Химический состав клетки: органические вещества (углеводы, липиды)

Какие органические вещества входят в состав клеток и организмов? В состав клеток входят разные органические вещества. Основу их молекул образуют атомы углерода, связанные между собой и с другими атомами ковалентными связями.

Для заполнения внешней электронной оболочки атому углерода не хватает четырех электронов, поэтому углерод может образовать четыре ковалентные связи с атомами водорода, кислорода или азота. Каждый атом углерода может также соединяться с другими атомами углерода.

Соединенные друг с другом атомы углерода способны образовывать разные структуры: линейные, циклические, разветвленные.

В состав клетки входят такие органические вещества, как углеводы, липиды, белки, нуклеиновые кислоты, АТФ. Крупные и сложные по строению молекулы органических соединений называют макромолекулами. Они состоят из более простых и небольших молекул-«кирпичиков». Эти «кирпичики» специфичны для разных веществ.

«Кирпичиками» молекул белка являются аминокислоты, а нуклеиновых кислот — нуклеотиды. «Кирпичики» белков, нуклеиновых кислот одинаковы у всех организмов — от бактерий до человека, что говорит о единстве происхождения всего живого мира.
Познакомимся с некоторыми органическими веществами клетки. Углеводы — органические вещества, в состав которых входят углерод, водород и кислород. В молекулах углеводов соотношение между числом атомов углерода, водорода и кислорода составляет 1 : 2 : 1. Различают простые углеводы — моносахариды и сложные — п 1000 олисахариды.

Моносахариды — бесцветные твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, обычно сладкие на вкус. К моносахаридам относят глюкозу, фруктозу, рибозу, дезоксирибозу и др. Глюкозы и фруктозы много в меде, фруктах. Сахар, который мы едим, состоит из остатков молекул глюкозы и фруктозы. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот.

Основа молекул моносахаридов представляет собой линейную цепочку атомов углерода. Несмотря на то что углеродный остов может включать от трех и более атомов углерода, у всех углеводов один из атомов углерода связан двойной связью с атомом кислорода и образует карбонильную группу. В растворах линейные молекулы моносахаридов принимают циклическую форму.

Сложные и крупные молекулы полисахаридов (крахмал, целлюлоза, гликоген) состоят из множества соединенных между собой остатков молекул моносахаридов. Такие полисахариды, как крахмал, целлюлоза, гликоген, состоят из соединенных молекул глюкозы, число которых непостоянно и может колебаться от сотен тысяч до миллионов. Поэтому общая формула крахмала, гликогена и целлюлозы выглядит так: (C₆H₁₀O₅)_n.

При соединении двух молекул глюкозы одна молекула воды отщепляется. Символ n означает, что число молекул глюкозы в молекулах крахмала, гликогена и целлюлозы может изменяться. Целлюлоза имеет линейную, структуру а крахмал и гликоген — разветвленную.

Различие между молекулами целлюлозы и крахмала состоит также и в том, что число n у целлюлозы больше. В состав одной макромолекулы крахмала входит от нескольких сотен до нескольких тысяч звеньев, а в состав молекулы целлюлозы — свыше 10 000 звеньев. Целлюлоза образует волокна, которые придают растению жесткость и прочность. Так, волокно целлюлозы прочнее, чем стальная проволока такого же диаметра.

Другой тип молекул, входящих в состав клетки, — липиды (от греч. lipos — жир). Молекулы жиров образованы остатками трехатомного спирта (глицерина) и остатками молекул жирных кислот. Главное свойство липидов — гидрофобность.
Особенности структуры молекул углеводов и липидов определяют их функции в клетке. Так, благодаря тому что некоторые полисахариды и все липиды не растворяются в воде, они накапливаются в клетках как запасные питательные вещества. Известно, что крахмалом буквально «набиты» клетки клубней картофеля и корневищ многих растений, например топинамбура.

Животный крахмал — гликоген накапливается в клетках печени и мышц. Когда организму требуется энергия, молекулы гликогена расщепляются на легко растворимые молекулы глюкозы, которые доставляются кровью к различным клеткам организма животного.

Запасы жира содержатся в клетках жировой клетчатки птиц и млекопитающих, семян некоторых растений. У хордовых животных запасы жира откладываются под кожей и служат для защиты организма от переохлаждения и механических повреждений. Так, китов, моржей, тюленей, пингвинов защищают от переохлаждения мощные жировые отложения. У кита, например, слой подкожного жира достигает 1 м.

Одна из важнейших функций углеводов и липидов — энергетическая. Заключенная в этих веществах энергия освобождается при разрыве химических связей в процессе расщепления молекул. Молекулы углеводов и жиров окисляются в клетках до углекислого газа и воды, а освобождающаяся при этом энергия используется на процессы жизнедеятельности. Так, при окислении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии, а при окислении 1 г жиров — в два раза больше.

Углеводы и липиды выполняют также структурную функцию. Они входят в состав различных частей и органоидов клетки. Так, из целлюлозы строятся клеточные стенки растений. В древесине содержится от 40 до 60% целлюлозы. Липиды — обязательный компонент клеточной мембраны.