Содержание химических элементов в клетке
Кроме воды, в клетках содержатся различные минеральные соли, которые так же, как и вода, относятся к неорганическим веществам. Большинство этих минеральных солей (за исключением тех, что содержатся в костях и зубной эмали), растворены в воде.
По отношению к кислороду все живые организмы делятся на аэробов, которым для жизнедеятельности нужен свободный молекулярный кислород, и анаэробов, которые в кислороде не нуждаются. Подавляющее большинство животных, все растения, а также значительная часть микроорганизмов – аэробы. Но с эволюционной точки зрения более древними являются анаэробы. Первые жители нашей планеты «дышали» водородом и серой, кислорода тогда в атмосфере не было.
Органические вещества клетки представлены нуклеиновыми кислотами, белками, липидами и углеводами.
Органические вещества клетки
Углеводы содержатся в каждой живой клетке. Вот просто – в каждой без исключения. Особенно богаты углеводами клетки растений, в которых углеводы могут составлять до 90 % сухого остатка. В животных клетках углеводов содержится значительно меньше – около 1 % сухого остатка, и только в мышечных клетках и клетках печени их содержится в 5 раз больше.
Огромный мир углеводов делится на три основных класса – моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды
[30] или простые углеводы содержат в своих молекулах до семи атомов углерода. Моносахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Одним из самых распространенных моносахаридов и важнейшим источником энергии в живых клетках, является глюкоза, или виноградный сахар (С6Н12О6).
При расщеплении молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты выделяется энергия. Этот процесс называется гликолизом, что переводится с греческого как «расщепление сахара».
Но глюкоза не только источник энергии. Она является мономером многих полимерных углеводов, которые называются олигосахаридами («малосахаридами») и полисахаридами («многосахаридами»). Если кто забыл, то полимером называют высокомолекулярное соединение, состоящее из большого числа повторяющихся групп атомов, которые называются мономерами. Мономеры – это «кирпичики» из которых собираются огромные молекулы полимеров. Олигосахариды состоят из 2-10 моносахаридных «кирпичиков», а с 11 «кирпичиков» начинаются полисахариды.
Другим широко распространенным в природе моносахаридом является фруктоза или фруктовый сахар (C6H12O6), содержащаяся в меде и фруктах. Фруктоза более сладкая на вкус, чем глюкоза.
Обычная химическая формула у глюкозы и фруктозы одинаковая – C6H12O6. Но обычными формулами органическая химия оперирует редко, только в тех случаях, когда речь идет о простейших соединениях, потому что значение имеет не только общее количество тех или иных атомов в молекуле, но и то, как именно они связаны друг с другом, а также их пространственное расположение. Эти нюансы отражают структурные формулы веществ.
Фруктоза и глюкоза – изомеры. Изомерами называются вещества, молекулы которых имеют одинаковые состав и молекулярную массу, но различаются строением или расположением атомов в пространстве.
Глюкоза может существовать в виде α-глюкозы или β-глюкозы. Отличие между этими пространственными изомерами заключается в том, что при первом атоме углерода у α-глюкозы гидроксильная группа (–ОН) расположена под плоскостью углеродного кольца, а у β-глюкозы – над плоскостью.
ß-глюкоза
α-глюкоза
А фруктоза может существовать не только в двух циклических формах – α или β, но и в цепной.
Подобно глюкозе, фруктоза также является мономером многих олигосахаридов и полисахаридов.
Наиболее распространенными олигосахаридами являются дисахариды, содержащие 2 мономерных «кирпичика». Кстати говоря, сладкий вкус олигосахаридов уменьшается по мере увеличения числа моносахаридных остатков, а полисахариды вообще не сладкие.
То, что мы в быту называем «сахаром» – это сахароза, дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и фруктозы. Сахароза содержится в тканях растений. В промышленности сахарозу получают из сахарного тростника стебли которого содержат 10–18 % сахарозы или из сахарной свеклы, корнеплоды которой содержат до 20 % сахарозы.
В прорастающих семенах злаков содержится дисахарид мальтоза, она же – солодовый сахар. Молекула мальтозы состоит из двух остатков глюкозы. А в молоке и молочных продуктах содержится дисахарид лактоза или молочный сахар, молекула которого образована остатками глюкозы и галактозы. Галактоза – это еще один изомер глюкозы, которая отличается от глюкозы пространственным расположением водородной и гидроксильной групп у 4-го углеродного атома. Подобно фруктозе, галактоза может существовать не только в циклических, но и в цепной форме.
Галактоза
Все олигосахариды растворяются в воде, и чем меньше «кирпичиков» содержит молекула олигосахарида, тем выше его растворимость. А вот полисахариды плохо растворяются в воде или вообще не обладают такой способностью.
Известный всем крахмал (С6Н10О5)n представляет собой полисахарид, мономером которого является α-глюкоза. Крахмал – основной углевод нашей пищи и основной резервный углевод растений, который накапливается в семенах, клубнях, корневищах, луковицах. Растения образуют крахмал в результате фотосинтеза – так процесс образования органических веществ из неорганических с помощью солнечной энергии. Фотосинтез свойственен не только растениям и некоторым бактериям, клетки которых содержат пигмент хлорофилл, обладающий способностью поглощения солнечная энергии.
