Polysaccharides and Dehydration Synthesis | Biology
3.5: Синтез дегидрирования
Обзор
Синтез обезвоживания – это химический процесс, в котором две молекулы ковалентно связаны с высвобождением молекулы воды. Многие физиологически важные соединения образуются в результате синтеза обезвоживания, например, сложные углеводы, белки, ДНК и РНК.
Синтез обезвоживания создает строительные блоки жизни
Молекулы сахара могут быть ковалентно связаны друг с другом синтезом обезвоживания, также называемым реакцией конденсации. Полученная стабильная связь называется гликозидной связью. Чтобы сформировать связь, гидроксил (-OH) группа из одного реагента и атом водорода из другого образуют воду, в то время как остальной кислород связывает эти два соединения. Для каждой дополнительной связи, которая образуется, высвобождается другая молекула воды, буквально обезвоживающая реагенты. Например, отдельные молекулы глюкозы (мономеры)могут подвергаться повторно синтезу обезвоживания для создания длинной цепи или разветвленного соединения.
Такое соединение, с повторяющимися идентичными или аналогичными подразделениями, называется полимером. Учитывая разнообразный набор сахарных мономеров и различия в расположении связи, можно построить практически неограниченное количество сахарных полимеров.
Многочисленные функции углеводов в живых организмах
Растения производят простые углеводы из двуокиси углерода и воды в процессе, называемом фотосинтезом. Растения хранят полученные сахара (т.е. энергию) в качестве крахмала — полисахарида, который создается из молекул глюкозы путем синтеза обезвоживания. Целлюлоза также построена из мономеров глюкозы и является строительным блоком клеточной стенки в растениях.
Животные потребляют сложные углеводы и разбивают их. Моносахариды затем используются для производства энергии или хранятся в виде гликогена.. Гликоген — разветвленной полисахарид из мономеров глюкозы, получаемый путем синтеза обезвоживания. Кроме того, моносахариды используются в качестве сырья для небольших органических строительных блоков, таких как нуклеиновые кислоты, аминокислоты и жирные кислоты.
Большинство животных не могут переварить целлюлозу, которая синтезируется растениями. Вместо этого, нерастворимое волокно проходит через пищеварительную систему с очень полезными побочными эффектами: это помогает передвигать пищу и увеличивает количество воды, которая сохраняется в кишечнике. Некоторые животные, такие как коровы, имеют бактерии в кишечнике, которые производят ферменты, чтобы расщепить целлюлозу, тем самым делая глюкозу доступной для коровы.
Амилоза, гликоген и целлюлоза состоят из глюкозы
Как амилоза (линейная часть крахмала), гликоген и целлюлоза могут быть сделаны из одного базового компонента, но отличаются по своим свойствам? Разница заключается в типе связи между отдельными молекулами глюкозы. Целлюлоза имеет 1,4 связи глюкозы, а это означает, что мономер глюкозы с углеродом номер один в форме З (т.е. гидроксиловая группа на углерод номер один указывает вверх) связан с углеродом номер 4 в соседнем мономере глюкозы. Мономеры глюкозы в амилозе связаны с связями No1,4.
Гликоген также имеет связи No 1,4, но дополнительные боковые цепи с связью No 1,6.
Полимеры
Составляют до 90% массы сухого вещества клетки.
Регулярные (повторяющиеся звенья) – углеводы (полисахариды)
Нерегулярные (неповторяющиеся звенья) – белки, нуклеиновые кислоты.
В белках и нуклеиновых кислот последовательность мономеров крайне важна, так как они выполняют информационную функцию.
Углеводы – это органические соединения, в состав которых входят в основном 3 химических элемента – углерод, водород и кислород.
Моносахариды – состоят из одной молекулы. Кристаллические вещества, сладкие на вкус, хорошо растворимые в воде.
Олигосахариды – имеют от 2 до 10 звеньев моносахаридов. Менее сладкие, хорошо растворимые в воде
Имеют более 10 звеньев моносахаридов. Несладкие, нерастворимые или плохо растворимые в воде.
Моносахариды классифицируют по количеству углеродных атомов, например пентозы (С5) и гексозы (С6). К пентозам относится рибоза и дезоксирибоза. Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза является компонентом ДНК. Гексозы – это глюкоза, фруктоза, галактоза.
