Страница 3 из 84
Другое стабилизирующее свойство воды связано с высоким значением теплоты ее испарения и конденсации. При падении температуры воздуха пары воды конденсируются, выделяя тепло, предохраняющее растения от переохлаждения. В жаркую погоду на испарение воды с поверхности растений уходит много тепла, что защищает растения от перегрева. Вода обладает и высокой теплопроводностью, обеспечивая равномерное распределение температуры в тканях. А зимой остывшая ниже +4 °С вода становится более легкой и не опускается на дно, а поднимается к поверхности, защищая водоемы от промерзания.
Благодаря сильной полярности молекул вода способна растворять огромное количество неорганических и органических веществ. В нерастворенном виде многие жизненно важные соединения не проникают через клеточную мембрану. Как хороший растворитель вода обеспечивает поступление в клетку необходимых веществ, удаление из нее продуктов жизнедеятельности, а также передвижение веществ в организме в составе межклеточной жидкости, крови, лимфы и соков у растений.
Молекулы воды посредством электростатического воздействия расщепляют молекулы различных соединений на катионы и анионы (с разрывом ковалентной связи), которые затем быстро вступают в химические реакции. Поэтому большинство биохимических превращений в организмах происходит именно в водной среде. В результате взаимодействия молекул белков и углеводов с молекулами воды при участии ферментов происходит гидролиз — расщепление этих сложных макромолекул на более простые соединения.
Хорошо растворимы в воде соли, кислоты, щелочи, а также органические соединения — сахара, аминокислоты, спирты. Эти вещества называют гидрофильными (<греч. phileo люблю). Практически не растворимы в воде воска и жиры. Такие соединения называют гидрофобными (<греч. phobos страх). Молекулы гидрофильных веществ, как правило, полярны; они способны интенсивно взаимодействовать с молекулами воды, то есть растворяться. Молекулы гидрофобных соединений слабо взаимодействуют с молекулами воды и не растворяются.
Удивительная приспособленность воды к жизнедеятельности всех организмов одним ученым позволяет предположить самопроизвольное появление жизни в водах первобытного океана, других приводит к мысли о сотворенности мира.
Соли. Большая часть неорганических веществ находится в клетке в виде солей. Они образованы катионами К+, Na+, Mg+, Са + и анионами соляной, серной, фосфорной и угольной кислот.
Катионы К+, Na+, Ca + обеспечивают раздражимость клетки. Различное их количество на внешней и внутренней стороне мембраны создает разность потенциалов, позволяющую передавать возбуждение по нерву и мышце. Содержание К + в мышечных клетках в 30 раз выше, чем в крови; Na + участвует в транспорте глюкозы, других сахаров, аминокислот; Ca + и Mg + активируют ряд ферментов. Анионы угольной и фосфорной кислот обусловливают буферность клетки — свойство поддерживать необходимую для нормальной жизнедеятельности слабощелочную среду.
Некоторые нерастворимые в воде соли входят в состав организмов в твердом виде. Прочность костной ткани придает содержащийся в ее межклеточном веществе фосфат кальция, а крепкие раковины моллюсков состоят из карбоната кальция.
1- Назовите характерный признак органических соединений.
2. Опишите биологически важные свойства воды.
3. Расскажите о гидрофобных и гидрофильных соединениях.
4. Какова роль солей в жизнедеятельности клеток?
§ 2. Углеводы и липиды
Углеводы — органические соединения с общей химической формулой Сп(Н2О)ш. Водород и кислород в их состав входят в той же пропорции, что и в состав воды, поэтому их и назвали углеводами. В растительных клетках доля углеводов может составлять до 2/3 сухой массы, а в животных — значительно меньше. В организмах они выполняют энергетическую, запасающую и строительную функции. Углеводы подразде
ляют на моносахариды (простые сахара) и полисахариды (сложные сахара).
М о н о с а х а р и д ы — бесцветные сладкие вещества, хорошо растворимые в воде. Их химическая формула Сп(Н2О)п, п=3^9. Моносахариды c п>4 могут образовывать циклические формы, которые в водном растворе находятся в равновесии с линейными формами.
НО —СН, о5Ї ОН1
с нНЧГ Н Г1'
ОН ОН
Рибоза (n =5)
НО-СН2 ОН1
*Г\ТГ- Н/Гі'
ОН Н
Дезоксирибоза (n=5)
Наиболее важная из пентоз (п=5), рибоза, входит в состав рибонуклеиновой кислоты (РНК), а дезоксирибоза — в состав дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Огромное значение в энергетическом обеспечении организмов имеют гексозы (п=6): глюкоза, фруктоза и галактоза. Легко расщепляясь на простые соединения вплоть до воды и углекислого газа, глюкоза является универсальным источником энергии. Глюкоза — главное питательное вещество клеток мозга. Ее содержание в крови — около
0,12 %. Снижение этого количества вдвое приводит к смерти через несколько минут.
