Органические вещества живой материи

Вода с растворенными в ней солями – необходимая среда для химических процессов, из которых слагается жизнь. Однако, сама жизнь – это всевозможные превращения множества разнообразных крупных молекул, главным элементом в которых является углерод.

Вещества, в состав которых входят атомы углерода, называются органическими. Лишь простейшие углеродсодержащие соединения, вроде оксида углерода (IV) – CO₂ или солей угольной кислоты (NaHCO₃; Na₂CO₃), считаются неорганическими. К неорганическим веществам относятся и все соединения, не содержащие углерода, хотя многие из них присутствуют в клетке.

Уникальная роль углерода в химии жизни связана со строением его атомов. Один атом углерода способен образовывать четыре ковалентные связи, а большое число таких атомов может объединяться в длинные цепи. Иногда концы углеродных цепей соединяются, так что возникают кольцевые структуры.

Атомы углерода могут образовывать связи с атомами некоторых других элементов, обычно это Н, О, N, S. Углеродные цепи и кольца составляют «скелеты» органических молекул.

Углерод – единственный элемент, способный образовывать достаточное количество разного рода сложных и стабильных соединений, чтобы обеспечить многообразие молекул, обнаруживаемое у живых существ.

Нам уже известно, что к органическим веществам живой материи относятся углеводы, жиры, нуклеиновые кислоты, белки, а также АТФ и другие низкомолекулярные органические соединения. Начнем характеризовать роль органических веществ в «химии» жизни с жиров.

Содержание липидов в клетке и в организме

Липиды – обширная группа природных органических веществ. Название их происходит от греческого слова липос – жир, так как они включают жиры (собственно липиды) и жироподобные вещества (липоиды). В каждой клетке животного или растительного организма содержится вполне определенное количество липидов.

Животные жиры содержатся в молоке, мясе, подкожной клетчатке, у растений – в семенах, плодах и других органах. Растительные жиры называются маслами.

В среднем содержание жира в клетках – около 5–10% от массы сухого вещества. Существуют, однако, клетки, содержание жира в которых достигает почти 90% от сухой массы. Эти наполненные жиром клетки имеются в жировой ткани.

Свободный жир можно условно разделить на две большие группы: протоплазматический (конституционный) и резервный.

Протоплазматический жир участвует в построении каждой клетки. Он входит в состав мембранных внутриклеточных структур. Количество протоплазматического жира постоянно и практически не меняется ни при каких состояниях организма. Например, у человека протоплазматический жир составляет около 25% всего жира, находящегося в организме.

Резервный жир представляет собой очень удобную форму консервирования энергии. Это связано с тем, что калорийность жира почти в два раза выше калорийности белков и углеводов. Количество резервного жира может меняться в зависимости от различных условий (пол, возраст, характер активности, режим питания и т.д.). У человека депо жира являются подкожная клетчатка, сальник, околопочечная капсула и др.

Богаты жиром клетки мозга, спермы, яичников – в них его количество составляет 7,5–30%.

В организме наряду со свободным жиром имеется большое количество жира, связанного с углеводами и белками.

Строение и свойства липидов

Схема строения жиров

Липиды – органические соединения с различной структурой, но общими свойствами. По химической структуре жиры представляют собой сложные эфиры трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот.

R1, R2, R3 – это радикалы жирных кислот. Из них чаще всего встречаются пальмитиновая [СН3–(СН2)15–СООН], стеариновая [СН3–(СН2)16–СООН], олеиновая [CH3–(CH2)7–СН=СН–(СН2)7–СООН] жирные кислоты. Все жирные кислоты делятся на две группы: насыщенные, т.е. не содержащие двойных связей, и ненасыщенные, или непредельные, содержащие двойные связи.

Из приведенных выше формул видно, что к насыщенным кислотам принадлежат пальмитиновая и стеариновая кислоты, а к ненасыщенным – олеиновая. Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Растительные жиры богаты непредельными жирными кислотами, они являются легкоплавкими – жидкими при комнатной температуре. Животные жиры при комнатной температуре твердые, так как содержат главным образом насыщенные жирные кислоты.

Из формулы жира видно, что его молекула, с одной стороны, содержит остаток глицерина – вещества, хорошо растворимого в воде, а с другой – остатки жирных кислот, неполярные углеводородные цепочки которых в воде практически нерастворимы (атомы углерода и водорода притягивают электроны с приблизительно равной силой). Неполярные цепи жирных кислот поэтому тяготеют к неполярным органическим веществам (хлороформ, эфир, масло). Благодаря этой особенности молекулы липидов располагаются на поверхности раздела между водой и неполярными органическими соединениями или между водой и воздушной фазой, ориентируясь таким образом, чтобы их полярные части были обращены к воде.

Такая ориентация молекул липидов по отношению к воде играет очень важную роль. Тончайший слой этих веществ, входящий в состав клеточных мембран, препятствует смешиванию содержимого клетки или отдельных ее частей с окружающей средой.

Таким образом, липиды – небольшие молекулы с преобладанием гидрофобных свойств.

Классификация липидов

В живых организмах встречаются разные липиды. По особенностям строения выделяют несколько групп липидов.

1. Простые липиды (жиры, воска). Их молекулы состоят из жирных кислот в соединении с глицерином – жиры или другими одноатомными спиртами – воска. Воска образуют защитную смазку на коже, шерсти и перьях, покрывают листья и плоды высших растений, а также кутикулу наружного скелета у многих насекомых. Эти вещества очень гидрофобны.

2. Сложные липиды – состоят из глицерина, жирных кислот и других компонентов. К этой группе относятся: фосфолипиды (производные ортофосфорной кислоты, входят в состав всех клеточных мембран); гликолипиды (содержат остатки сахаров, их много в нервной ткани); липопротеиды (комплексы липидов с белками).

3. Стероиды – небольшие гидрофобные молекулы, являющиеся производными холестерина. К ним относятся многие важные гормоны (половые гормоны и гормоны коркового слоя надпочечников), терпены (эфирные масла, от которых зависит запах растений), некоторые пигменты (хлорофилл, билирубин), часть витаминов (А, D, Е, К) и др.