В зависимости от количества остатков моносахаридов, входящих в состав олигосахаридов, различают дисахариды (2 остатка), трисахариды. К дисахаридам относятся сахароза, лактоза, мальтоза. Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы. Лактоза, или молочный сахар, образована остатками глюкозы и галактозы. Мальтоза (солодовый сахар) состоит из 2 остатков глюкозы.
Полисахариды.
Крахмал.
Состоит
из 2 полимеров – менее разветвленной
амилозы и более разветвленного
амилопектина. Мономером обоих является
глюкоза. Основное запасное вещество
растений в особенно больших количествах
накапливается обычно в семенах, плодах,
клубнях, корневищах и других запасающих
органах растений.
Целлюлоза.
Основной опорный полисахарид тканей растений. Мономером является глюкоза. Неразветвленные молекулы целлюлозы формируют пучки, которые входят в состав клеточных стенок растений и некоторых грибов. Является основой древесины. Химически инертна и не растворяется ни в кислотах, ни в щелочах.
Гликоген.
Запасной полисахарид животных и грибов, у человека в наибольших количествах накапливается в мышцах и печени. Мономером является глюкоза. Молекулы гликогена еще более разветвлены.
Хитин.
Мономерами являются азотсодержащие сахара. Входит в состав клеточных стенок грибов и панцирей членистоногих.
Функции углеводов.
Пластическая. Образуют клеточные стенки растений и грибов. Входят в состав нуклеиновых кислот. Образуют наружный скелет членистоногих.
Энергетическая. При окислении высвобождают энергию: 1 г – 17,6 кДж.
Запасающая. Являются запасным веществом.
Регуляторная. Выполняют функцию рецепторов в составе гликопротеидов в клеточных мембранах.
Липиды.
Это разнородная в химическом отношении группа низкомолекулярных веществ с гидрофобными свойствами.
Классификация.
— Простые: воски, стерины, стероиды, жиры
— Сложные: фосфолипиды, гликолипиды.
Жиры – производные трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот.
Животного происхождения. Глицерин соединен с насыщенными жирными кислотами. Твердые вещества, с высокой температурой плавления.
Растительного происхождения. Глицерин соединен с ненасыщенными жирными кислотами. Жидкие, с низкой температурой плавления.
Фосфолипиды,
помимо остатков глицерина и жирных
кислот, содержат остаток ортофосфорной
кислоты.
Они входят в состав клеточных
мембран и обеспечивают их барьерные
свойства. Гликолипиды также являются
компонентами мембран, но их содержание
там не велико. Нелипидной частью
гликолипидов являются углеводы.
Функции липидов.
— Строительная
— энергетическая
— защитная
— источник воды
— запасающая
— регуляторная
Белки.
Это высокомолекулярные соединения, биополимеры, мономерами которых являются аминокислоты, связанные пептидными связями.
Аминокислотой называют органическое соединение, имеющее аминогруппу, карбоксильную группу и радикал. Всего в природе встречается около 200 аминокислот, которые различаются радикалами и взаимным расположением функциональных групп, но только 20 из них могут входить в состав белков. Такие аминокислоты называют протеиногенными.
Аминокислоты:
— заменимые (синтезируются в организме животных)
—
незаменимые (не синтезируются в организме
животных: валин, изолейцин, лейцин,
лизин, метионин, треонин, триптофан и
фенилаланин).
Последовательность из 2 аминокислот, связанных пептидными связями, — дипептид, из 3 – трипептид. Среди пептидов встречаются такие важные соединения, как гормоны (окситоцин, вазопрессин), антибиотики. Цепочка из более чем десяти аминокислот – полипептид, а полипептид, содержащий более 50 аминокислотных остатков – белок.
Уровни структурной организации белков.
