Садчикова Е.В. Химический состав клетки
Подождите немного. Документ загружается.
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 31 из 42
Амилопектин
O
H OH
O
H
CH
2
OH
H
OH H
H
O
CH
2
O
O
H OH
H
CH
2
OH
H
OH H
H
O
O
H OH
H
CH
2
OH
H
OH H
H
O
H OH
H
CH
2
OH
H
OH H
H
O
O
H OH
H
H
OH H
H
O
O
Гликоген – резервное питательное вещество организма, служащее источни-
ком глюкозы. Иначе его называют «животный крахмал». В организме человека он
накапливается в печени (~20 %) и в мышцах (~2 %). Гликоген по структуре близок
к амилопектину, но имеет более высокую степень ветвления, поэтому молекула
гликогена более компактна. Гликоген – не однообразное вещество, а представляет
собой смесь полисахаридов
разной молекулярной массы. Часть его находится в со-
единении с белком.
Целлюлоза – наиболее распространенное органическое соединение. Она
встречается в растительном мире в качестве основного структурного компонента
клеточной стенки. Особенно богаты целлюлозой волокна хлопка (98
–99 %). Цел-
люлоза состоит из остатков глюкозы, связанных между собой β-1,4-гликозидными
связями.
Целлюлоза
O
O
H OH
H
CH
2
OH
H
OH H
H
O
O
H OH
H
CH
2
OH
H
OH H
H
O
O
H OH
H
CH
2
OH
H
OH H
H
O
O
H OH
H
CH
2
OH
H
OH H
H
O
Структура целлюлозы хорошо отвечает ее биологической задаче. Отдельные
цепи целлюлозы связаны между собой водородными связями, что способствует об-
разованию волокнистой и очень прочной структуры. В клеточных стенках расте-
ний волокна целлюлозы плотно упакованы в слои, которые дополнительно стаби-
лизированы другими соединениями полисахаридной природы.
Целлюлоза не имеет питательной ценности для высших
животных и челове-
ка, так как пищеварительные секреты слюны и ферменты микрофлоры желудочно-
кишечного тракта не способны расщеплять β-1,4-гликозидные связи до глюкозы.
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 32 из 42
Гиалуроновая кислота – гетерополисахарид, имеющий очень важное значе-
ние для высших организмов. В соединительной ткани это основной компонент
внеклеточного желатинообразного вещества, заполняющего межклеточное про-
странство тканей. Она содержится в больших количествах в синовиальной жидко-
сти суставов. Стекловидное тело и пуповина новорожденных также богаты гиалу-
роновой кислотой.
Гиалуроновая кислота
O
NH
C
O
CH
3
O
H
H
CH
2
OH
HO
H
H
H
O
O
H OH
H
H
OH H
H
COOH
O
NH
C
O
CH
3
O
O
H
H
CH
2
OH
HO
H
H
H
O
O
H OH
H
H
OH H
H
COOH
В структурном отношении молекула представляет собой линейный полиса-
харид, образованный дисахаридными повторяющимися звеньями, состоящими из
остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина, соединенных β-1,3-
гликозидной связью. Повторяющиеся дисахаридные звенья связаны между собой
β-1,4-связью.
Хондроитинсульфат является составной частью костной ткани, хрящей,
сухожилий, роговицы глаз, сердечных клапанов и
других подобных тканей.
Повторяющееся дисахаридное звено в хондроитинсульфате состоит из глю-
куроновой кислоты и N-ацетилгалактозаминсульфата, звенья соединены друг с
другом β-1,3- и β-1,4-гликозидными связями, подобно связям в гиалуроновой ки-
слоте.
Хондроитинсульфат
O
OS
O
OH
OCH
2
NH
C
O
CH
3
O
O
H
H
H
HO
H
H
O
O
H OH
H
H
OH H
H
COOH
OS
O
OH
OCH
2
NH
C
O
CH
3
O
H
H
H
HO
H
H
O
O
H OH
H
H
OH H
H
COOH
O
Гепарин – гетерополисахарид, препятствующий свертыванию крови у жи-
вотных и человека (природный антикоагулянт). Гепарин содержится в крови, пече-
ни, легких, селезенке, щитовидной железе и в других тканях и органах. Молекула
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 33 из 42
гепарина состоит из глюкуроновой кислоты и α-глюкозамина в виде двойного
сульфопроизводного, соединенных между собой α-1,4-гликозидными связями.
