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).