксиланы ( входят в состав камедей )

полимеры гексоз – ( гексозаны ) - глюкозаны , инулин , гемицеллюлоза

полимеры , построенные из остатков глюкозы - глюкозаны (крахмал ,гликоген,

целлюлоза , каллоза )

• различают гомополисахариды - состоят из одинаковых остатков моносахаридов

гетерополисахариды - состоят из остатков разных моносахаридов

Крахмал - полимер глюкозы

• молекула состоит из двух компонентов - амилозы и амилопектина

• амилоза - линейные цепи из нескольких тысяч остатков глюкозы , свёрнутые в спиральную форму - окрашивается йодом в синий цвет

• амилопектин - состоит из вдвое большего количества остатков глюкозы , чем амилоза ( цепи интенсивно ветвятся ) - окрашивается йодом в красно-фиолетовый цвет

• крахмал запасается в клетках в виде крахмальных зёрен ( в хлоропластах листьев , клубнях картофеля , семенах злаков и бобовых )

• функционально является главным резервным полисахаридом растительных клеток

Гликоген - гомополисахарид глюкозы (глюкозан )

• цепи очень сильно ветвятся

• синтезируется из излишков глюкозы поглощенной пищи в животных организмах (встречается в клетках многих грибов )

• содержится в печени и мышцах ( местах высокой метаболической активности )

• способен к быстрому превращению в глюкозу под действием адреналина и глюкагона

• в клетках отлагается в виде крошечных гранул в ЭПС

• функционально является резервным полисахаридом животных и грибов ( источник глюкозы , используемой в процессе дыхания )

Целлюлоза ( клетчатка )- гомополисахарид глюкозы ( глюкозан )

• занимает первое место среди всех органических соединений на Земле

• содержит 50% всего углерода биосферы

• всю целлюлозу на Земле поставляют растения ( может быть у некоторых беспозвоночных и грибов оомицетов )

• целлюлозные волокна представляют длинные цепи из 10 000 остатков глюкозы , объединённые поперечными водородными связями в микрофибриллы , погружённые в цементирующий матрикс из других полисахаридов ( легко пропускают воду с растворёнными в ней веществами )

• гидролизуется до глюкозы под действием фермента целлюлазы ( очень редко встречается в природе , отсутствует у животных , человека и высших растений )

• при неполном расщеплении образуется дисахарид целлобиоза

• повторное вовлечение целлюлозы в круговорот углерода возможно только с участием микроорганизмов и грибов (эндосимбионты кишечника фито- и полифагов )

• функционально является важнейшим структурным компонентом растительных клеточных оболочек ( до 40% )

• служит пищей для фитофагов , бактерий и грибов

Гемицеллюлоза - гетерополисахарид из разных гексоз ( глюкоза , манноза , галактоза ) и пентоз (ксилоза , арабиноза )

• цепи не кристаллизуются и не образуют фибриллярных структур (часто образуют гели )

• являются структурным и частично запасным полисахаридом матрикса клеточной оболочки растений

Инулин - монополисахарид фруктозы

• играет роль резервного вещества в корнях и клубнях растений ( георгины )

Каллоза - аморфный полимер глюкозы

• образуется в ответ на повреждение или неблагоприятное воздействие в разных частях растений

• функционально связана с флоэмой ( ситовидными трубками )

Вещества полисахаридной природы

• Мукополисахариды - молекулы включают моносахариды и их производные

( сахарные спирты и кислоты ) , основной компонент хряща , костной ткани , входит в состав роговицы

• Хитин - нерастворимый в воде линейный гомополимер , главный волокнистый компонент клеточной стенки многих грибов , внешних покровов членистоногих.

• Пектины - разветвлённые полимеры , образующие прочные комплексы с ионами тяжёлых металлов , что используется в медицине для выведения из организма токсинов

• Муреин - глюкопептид ,образующий одну гигантскую мешковидную молекулу , выполняющую функцию опорного каркаса клеточной стенки бактерий и сине -зелёных водорослей

• Гепарин - ингибитор свертывания крови млекопитающих

• Камеди и слизи - в воде набухают , образуют вязкие гели в ответ на повреждение в виде блестящих экскудатов

• Гликопротеины - соединения полисахаридов с белками , определяют антигенные свойства клеток

• Гликолипиды - соединения полисахаридов с липидами ( служат межклеточной смазкой )

Функции углеводов

1. Энергетическая - основная функция углеводов ( источник энергии в клетке )

• при окислении 1 г углеводов выделяется 17,6 к Дж энергии

• реализуется , в основном , за счёт окисления простых сахаров , особенно глюкозы

2. Запасающая - крахмал и гликоген ( полисахариды ) играют роль резервных источников глюкозы

• крахмал и гликоген нерастворимы в воде , не оказывают на клетку химического и осмотического влияния

• имеют твёрдое обезвоженное состояние (экономия объёма клетки )

• недоступны бактериям и грибам в силу нерастворимости полисахаридов

• легко гидролизуются в простые сахара