Гепарин
O
OS
O
OH
OCH
2
NH
S
O
OH
OH
O
H
H
H
H
O
O
H
O
H OH
H
OH H
H
COOH
OS
O
OH
OCH
2
NH
S
O
OH
OH
H
O
H
H
H
H
O
O
H OH
H
H
OH H
H
COOH
O
O
O
Муреин в качестве структурного полисахарида придает прочность клеточ-
ным стенкам бактерий. В муреине чередуются остатки двух различных моносаха-
ридов, связанных в положении β→1,4: N-ацетилглюкозамина и характерной для
муреина N-ацетилмурамовой кислоты. Последняя является простым эфиром мо-
лочной кислоты с N-ацетилглюкозамином. В клеточной стенке карбоксильная
группа молочной кислоты связана
амидной связью с пептидом, который соединяет
отдельные цепи муреина в трехмерную сетчатую структуру.
Хитин, гомополимер из N-ацетилглюкозамина, связанного в положении
β→1,4, является основным компонентом наружного скелета насекомых и панциря
ракообразных. Кроме того, хитин входит в состав клеточных стенок мицелия гри-
бов.
Биологические функции полисахаридов
• Энергетическая: за счет окисления
углеводов организм получает 50 % необ-
ходимой энергии, которая накапливается в виде АТФ (при окислении 1 г угле-
водов образуется 17,6 кДж энергии). Крахмал и гликоген составляют «депо»
углеводов в клетке; при необходимости они быстро расщепляются на легко ус-
ваиваемый источник энергии – глюкозу.
• Запасающая: полисахариды откладываются в виде зерен крахмала (амилопек-
тин), гликогена; у
человека в печени запасается 6 %, в мышцах – 0,5– 2 %.
• Структурная (опорная): гиалуроновая кислота и муреин являются структур-
ными межклеточными веществами. В клетках растений клеточная стенка со-
стоит из целлюлозы (клетчатка), у бактерий – из мурамина, у грибов – из хити-
на. Хрящи человека – хондроитинсульфат.
• Защитная: полисахариды входят в состав клеточных стенок мембран и
участ-
вуют в защитных реакциях организма, обеспечивая иммунитет. Хитин – слож-
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 34 из 42
ный углевод, образующий с другими веществами наружный слой членистоно-
гих.
• Пластическая: полисахариды используются в синтезе сложных белков (гли-
копротеинов), ферментов, гормонов, липидов и некоторых аминокислот.
• Барьерная: антигены по своей химической структуре являются гликопротеи-
дами (антигенная специфичность углеводов). Некоторые углеводы являются
рецепторами для связывания различных токсинов.
• Гидроосмотическая и ионрегулирующая
: гиалуроновая кислота, благодаря
высокой гидрофильности и отрицательному заряду, связывает межклеточную
воду и катионы, регулируя межклеточное осмотическое давление.
• Регуляторная: клетчатка, попавшая в кишечник, вызывает его раздражение и
способствует перистальтике.
3.3. Липиды
К липидам (от греч. lypos – жир) относят органические вещества, кото-
рые извлекаются из клеток животных, растений и микроорганизмов неполяр-
ными органическими растворителями (бензол, гексан, эфир) и по химическо-
му строению содержащие до 90 % углеводородов. Липиды нерастворимы в воде,
но хорошо растворимы в малополярных и неполярных органических растворителях
(эфир, бензин, хлороформ, бензол).
Липиды встречаются почти во всех клетках (5–15 % от сухой массы клетки)
и составляют 10– 20 % от массы тела человека. В теле взрослого
человека содер-
жится 10– 12 кг липидов, из которых 2–3 кг приходится на структурные липиды.
Подавляющая часть резервных липидов (до 98 %) сосредоточена в жировой ткани.
Нервная ткань содержит до 25 % структурных липидов, а биологические мембраны
– 40 % (от сухой массы).
В класс липидов попадает обширная группа соединений, имеющих разную
структуру и биологические функции. По своей химической природе
липиды – это
сложные эфиры высших жирных кислот (ВЖК) и разнообразных спиртов. В клетке
липиды обычно встречаются в соединении с белками, образуя липопротеиды, или с
фосфатной группой, образуя фосфолипиды, соединяясь с глюкозой, они образуют
гликозиды и т. д. Они содержатся в клеточных мембранах, в ядре и других орга-
неллах, имеющих мембранное строение
. Животные жиры (кроме рыбьего жира)
обычно твёрдые, а растительные жиры или масла (кроме кокосового масла) обычно
жидкие.