Фруктоза входит в состав дисахарида сахарозы; галактоза — в состав дисахарида лактозы, содержащегося в молоке и некоторых полисахаридах (например, в агаре).
П о л и с а х а р и д ы образуются путем соединения моносахаридов в линейные или разветвленные полимеры (до 5х105 молекул) так называемой гликозидной связью. В пищеварительном тракте сложные сахара расщепляются на простые.
Самыми простыми полисахаридами являются дисахариды. Наиболее известна сахароза — всем знакомый тростниковый или свекловичный пищевой сахар. В ее состав входят остатки (без атома водорода) двух простых сахаров — глюкозы и фруктозы (см. рис. на с. 20). Сахароза является транспортной формой углеводов в растениях: в виде сахарозы углеводы, образовавшиеся
Глюкоза. Линейная форма и два циклических изомера ^НО
<-
<-
Р - глюкоза
2' I
НГОН
3'
НОГН
4'
НГОН
5'
НГОН
б
СН2ОН
Гликоген Целлюлоза Крахмал
Расположение мономерных звеньев глюкозы в различных полисахаридах
в листьях при фотосинтезе, перемещаются в корни и клубни, где запасаются в виде крахмала.
Лактоза (молочный сахар) — главный источник энергии для детенышей млекопитающих. В молоке — около 5% лактозы. За расщепление лактозы на простые сахара отвечает фермент лактаза. В норме у взрослых людей этот фермент не синтезируется. По причине нарушения в гене, отвечающем за синтез лактазы, синтез этого фермента не прекращается в организмах большинства европейских народов. Так, более 90 % взрослых шведов и датчан способны усваивать молоко, но среди коренного населения Сибири и Дальнего востока 60—80 % людей не могут переваривать молоко.
Другой дисахарид — мальтоза (солодовый сахар)—образуется из крахмала при прорастании семян под действием ферментов-амилаз и служит основным источником энергии для проростка.
С увеличением числа полимерных звеньев растворимость полисахаридов ухудшается, сладкий вкус пропадает. Самыми важными полисахаридами, составленными из молекул глюкозы, являются гликоген, крахмал и целлюлоза. Гликоген — ветвистый полимер а-глюкозы — содержится в основном в клетках печени. При нормальном питании содержание гликогена в печени человека может достигать 500 г, в скелетных мышцах — до 200 г, в сердечной мышце и мозге — до 90—100 г. Основная его функция — запасающая. В периоды большой физической или нервной нагрузки происходит интенсивное расщепление гликогена до глюкозы, быстро потребляемой мышечными или нервными клетками.
Полисахарид крахмал в клетках растений, гликоген в клетках животных и грибов являются источниками глюкозы и поэтому выполняют функцию основных запасающих веществ. Содержание крахмала в клубнях картофеля и семенах — до 90 % сухой массы. При расходовании энергии организмами молекулы глюкозы отщепляются от молекул крахмала, а при избытке глюкозы — присоединяются. Длина полимерных цепей резервных полисахаридов все время меняется.
Линейная форма крахмала (амилоза) образует спирали и содержит сотни остатков а-глюкозы, разветвленная (амилопек-тин) — имеет значительно больше остатков. Эти формы дают различную реакцию на раствор йода в йодистом калии (I2/KI): амилоза — темно-синюю, амилопектин — красно-фиолетовую.
Целлюлоза (<лат. cellula клетка), или клетчатка, как крахмал и гликоген, представляет собой полисахарид на основе глюкозы (до 10 тыс. остатков), но не а-, а P-формы. Клетчатка обладает высокой химической стойкостью и механической прочностью. Волокно целлюлозы превосходит по прочности стальную проволоку того же диаметра. Древесина — почти чистая целлюлоза, из клетчатки построены стенки клеток растений.
Организмы животных и человека не имеют ферментов, расщепляющих клетчатку, в их пищеварительных трактах эту функцию выполняют бактерии. У человека в сравнении с жвачными животными усваивается лишь незначительная часть клетчатки, она является для нас трудной пищей. Поэтому после кишечных отравлений, сопровождающихся вымыванием бактериальной среды кишечника, не рекомендуется употреблять в пищу продукты, содержащие грубую клетчатку (например, ржаной хлеб).