Уровень | Строение | Связи |
Первичная структура | Последовательность аминокислот в полипептидной цепи | Пептидные |
Вторичная структура | Упорядоченное расположение отдельных участков полипептидной цепи в виде спиралей или складок | Водородные |
Третичная структура | Пространственная конфигурация L-спирали | Гидрофобные, водородные, ионные, дисульфидные |
Четвертичная структура | Пространственная организация нескольких полипептидных цепей | Гидрофобные, водородные, ионные, дисульфидные |
Белки (по форме молекул)
-фибриллярные (молекулы вытянутые)
— глобулярные (молекулы в форме клубка-глобулы)
По химическому составу:
— Простые (в составе только аминокислоты)
— Сложные (в составе есть небелковая часть):
А) липопротеины
Б) хромопротеины
В) гликопротеины
Г) нуклеопротеины
Функции
белков.
Структурная
Каталитическая
Двигательная
Транспортная
Защитная
Регуляторная
Энергетическая
Запасающая
Рецепторная.
Денатурация белка – утрата белковой молекулой своей структуры, вплоть до первичной.
Ренатурация – процесс восстановления вторичной и более высоких структур белка, однако он не всегда возможен. Полное разрушение белковой молекулы называется деструкцией.
Причины денатурации белка:
— изменение температуры
— изменение рН
— изменение атмосферного давления
— воздействие органических растворителей
—
воздействие солей тяжелых металлов.
Нуклеиновые кислоты – это биополимеры, мономерами которых являются нуклеотиды. В настоящее время известны 2 нуклеиновые кислоты: РНК и ДНК.
Нуклеотид образован азотистым основанием, остатком сахара-пентозы, и остатком ортофосфорной кислоты. Особенности нуклеотидов в основном определяются азотистыми основаниями, входящими в их состав, поэтому даже условно нуклеотиды обозначаются по первым буквам названий.
Азотистые основания: аденин (А) – гуанин (Г) – тимин (Т) – урацил (У) – цитозин (Ц).
ДНК. Двухцепочечный биополимер, мономерами которого являются дезоксирибонуклеотиды. В их состав входят только четыре азотистых основания из 5 возможных – аденин, тимин, гуанин, цитозин, а также остатки дезоксирибозы и ортофосфорной кислоты. Нуклеотиды в цепи ДНК соединяются между собой через остатки ортофосфорной кислоты, образуя фосфодиэфирную связь.
Комплементарность нуклеотидов ДНК
А-Т
Г-Ц
Процесс
самовоспроизведения молекулы ДНК,
который обеспечивает точное копирование
наследственной информации и передачу
ее из поколения в поколение, называется
репликацией.
РНК. Биополимер, мономерами которого являются рибонуклеотиды. Они содержат также 4 азотистых основания – аденин, урацил, гуанин, цитозин.
Виды РНК:
иРНК – 2-4% матрица для синтеза полипептидных цепей
рРНК 80% участие в синтезе белка
тРНК 60-80% транспорт аминокислот к месту синтеза (на рибосомы)
Различия ДНК и РНК
Характеристика | ДНК | РНК |
Состав | Дезоксирибоза, тимин | Рибоза, урацил |
Структура | Двухцепочечная молекула (правозакрученная двойная спираль) | Одноцепочечная молекула (за исключением РНК некоторых вирусов) |
Форма | Незамкнутые молекулы в ядре, кольцевая форма в митохондриях, пластидах и у прокариот | Цепочка, у тРНК – клеверный лист |
Локализация | Ядро, митохондрии и пластиды эукариот, цитоплазма прокариот | Также
в рибосомах и гиалоплазме. |
Функция | Хранение и передача наследственной информации | В основном – реализация наследственной информации |
АТФ – это нуклеотид, содержащий помимо азотистого основания аденина и остатка рибозы три остатка фосфорной кислоты. Связи между двумя последними фосфорными остатками являются макроэргическими.
При потребности в энергии макроэргическая связь АТФ расщепляется, образуется АДФ, фосфорный остаток и выделяется 40 кДЖ энергии.
АДФ
также может расщепляться с образованием
АМФ и остатка фосфорной кислоты. В
процессе энергетического обмена и
фотосинтеза АДФ присоединяет фосфорный
остаток и превращается в АТФ. Реакция
восстановления АТФ называется
фосфорилированием. АТФ является
универсальным источником энергии для
всех процессов жизнедеятельности живых
организмов.
Лекция 6.
Обмен веществ.