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 35 из 42
Кроме липидов в клетке встречаются жироподобные вещества липоиды, на-
пример воски, которые покрывают тонким защитным слоем листья и плоды многих
растений, а у позвоночных животных вырабатываются в кожных железах и смазы-
вают волосы, шерсть, перья, предохраняя их от действия воды. Являясь предшест-
венниками ряда гормонов, липиды принимают участие в регуляции многих
важных
функций организма.
По физиологическому значению липиды делят на резервные и структурные.
Резервные липиды депонируются в больших количествах и при необходимости
расходуются для энергетических нужд организма. К резервным липидам относят
триглицериды. Все остальные липиды можно отнести к структурным липидам.
Биологические функции липидов
Энергетическая: при окислении липидов в организме выделяется
энергия (при
окислении 1 г липидов выделяется 39,1 кДж).
Запасающая: содержащиеся в подкожной клетчатке млекопитающих липиды
используются при недостатке корма; они также являются источником эндоген-
ной воды, особенно у животных пустыни.
Структурная: липиды являются одним из основных компонентов биологиче-
ских мембран и клеточных структур (в основном, фосфолипиды).
Транспортная: липиды участвуют
в транспорте веществ через липидный слой
биомембран.
Механическая (защитная): липиды соединительной ткани, окружающей внут-
ренние органы, и подкожного жирового слоя предохраняют органы от повреж-
дений при внешних механических воздействиях, являясь хорошими амортиза-
торами.
Теплоизолирующая: благодаря своей низкой теплопроводности липиды сохра-
няют тепло в организме, предохраняя его от переохлаждения
.
Классификация липидов
По строению и по функциям липиды очень отличаются друг от друга. Так, в
зависимости от способности подвергаться гидролизу с образованием в основных
средах солей высших карбоновых кислот липиды делят на:
омыляемые – нейтральные жиры, воски, эфиры стеринов, фосфолипиды,
гликолипиды и т.д.;
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 36 из 42
неомыляемые – предельные углеводороды, каротиноиды, сквалены, жирорас-
творимые витамины D, E, K, спирты с длинной алифатической цепью, цикличе-
ские стерины (например, холестерин), стероиды (эстрадиол, тестостерон) и тер-
пены.
В зависимости от числа компонентов, входящих в структуру липида, они
также подразделяются на:
простые (двухкомпонентные) – жиры, воски (характерны для растений) и сте-
риды;
сложные (многокомпонентные) – фосфолипиды, гликолипиды, диольные и ор-
нитинолипиды (характерны для микроорганизмов).
1. Нейтральные жиры (триглицериды, ацилглицерины) – это сложные эфи-
ры ВЖК и трехатомного спирта глицерина. Среди триглицеридов различают про-
стые и смешанные. В состав первых входят три одинаковые ВЖК. Смешанные
триглицериды построены из остатка глицерина и трех разных ВЖК:
CH
2
CH
CH
2
O
O
O
COC
17
H
35
COC
17
H
35
COC
17
H
35
CH
2
CH
CH
2
O
O
O
CO-(CH
2
)
7
-CH=CH-(CH
2
)
7
-CH
3
CO-(CH
2
)
7
-CH=CH-(CH
2
)
7
-CH
3
CO-(CH
2
)
7
-CH=CH-(CH
2
)
7
-CH
3
Тристеарин Триолеин
CH
2
CH
CH
2
O
O
O
CO-(CH
2
)
14
-CH
3
CO-(CH
2
)
16
-CH
3
CO-(CH
2
)
16
-CH
3
Пальмитодистеарин
Природные жиры представляют собой смесь разнообразных триглицеридов,
в которой преобладают смешанные триглицериды.
В зависимости от количества ацильных групп в молекуле ацилглицерина
жиры подразделяют на моно-, ди- и триглицериды:
CH
2
CH
CH
2
O
O
O
COR
1
COR
2
H
CH
2
CH
CH
2
O
O
O
COR
1
H
H
CH
2
CH
CH
2
O
O
O
COR
1
COR
2
COR
3
1-моноацилглицерин 1,2-диацилглицерин триацилглицерин
(триглицерид)
Впервые глицериды синтетически были получены Бертло (1854 год) нагре-
ванием до 200 °С смеси глицерина с жирными кислотами в присутствии минераль-
ных кислот.
