Малі молекули, їх особливості та біологічне значення

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Малі молекули, їх особливості та біологічне значення

Малі молекули - це біомолекули з відносно невеликою молекулярною масою від 100 до 1000, які містять до 30 атомів Карбону. На частку малих молекул припадає близько 3% від загальної маси клітини.

Особливості малих молекул. Вони розташовуються у вільному стані в цитоплазмі клітини, завдяки чому можуть швидко переміщуватися завдяки дифузії (у середньому на відстань в 10 мкм за 0,2 с). Досить часто виступають як мономери: мономерами полісахаридів є моносахариди, білків - амінокислоти, нуклеїнових кислот - нуклеотиди. Мономери - прості молекули, які є ланками у ланцюгах біополімерних макромолекул. їм властива здатність до полімеризації, тому в їхньому складі є групи, що реагують з певними групами інших мономерів з утворенням ковалентних зв'язків. Поєднання малих молекул відбувається шляхом видалення молекули води під час реакцій конденсації, а розпад - у результаті обмеженої кількості хімічних перетворень до тих продуктів, з яких синтезувалися. У молекулах неодноразово повторюються певні прості комбінації атомів - функціональні групи - хімічні й фізичні властивості яких і визначають поведінку будь-яких молекул: ОН - гідроксильна група, NH2 - аміногрупа, СООН - карбоксильна група та ін.

Біологічне значення. Функції малих молекул у живих організмах не відрізняються різноманітністю, але є дуже важливими для них. Це: 1) будівельна - участь в утворенні інших, більш складних молекул; 2) енергетична - участь у біохімічних реакціях енергетичного обміну; 3) регуляторна - участь у регуляції процесів і функцій.

Різноманітність малих молекул

До сновних родин малих молекул відносять жирні кислоти, прості цукри, амінокислоти й нуклеотиди.

Моносахариди (прості цукри) - це група вуглеводів, молекули яких у своєму складі мають від трьох до десяти атомів Карбону. Загальна формула моносахаридів - СnН2nОn. Уміст у клітині близько 1% від загальної маси клітини. Можуть мати за однакового хімічного складу різний порядок зв'язків між атомами або групами атомів, що обумовлює існування структурних ізомерів з різними хімічними властивостями (наприклад, глюкоза і фруктоза з формулою С6Н12O6). За фізичними властивостями це білі кристалічні речовини, солодкі на смак (найсолодшою є фруктоза - у 5 разів солодша за глюкозу), добре розчинні у воді, спиртах і нерозчинні у полярних розчинниках. За рахунок наявності декількох гідроксильних груп здатні до полімеризації, утворюють велику кількість оліго - та полісахаридів, у яких поєднуються за допомогою глікозидних зв'зків. Синтезуються із СO2 і води в процесі фотосинтезу в рослин і в процесі глюконеогенезу у тварин. Розпад здійснюється шляхом окиснення з утворенням СO2 і Н2O з виділенням великої кількості енергії (наприклад, окиснення однієї молекули глюкози супроводжується утворенням 38 молекул АТФ). У моносахаридів спостерігається залежність властивостей від хімічного складу, просторового розташування груп, здатності повертати площину поляризованого світла, наявності та кількості функціональних груп та ін. Моносахариди можуть існувати у двох формах - лінійній, коли вуглеводний ланцюг відкритий, та циклічний, коли він замкнений.

У біохімії вуглеводів уже описано понад 50 різних природних моносахаридів. Найпоширенішою є їх класифікація залежно від кількості атомів Карбону в молекулі, згідно з якою назви груп моносахаридів утворюють від грецької назви числівника, що відповідає цій кількості з додаванням закінчення - оза (тріози, тетрози, пентози, гексози, гептози, октози, нанози, декози). Найважливіше значення в живій природі мають пентози і гексози. Пентози - це група моносахаридів, молекули яких містять п'ять атомів Карбону. Із пентоз відомі рибоза і дезоксирибоза, що входять до складу відповідно рибонуклеїнової (РНК) і дезоксирибонуклеїнової (ДНК) кислот. Гексози - це група моносахаридів, молекули яких містять шість атомів Карбону. У природі найпоширенішими є глюкоза і фруктоза, від вмісту яких залежить солодкий смак ягід, меду.