Метаболизм, или обмен веществ – это совокупность химических реакций в клетке, обеспечивающих ее нормальное функционирование.
Пластический обмен (анаболизм, ассимиляция). Совокупность реакций синтеза, которые идут с затратой энергии АТФ. В процессе пластического обмена синтезируются органические вещества, необходимые клетке. Примером реакций пластического обмена являются фотосинтез, биосинтез белка и репликация ДНК.
Аминокислоты – Белки
Глюкоза – полисахариды
Глицерин + жирные кислоты – жиры
Нуклеотиды – нуклеиновые кислоты
Энергетический обмен (катаболизм, диссимиляция).
Совокупность
реакций расщепления сложных веществ
до более простых. В результате
энергетического обмена выделяется
энергия, запасаемая в виде АТФ. Наиболее
важными процессами энергетического
обмена является дыхание и брожение.
Белки – аминокислоты
Полисахариды – глюкоза
Жиры – глицерин + жирные кислоты
Нуклеиновые кислоты – нуклеотиды
Схема общего обмена веществ.
Пища Кислород
! !
Органы пищеварения Органы дыхания
(переваривание и (кислород проникает в капилляры)
Всасывание питательных веществ)
! !
Кровь, лимфа, тканевая жидкость
!
Клетки (происходит расщепление веществ и образование новых веществ)
! !
Жидкие продукты распада Углекислый газ
Кожа, почки, легкие
Окружающая среда
Этапы энергетического обмена.
Подготовительный.
Расщепление макромолекул до мономеров:
Углеводы – глюкоза
Белки – аминокислоты
Жиры – жирные кислоты и глицерин
Нуклеиновые кислоты – нуклеотиды
Происходит в кишечнике или в лизосомах. Выделяемая энергия рассеивается в виде тепла.
Анаэробный (безкислородный).
Расщепление мономеров до промежуточных продуктов. Происходит в цитоплазме. Наиболее частым субстратом реакцией является глюкоза. Процесс бескислородного расщепления углеводов называется гликолизом.
Аэробный (кислородный)
Окисление
промежуточных соединений до конечных
продуктов с выделением большого
количества энергии. Этот этап также
называют тканевым дыханием. Тканевое
дыхание – процесс использования
кислорода тканями и клетками для
окисления органических веществ с
высвобождением энергии.
Брожение – анаэробный процесс превращения органических веществ, протекающий с высвобождением небольшого количества энергии.
Фотосинтез – это процесс преобразования энергии света в энергию химических связей органических соединений с помощью хлорофилла.
Биология, Химия жизни, Биологические макромолекулы, Углеводы
Углеводы могут быть представлены стехиометрической формулой (CH 2 O) n , где n — число атомов углерода с в молекуле. Другими словами, отношение углерода к водороду и кислороду составляет 1:2:1 в молекулах углеводов. Эта формула также объясняет происхождение термина «углевод»: компонентами являются углерод («карбо») и компоненты воды (отсюда «гидрат»). Углеводы делятся на три подтипа: моносахариды, дисахариды и полисахариды.
Моносахариды
Моносахариды (моно- = «один»; сахар- = «сладкий») представляют собой простые сахара, наиболее распространенным из которых является глюкоза.
В моносахаридах число атомов углерода обычно колеблется от трех до семи. Большинство названий моносахаридов заканчиваются суффиксом -ose. Если сахар имеет альдегидную группу (функциональную группу со структурой R-CHO), он известен как альдоза, а если он имеет кетоновую группу (функциональную группу со структурой RC(=O)R’), то он известен как кетоза. В зависимости от количества атомов углерода в сахаре они также могут быть известны как триозы (три атома углерода), пентозы (пять атомов углерода) и/или гексозы (шесть атомов углерода). См. Рисунок для иллюстрации моносахаридов.
Химическая формула глюкозы C 6 H 12 O 6 .
Для человека глюкоза является важным источником энергии. Во время клеточного дыхания энергия высвобождается из глюкозы, и эта энергия используется для производства аденозинтрифосфата (АТФ). Растения синтезируют глюкозу, используя углекислый газ и воду, а глюкоза, в свою очередь, используется для удовлетворения энергетических потребностей растения. Избыток глюкозы часто откладывается в виде крахмала, который катаболизируется (расщепление более крупных молекул клетками) людьми и другими животными, питающимися растениями.