Жирные кислоты – это карбоновые кислоты с длинной алифатической це-
пью. Высшие жирные кислоты (ВЖК) являются основными гидрофобными компо-
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 37 из 42
нентами липидов. Большинство ВЖК представляет собой монокарбоновые кисло-
ты, содержащие линейные углеводородные цепи с четным числом атомов углерода
(обычно С
12
-С
20
). Среди ВЖК часто встречаются ненасыщенные кислоты с одной
или несколькими двойными связями.
Среди насыщенных природных ВЖК особенно распространены пальмитино-
вая и стеариновая кислоты, они найдены во всех тканях животных и человека. Сре-
ди ненасыщенных кислот – олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты. В орга-
низме высшие жирные кислоты в свободном виде содержатся
в незначительных
количествах.
CC
H
CH
2
(CH
2
)
7
-COOH
H
CC
H
CH
2
H
CC
H
CH
2
H
CH
3
линоленовая кислота
CC
H
(CH
2
)
7
-COOH
H
H
3
C-(CH
2
)
7
олеиновая кислота (цис-форма)
CC
H
CH
2
(CH
2
)
7
-COOH
H
CC
H H
H
3
C-(CH
2
)
4
линолевая кислота
СН
3
-(СН
2
)
14
-СООН
пальмитиновая кислота
СН
3
-(СН
2
)
16
-СООН
стеариновая кислота
Триглицериды составляют основную массу природных нейтральных жиров,
являющихся основными запасными компонентами клеток. При обработке жиров и
масел щелочью происходит их гидролиз (омыление) с образованием глицерина и
высших карбоновых кислот, которые поэтому также называют «жирными кислота-
ми». Соли высших карбоновых кислот являются мылами.
2. Воски – это эфиры высших жирных кислот или
монооксикислот и алифа-
тических спиртов с длинной углеродной цепью; по своей структуре и свойствам
близки к нейтральным липидам.
R
1
H
2
C
O
C
R
2
O
R
1
-CH
2
-OH
R
2
-COOH
одноатомный первичный спирт
жирная кислота
В качестве спиртов в липидах встречаются спирты с прямой цепью (цетило-
вый (СН
3
-(СН
2
)
13
-СН
2
ОН), октадециловый (С
18
Н
35
ОН), мирициловый), спирты с β-
иононовым кольцом (витамин А, каротинолы) и стеариновым скелетом (стеарины).
К воскам относят эфиры холестерина (эргостерины), обнаруженные в дрожжах в
количестве 0,7–1,5 %, и эфиры витаминов A и D.
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 38 из 42
Стериды – это сложные эфиры ВЖК и полициклических спиртов (стеро-
лов). Свободные стеролы и родственные им соединения представляют большую
фракцию природных соединений. В организме человека лишь 10 % стеролов пред-
ставлены стеридами; 90 % находятся в свободном состоянии и образуют неомы-
ляемую (негидролизующуюся) фракцию. Стеролы имеют довольно сложное строе-
ние, поэтому ограничимся рассмотрением структуры наиболее важного
в функцио-
нальном отношении для организма человека стерола – холестерола:
OR
OH
Эстрадиол
OH
O
ТестостеронR = H - холестерол
R = COC
15
H
31
- пальмитохолестерид
Стериды образуются в результате этерификации стеролов высшими жирны-
ми кислотами (в основном, пальмитиновой, стеариновой и олеиновой).
В организме животных и человека стеролы окисляются с образованием сте-
роидов. К ним относятся холевые кислоты (ингредиенты желчи, способствующие
всасыванию жирных кислот в кишечнике), стероидные гормоны (например, эстра-
диол и тестостерон – женской и мужской
половые гормоны, соответственно).
3. Фосфолипиды – сложные эфиры многоатомных спиртов и высших жир-
ных кислот, содержащие остатки фосфорной кислоты и связанные с нею добавоч-
ные соединения (аминоспирты, аминокислоты и др.). Наличие гидрофильной и
гидрофобной частей в молекуле липидов определяет их участие в построении кле-
точных структур. То есть, липиды – это структурные компоненты
клетки, которые
входят в состав различных мембран, в том числе, цитоплазматической, играя суще-
ственную роль в характере ее проницаемости. Липиды митохондрий также в ос-
новном фосфолипиды. Полагают, что они ответственны за структуру и пространст-
венное расположение ферментов дыхательной цепи и принимают активное участие
в переносе электронов. Фосфолипиды в зависимости от
спирта, входящего в их со-
став, подразделяют на фосфатиды и сфингофосфолипиды.
