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.
| Макромолекулы и их состав | |
| Сложные | Простые углеводы |
| Жиры | Спирт, глицерин и жирные кислоты |
| Белки | Аминокислоты |
| Нуклеиновые кислоты | Нуклеотиды |
“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 - полисахариды.
Моносахариды - бесцветные твердые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, обычно сладкие на вкус. К моносахари-дам 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.