Галактоза (часть лактозы или молочного сахара) и фруктоза (содержащаяся в сахарозе во фруктах) являются другими распространенными моносахаридами. Хотя глюкоза, галактоза и фруктоза имеют одинаковую химическую формулу (C 6 H 12 O 6 ), они различаются структурно и химически (и известны как изомеры) из-за различного расположения функциональных групп вокруг асимметричный углерод; все эти моносахариды имеют более одного асимметрического углерода (рисунок).
Художественное соединение
Глюкоза, галактоза и фруктоза — все это гексозы. Они являются структурными изомерами, то есть имеют одинаковую химическую формулу (C 6 H 12 O 6 ), но другое расположение атомов.Какие это сахара, альдоза или кетоза?
Глюкоза, галактоза и фруктоза являются изомерными моносахаридами (гексозами), что означает, что они имеют одинаковую химическую формулу, но имеют несколько разные структуры. Глюкоза и галактоза относятся к альдозам, а фруктоза — к кетозе.
Моносахариды могут существовать в виде линейных цепочек или кольцеобразных молекул; в водных растворах они обычно находятся в виде колец (рис.). Глюкоза в кольцевой форме может иметь два различных расположения гидроксильной группы (ОН) вокруг аномерного углерода (углерод 1, который становится асимметричным в процессе образования кольца). Если гидроксильная группа находится ниже атома углерода номер 1 в сахаре, говорят, что она находится в альфа-положении ( α ), а если выше плоскости, говорят, что она находится в бета-положении ( α ).
0007 β ) положение.
Дисахариды
Дисахариды (ди- = «два») образуются, когда два моносахарида подвергаются реакции дегидратации (также известной как реакция конденсации или синтез дегидратации). В ходе этого процесса гидроксильная группа одного моносахарида соединяется с водородом другого моносахарида, высвобождая молекулу воды и образуя ковалентную связь. Ковалентная связь, образованная между молекулой углевода и другой молекулой (в данном случае между двумя моносахаридами), известна как гликозидная связь (рисунок).
Гликозидные связи (также называемые гликозидными связями) могут быть альфа- или бета-типа.
Общие дисахариды включают лактозу, мальтозу и сахарозу (рисунок). Лактоза – это дисахарид, состоящий из мономеров глюкозы и галактозы. В природе содержится в молоке. Мальтоза, или солодовый сахар, представляет собой дисахарид, образующийся в результате реакции дегидратации между двумя молекулами глюкозы. Наиболее распространенным дисахаридом является сахароза или столовый сахар, который состоит из мономеров глюкозы и фруктозы.
Общие дисахариды включают мальтозу (зерновой сахар), лактозу (молочный сахар) и сахарозу (столовый сахар).
Полисахариды
Длинная цепь моносахаридов, связанных гликозидными связями, известна как полисахарид (поли- = «много»). Цепь может быть разветвленной или неразветвленной, и она может содержать различные типы моносахаридов. Молекулярная масса может составлять 100 000 дальтон или более в зависимости от количества присоединяемых мономеров. Крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин являются основными примерами полисахаридов.
Крахмал представляет собой хранящуюся в растениях форму сахаров и состоит из смеси амилозы и амилопектина (оба полимеры глюкозы). Растения способны синтезировать глюкозу, а избыток глюкозы сверх непосредственных энергетических потребностей растений хранится в виде крахмала в различных частях растений, включая корни и семена. Крахмал в семенах обеспечивает пищу для зародыша по мере его прорастания, а также может служить источником пищи для людей и животных. Крахмал, потребляемый человеком, расщепляется ферментами, такими как слюнные амилазы, на более мелкие молекулы, такие как мальтоза и глюкоза.
Затем клетки могут поглощать глюкозу.
