12.3.5. Углеводы

Углеводы (состоящие из углерода и воды) — это большая группа природных органических соединений C_m(H₂0)„, где т и п могут быть разными. Химические свойства углеводов опреде­ляются гидроксильной группой ОН^-, они первичные продукты фотосинтеза и основные исходные продукты биосинтеза других веществ в растениях. Роль мономеров в углеводах играют моно­сахариды: глюкоза и фруктоза. В состав простых Сахаров входят атомы углерода, водорода и кислорода в соотношении 1:2:1 (например, С₆ Н₁₂ 0₆).

Одна . нуклеотидная единица (мономер)

Основание

Основание

Основание

(?) = Фосфатная группа ^^ = Пентоза

Рис. 12.6. Построение нуклеиновой кислоты из нуклеотидов.

Моносахариды обеспечивают организм необходимой энерги­ей, причем сахара — это источник быстро получаемой энергии, потому что они легко переходят в форму, пригодную для удов­летворения энергетических потребностей организма. Простые

сахара могут соединяться с образованием более крупных моле­кул дисахаридов и полисахаридов. Дисахариды подразделяются на тростниковый сахар (сахароза), солодовый сахар (мальтоза) и молочный сахар (лактоза); они образуются соответственно в рас­тениях тростника, свеклы, солода или в молоке. Извлеченная из тростника или свеклы сахароза называется сахаром.

Из моносахаридных звеньев образуются разветвленные поли­мерные цепи, не растворимые в воде и не сладкие на вкус. Они называются полисахаридами. Так, полисахарид животного проис­хождения гликоген является полимером глюкозы, которая запа­сается в печени организма. В растениях глюкоза хранится в виде крахмала, например в картофеле. Растения синтезируют также другой полимер глюкозы — целлюлозу. Гликоген, крахмал и глюкоза построены из мономеров глюкозы, но с разными хими­ческими связями. Волокна из целлюлозы желудок человека не переваривает, но они играют важную роль в рационе нашей пи­щи, так как придают ей объемность и грубую консистенцию, стимулирующие перистальтику желудка.

Крахмал и гликоген для растений и животных являются пи­щей и играют роль поставщика и резерва энергии. Целлюлозу наряду с пищей для бактерий, грибов и некоторых видов жвач­ных животных используют в природе и технике как строитель­ный материал: из нее состоят бумага и хлопчатобумажные ткани и до 40% клеточных стенок растений. Каждый из углеводов име­ет определенный химический состав и структуру.

В живых клетках простые сахара расщепляются до диоксида углерода (С0₂) и воды с выделением энергии, запасенной в мо­лекулах сахара, которую клетки используют для самых разнооб­разных своих потребностей: синтеза белка, активного транспорта белков, выведения отходов, процессов клеточного дыхания и об­мена, сокращения мышц, деления клеток, различных биохими­ческих реакций и др. Источником энергии для всех этих видов биологической активности служат органические молекулы, в ко­торых запасена химическая энергия, выделяемая при разрыве химических связей.

Во всех организмах содержится нуклеотид аденозитрифосфат (АТФ), который образуется, в частности, при расщеплении саха­ра (рис. 12.7). АТФ состоит из трех фосфатных групп и остатков азотистого основания (аденина) и остатка сахара (рибозы). При разрыве каждой из двух химических связей, обозначеннойО

он

NH,

Аденин

О

О

но-Р~О-Р~О-Р-О-СН

он

он

"V

ОН он

Рис. 12.7. Структура АТФ.

волнистой линией на рисунке, выделяется много энергии. Каж­дая из фосфатных групп может быть отщеплена путем растворе­ния в воде, образования ортофосфата или неорганического фос­фата Ф_н и аденозиндифосфата АДФ:

АТФ АДФ + Ф_н + энергия.

Процесс идет постадийно с выделением свободной энергии:

АТФ + Н₂ О -» АДФ + Ф_н + Н+, AG = -30 кДж/моль; АДФ + Н₂ О -> АМФ + Ф_н + Н+, AG = -30 кДж/моль; АМФ + Н₂ О аденозин + Ф_н + Н⁺, AG = -13 кДж/моль,

где Н⁺ — положительный ион водорода, AG — изменение свобод­ной энергии, выделяемой при отрыве концевой фосфатной груп­пы. Обычно клетки извлекают энергию из АТФ во время клеточ­ного дыхания, отщепляя от его молекулы только одну фосфатную группу. Процесс получения свободной энергии схематически по­казан на рис. 12.8, а процесс образования самой молекулы АТФ —

Фотосинтез

Солнечная ► АТФ ^ ^ Оргяничргкир

энергия Дыхание вещества

Рост, размножение, движение и т.д.

Рис. 12.8. Схема получения свободной энергии с участием АТФ

.Дифорсфоглицерат АДФ

®-о-сн₂

снон

I

V

с= о I

АТФ

Фосфоглицерат

(р)-о-сн₂

СНОН

СП

o~®+®~(PbQJ

^v

Рис. 12.9. Схема образования молекулы АТФ.

на рис. 12.9. В работе [12] П. Кемп и К. Арме роль АТФ в полу­чении и обмене энергии в клетке сравнивают с ролью денег в на­шей жизни. Клетка нуждается в АТФ так же, как и мы в налич­ных деньгах для платы за наши покупки и удовольствия, клетка с избыточным количеством АТФ может синтезировать питательные вещества (например, те же сахара), вкладывая эти «сбережения» энергии в банк, т.е. в АТФ, которые затем можно пустить в дело в виде «живых» денег для удовлетворения своих нужд.

Рис. 12.10. Схема цикла Липмана по участию молекул фосфора в энергетических процессах живого организма.

Процесс превращения энергии в фосфатной связи определя­ется процессами осмоса и связан с энергией переноса электро­нов, а фосфагены — молекулы, аккумулирующие энергию, были обнаружены во всех живых организмах, от бактерий до живот­ных. Американский биохимик Ф. Липман рассматривал их функции также как некую универсальную энергетическую «ва­люту» в биологических системах и сравнивал роль фосфора с то­ком в своеобразном метаболическом генераторе (рис. 12.10). Фосфагены, как и гликогены, отличаются от других возможных аккумуляторов энергии тем, что они способны быстро удовлет­ворять энергетические потребности организма.