В состав фосфатидов (фосфоглицеридов, глицерофосфатов) входит глице-
рин. Их рассматривают как производные фосфатидной кислоты, откуда и происхо-
дит название этой группы фосфолипидов:
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 39 из 42
CH
2
CH
CH
2
O
O C
P
OC
O
R
2
R
1
O
O
OH
O
H
гидрофобная часть
гидрофильная часть
Фосфатидная
кислота
Фосфатиды различаются высшими жирными кислотами и добавочными со-
единениями, входящими в их состав. К ним, в основном, относятся спирты – гли-
церин, инозит, серин, этаноламин и холин:
OCH
2
CH
COO
-
N
+
H
3
CH
2
CH
CH
2
O
O C
P
OC
O
R
2
R
1
O
O
OH
CH
2
CH
CH
2
O
O C
P
OC
O
R
2
R
1
O
O
OH
O CH
2
CH
2
N
+
CH
3
CH
3
CH
3
фосфатидилхолин
(лецитин)
CH
2
CH
CH
2
O
O C
P
OC
O
R
2
R
1
O
O
OH
O CH
2
CH
2
NH
2
фосфатидилэтаноламин
(кефалин)
фосфатидилсерин
Наиболее распространены в природе лецитины.
Лецитин, кефалин и фосфатидилсерин в организме могут превращаться друг
в друга:
фосфатидилэтаноламин (кефалин) образуется в результате реакции декар-
боксилирования фосфатидилсерина;
фосфатидилхолин (лецитин) – в результате переноса на остаток этаноламина
в молекуле фосфатидилэтаноламина (кефалина) трех метильных групп.
Сфингофосфолипиды – производные ненасыщенных алифатических ами-
носпиртов с длинной
цепью, сфингозина и жирной кислоты, содержащей дополни-
тельно остаток фосфорной кислоты, атом водорода в которой замещен спиртовой
группой. По своей химической структуре сфинголипиды являются производными
1-алкил-2-дезокси-2-аминоглицеринов, поэтому они имеют некоторое внешнее
сходство с фосфатидами.
Садчикова Е.В., Селезнева И.С. Химический состав клетки
ГОУ ВПО УГТУ–УПИ – 2005
Стр. 40 из 42
Сфингозин:
NH
2
CHCH
CH
3
-(CH
2
)
12
CH
OH
CH
CH
2
OH
обычно свободна
в церебрамидах - свободна;
в сфингомиелинах - этерифицирована
через N жирные кислоты
свя заны со сфингозином
N
H
C
O
CH
3
-(CH
2
)
14
OCHCH
CH
3
-(CH
2
)
12
CH
OH
CH CH
2
P
O
O
OH
CH
2
CH
2
N
CH
3
CH
3
CH
3
+
холин
Н
3
РО
4
сфингозин
пальмитиновая
кислота
неполя рная часть
поля рная часть
Большое количество сфингофосфолипидов содержится в нервной ткани и
крови человека. В плазме крови присутствует 8–15% сфингофосфолипидов, а в
мембранах эритроцитов – 30-40 % (от общего содержания липидов).
4. Гликолипиды. В состав гликолипидов входит сфингозин, ВЖК и угле-
водный компонент. Они не содержат молекулу фосфорной кислоты, но, также, как
фосфолипиды, являются сильнополярными соединениями. Полярный участок –
гидрофильные углеводные группы (глюкоза, галактоза, манноза, глюкозамин, га-
лактозамин и их ацетильные производные либо олигосахаридные цепи, состоящие
из перечисленных моносахаридов). Высшие жирные кислоты, входящие в состав
гликолипидов, весьма разнообразны. Гликолипиды обнаружены в головном мозге.
Гликозилдиацилглицерины – простейшие гликолипиды (углевод ковалентно
связан с липидной частью).
Цереброзиды входят в состав оболочек нервных тканей; содержат
остаток
углевода, сфингозина и жирной кислоты.
O
OH
OH
OH
CH
2
OH
OCHCH
CH
3
-(CH
2
)
12
CH
OH
CH
N
H
C
O
R
CH
2
O
OH
OH
OH
CH
2
OH
OCH
2
CH
CH
2
O
O
COCH
3
COCH
3
Гликозилдиацилглицерины Цереброзиды
Ганглиозиды обнаружены в нервных тканях на внешней поверхности кле-
точных мембран. Это сложные, богатые углеводами, липиды с крупными молеку-
лами. Впервые были выделены из серого вещества мозга. Также в своей структуре
содержат сфингозин, жирную кислоту и углеводную часть, которая представлена
олигосахаридами (20-30 остатков углеводов, том числе нейраминовая кислота).