Крахмал состоит из мономеров глюкозы, которые соединены α 1-4 или α 1-6 гликозидными связями. Числа 1-4 и 1-6 относятся к числу атомов углерода двух остатков, которые соединились, чтобы сформировать связь. Как показано на рисунке, амилоза представляет собой крахмал, образованный неразветвленными цепями мономеров глюкозы (только α 1-4 связей), тогда как амилопектин представляет собой разветвленный полисахарид ( α 1-6 связей в точках ветвления).
Амилоза и амилопектин представляют собой две разные формы крахмала. Амилоза состоит из неразветвленных цепей мономеров глюкозы, соединенных α 1,4 гликозидные связи. Амилопектин состоит из разветвленных цепей мономеров глюкозы, соединенных гликозидными связями α 1,4 и α 1,6. Благодаря способу соединения субъединиц цепи глюкозы имеют спиральную структуру. Гликоген (не показан) похож по структуре на амилопектин, но более разветвлен.
Гликоген представляет собой запасную форму глюкозы у людей и других позвоночных и состоит из мономеров глюкозы. Гликоген является животным эквивалентом крахмала и представляет собой сильно разветвленную молекулу, обычно хранящуюся в клетках печени и мышц. Всякий раз, когда уровень глюкозы в крови снижается, гликоген расщепляется с высвобождением глюкозы в процессе, известном как гликогенолиз.
Целлюлоза — самый распространенный природный биополимер. Клеточная стенка растений в основном состоит из целлюлозы; это обеспечивает структурную поддержку клетки. Древесина и бумага в основном целлюлозные по своей природе. Целлюлоза состоит из мономеров глюкозы, которые связаны β 1-4 гликозидными связями (рисунок).
В целлюлозе мономеры глюкозы связаны в неразветвленные цепи β 1-4 гликозидными связями. Из-за способа соединения субъединиц глюкозы каждый мономер глюкозы переворачивается по отношению к следующему, что приводит к линейной волокнистой структуре.
Как показано на рисунке, все остальные мономеры глюкозы в целлюлозе перевернуты, и мономеры плотно упакованы в виде вытянутых длинных цепей. Это придает целлюлозе жесткость и высокую прочность на растяжение, что так важно для растительных клеток. В то время как связь β 1-4 не может быть разрушена пищеварительными ферментами человека, травоядные животные, такие как коровы, коалы и буйволы, способны с помощью специализированной флоры в их желудке переваривать растительный материал, богатый целлюлозой. и использовать его в качестве источника пищи. У этих животных некоторые виды бактерий и протистов обитают в рубце (часть пищеварительной системы травоядных) и выделяют фермент целлюлазу. Аппендикс пастбищных животных также содержит бактерии, переваривающие целлюлозу, что придает ей важную роль в пищеварительной системе жвачных животных. Целлюлазы могут расщеплять целлюлозу на мономеры глюкозы, которые могут использоваться животным в качестве источника энергии. Термиты также способны расщеплять целлюлозу из-за присутствия в их телах других организмов, выделяющих целлюлазы.
Углеводы выполняют различные функции у разных животных. Членистоногие (насекомые, ракообразные и другие) имеют внешний скелет, называемый экзоскелетом, который защищает их внутренние части тела (как видно на рисунке пчелы). Этот экзоскелет состоит из биологической макромолекулы хитина , которая представляет собой полисахарид, содержащий азот. Он состоит из повторяющихся звеньев N-ацетил- β -d-глюкозамина, модифицированного сахара. Хитин также является основным компонентом клеточных стенок грибов; грибы не являются ни животными, ни растениями и образуют собственное царство в области Эукария.
Насекомые имеют твердый внешний скелет, состоящий из хитина, разновидности полисахарида. (кредит: Луиза Докер)Career Connections
Зарегистрированный диетолог Ожирение является проблемой здравоохранения во всем мире, и многие болезни, такие как диабет и болезни сердца, становятся все более распространенными из-за ожирения.
Это одна из причин, почему все чаще обращаются за советом к зарегистрированным диетологам. Зарегистрированные диетологи помогают планировать программы питания для людей в различных условиях. Они часто работают с пациентами в медицинских учреждениях, разрабатывая планы питания для лечения и профилактики заболеваний. Например, диетологи могут научить пациента с диабетом, как управлять уровнем сахара в крови, потребляя правильные типы и количество углеводов. Диетологи также могут работать в домах престарелых, школах и частных практиках.
Чтобы стать зарегистрированным диетологом, необходимо получить как минимум степень бакалавра в области диетологии, питания, пищевых технологий или в смежных областях. Кроме того, зарегистрированные диетологи должны пройти стажировку под наблюдением и сдать национальный экзамен. Те, кто занимается диетологией, проходят курсы по питанию, химии, биохимии, биологии, микробиологии и физиологии человека. Диетологи должны стать экспертами в области химии и физиологии (биологических функций) пищи (белков, углеводов и жиров).
Сценарий
ВВЕДЕНИЕ
Хотя живые клетки в основном состоят из воды, в ней также имеется множество других молекул. Гигантские молекулы, называемые макромолекулами, заселяют клетку и обеспечивают ее важными для жизни функциями. Например, макромолекулы обеспечивают структурную поддержку, источник хранимого топлива, способность хранить и извлекать генетическую информацию и способность ускорять биохимические реакции. Эти важные роли в жизни клетки играют четыре основных типа макромолекул — белки, углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды.
С точки зрения общей структуры все макромолекулы, кроме липидов, считаются полимерами. Полимер представляет собой цепь подобных субъединиц или мономеров, связанных между собой ковалентными связями. В белках мономерами являются аминокислоты; в углеводах мономерами являются сахара; а в нуклеиновых кислотах мономерами являются нуклеотиды. Липиды представляют собой разнообразную группу молекул, которые существуют в различных неполимерных формах.
Углеводы
1
Углеводы включают простые сахара (моносахариды), а также крупные полимеры (полисахариды). Глюкоза представляет собой гексозу, сахар, состоящий из шести атомов углерода, обычно встречающийся в кольцевой форме. Макромолекула крахмала представляет собой полисахарид, состоящий из тысяч единиц глюкозы.
2
Молекулы глюкозы могут быть присоединены к крахмалу в результате реакции конденсации. В реакциях конденсации две молекулы ковалентно связываются друг с другом и высвобождают молекулу воды. Здесь образуется связь между 1-м углеродом одной глюкозы и 4-й другой, создавая α-1,4-гликозидную связь.
3
Ветвление новых цепей также может происходить между атомами углерода 1 и 6.
4
Различные типы крахмалов на самом деле различаются по количеству разветвлений. Амилоза, или растительный крахмал, не сильно разветвлена.
5
Гликоген, для сравнения, сильно разветвлен. Этот полисахарид хранится в печени и мышцах животных.
6
Полисахариды представляют собой формы накопленной энергии, которые можно легко гидролизовать с образованием глюкозы. Затем глюкоза может быть дополнительно расщеплена для высвобождения энергии, которая используется в клеточной активности.
Белки
1
Белки представляют собой цепочки аминокислот, соединенных пептидными связями. 20 различных аминокислот, из которых состоят все белки, различаются только своими боковыми цепями, и свойства этих боковых цепей объясняют большое разнообразие структуры и функций белков.
2
Коллаген является примером того, как аминокислотная последовательность белка определяет его структуру и функцию. Последовательности аминокислот закодированы в ДНК генов.
3
Коллаген является наиболее распространенным белком млекопитающих. Это основной компонент кожи, костей и зубов. Этот белок состоит из трех спиральных полипептидных цепей, образующих жесткий сверхскрученный кабель. Тип спирали в каждом полипептиде уникален для коллагена и является результатом необычного аминокислотного состава коллагена.
4
Спираль коллагена формируется в основном под влиянием двух типов аминокислот: пролина, который вносит резкие повороты в полипептид, и глицина, который имеет маленькую боковую цепь (Н), которая не мешает упаковке в спирали. Коллаген содержит многие из этих аминокислот, но мало громоздких (например, фенилаланин).
5
Каждая спираль содержит три аминокислоты на виток, причем глицин находится в каждой третьей позиции. Три полипептида в молекуле коллагена связаны со своими глицинами, обращенными к центру коллагена. Глицин — единственная аминокислота, достаточно маленькая, чтобы позволить полипептидам упаковываться (за счет водородных связей) в плотный кабель.
6
Отдельные молекулы коллагена перекрестно связываются с другими молекулами коллагена, образуя прочные коллагеновые фибриллы. Коллаген, из которого получают желатин, является плохим источником незаменимых аминокислот — аминокислот, которые организм не может производить и должен получать с пищей.
Нуклеиновые кислоты
1
ДНК и РНК представляют собой нуклеиновые кислоты (полимеры нуклеотидов). Два полимера с комплементарными последовательностями нуклеотидов могут образовывать пары друг с другом. Это соединение наделяет нуклеиновые кислоты способностью хранить, передавать и извлекать генетическую информацию.
2
Две нити ДНК соединяются водородными связями. Компонент одного нуклеотида, называемый основанием, образует водородную связь с комплементарным основанием противоположной цепи. Основание цитозин (C) соединяется с гуанином (G), а аденин (A) спаривается с тимином (T).
3
Мономер нуклеиновой кислоты — нуклеотид — состоит из трех частей. Центральным компонентом является пентозный сахар.
4
Азотсодержащее основание ковалентно связано с атомом углерода 1′ на сахаре. Это основание может быть либо пурином с двумя слитыми кольцами (как в аденине и гуанине), либо пиримидином с одним кольцом (как в цитозине и тимине).
В РНК тиминовое основание заменено урацилом.
5
Фосфатная группа ковалентно связана с 5′-углеродом молекулы сахара. Фосфатная группа, основание и сахар составляют полный нуклеотид. Обратите внимание, что ориентация сахара обеспечивает направленность ДНК от 5′ к 3′.
6
Спаривание оснований происходит только между пиримидином и пурином. В частности, гуанин соединяется только с цитозином (образуя три водородные связи, обозначенные зеленым кружком), а аденин соединяется только с тимином (образуя две водородные связи, обозначенные красным кружком).
Липиды
1
Триглицерид (также называемый триацилглицерином) состоит из трех молекул жирных кислот и одной молекулы глицерина. Жирные кислоты присоединяются к молекуле глицерина ковалентной эфирной связью. Длинная углеводородная цепь каждой жирной кислоты делает молекулу триглицерида неполярной и гидрофобной.
2
Пальмитиновая кислота представляет собой жирную кислоту с 16 атомами углерода.
Она называется насыщенной жирной кислотой, потому что все атомы углерода в цепи связаны одинарными связями друг с другом и полностью «насыщены» атомами водорода.
3
Жирные кислоты, такие как пальмитиновая кислота, образуются путем присоединения двух атомов углерода к более мелким молекулам жирных кислот.
4
Клетка может использовать пальмитиновую кислоту для образования других жирных кислот, таких как олеиновая кислота. В этом процессе олеиновая кислота образуется путем добавления двух атомов углерода к пальмитиновой кислоте, а затем путем вставки двойной связи между атомами углерода 9 и 10. Поскольку олеиновая кислота имеет одну двойную связь, она считается мононенасыщенной жирной кислотой.
5
Полиненасыщенные жирные кислоты, такие как линолевая кислота, имеют две или более двойных связи. Двойные связи скручивают эти молекулы и не дают им плотно упаковываться друг в друга. Неплотная упаковка приводит к триглицеридам, которые являются жидкими при комнатной температуре.
Млекопитающие не могут производить линолевую кислоту; это необходимо в рационе.
6
Молекула глицерина составляет основу триглицерида, в котором три гидроксильных (–ОН) группы глицерина образуют сложноэфирные ковалентные связи с тремя молекулами жирных кислот. Ковалентные связи образуются в результате реакций конденсации, в которых вода является побочным продуктом.
7
Триглицериды могут содержать смесь насыщенных, мононенасыщенных и полиненасыщенных жирных кислот. Они обеспечивают концентрированный запас энергии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Структура макромолекулы тесно связана с ее функцией. Рассмотрим, например, нуклеиновую кислоту. Этот тип полимера состоит из цепочки нуклеотидов, соединенных вместе в точной последовательности. Последовательность нуклеотидов представляет собой код, в котором хранится генетическая информация, которую клетка может копировать и передавать следующему поколению клеток.
Точно так же точная последовательность мономеров (аминокислот) в белке также действует как своего рода код.