Поширені в організмах як у вільному стані, так і в складі олігосахаридів, полісахаридів та ін. Відіграють важливу роль в обміні речовин, беруть участь у процесах клітинного дихання, бродіння та синтезу складніших вуглеводів. Основними функціями є енергетична (при розщепленні 1 г вивільняється 17,6 кДж енергії) та структурна (є мономерами складних вуглеводів). Важливе значення для життєдіяльності організмів мають і такі похідні моносахаридів, як сахарні спирти (наприклад, манітол у бурих водоростей як запасаюча сполука), сахарні кислоти (аскорбінова кислота, уронові кислоти), глікозиди (серцеві глікозиди конвалії).

Лінійний і циклічний способи зображення глюкози

молекула біологічний глюкоза

Жирні кислоти - це група малих органічних молекул, які за хімічною природою є одноосновними карбоновими кислотами. Загальною формулою жирних кислот є СН3 - (СН2) n - СООН. У молекулі є дві різних частини: довгий гідрофобний карбоновий ланцюг і гідрофільна карбоксильна група. Вміст їх у клітині - близько 1% від загальної маси клітини. Жирні кислоти відрізняються між собою температурою плавлення та розчинністю у воді й органічних розчинниках. Збільшення кількості атомів Карбону в молекулах супроводжується зниженням розчинності у воді та підвищенням температури плавлення.

У воді їх молекули можуть утворювати поверхневу плівку або невеликі міцели (частинки в колоїдних системах, що складаються з гідрофобного ядра і гідрофільної оболонки). Поєднуються жирні кислоти зі спиртами з утворенням ліпідів за допомогою складноефірних зв'язків. їх розпад здійснюється шляхом окиснення з утворенням ацетил-КоА, СO2 і Н2O з виділенням великої кількості енергії (наприклад, окиснення однієї молекули пальмітинової кислоти супроводжується утворенням 130 молекул АТФ). У жирних кислот спостерігається залежність властивостей від хімічного складу, наявності подвійних зв'язків та ін.

За кількістю атомів Карбону жирні кислоти поділяють на: нижчі (до 3 атомів Карбону), середні (4-9 атомів Карбону) та вищі (9-24 атоми Карбону). За особливостями зв'язків розрізняють насичені (не мають подвійних зв'язків) та ненасичені (можуть мати один, два або більше подвійних зв'язки). Найбільш поширеними жирними кислотами є такі насичені жирні кислоти, як масляна, пальмітинова, стеаринова, арахінова, і такі ненасичені жирні кислоти, як олеїнова, лінолева, ліноленова, арахідонова.

Жирні кислоти поширені в організмах як у вільному стані, так і в складі простих і складних ліпідів. Але найважливіший прояв структурної функції жирних кислот - участь у побудові фосфоліпідів клітинних мембран. Жирні кислоти є цінним джерелом енергії, оскільки їх розпад супроводжується виділенням вдвічі більшої кількості енергії, аніж при розпаді такої ж маси глюкози. Ненасичені жирні кислоти (лінолева, ліноленова, арахідонова), які умовно поєднані в групу під назвою «вітамін F», беруть участь у процесах росту і розвитку організму, посилюють захисні реакції тощо. Нестача цього вітаміну в організмі тварин зумовлює припинення росту, викликає дерматити та захворювання внутрішніх органів. Отже, для жирних кислот характерна і структурна, і енергетична, і регуляторна функції.

Амінокислоти - це малі органічні молекули, до складу яких входять аміногрупа і карбоксильна група. Вміст їх у клітині - 0,4% від загальної маси клітини. Загальна формула їх включає карбоксильну групу СООН, аміногрупу NH2 і радикальну групу, яка у різних амінокислот є різною і відрізняє їх одна від одної. За фізичними властивостями амінокислоти - це безбарвні кристалічні речовини, більшість яких розчинна у воді. Вони можуть мати солодкуватий, гіркуватий смак, специфічний запах, але більшість - взагалі без смаку і запаху. Усі термічно малостійкі. Амінокислоти здатні до полімеризації, утворюючи пептиди та білки. У більшості амінокислот є одна СООН (зумовлює кислотні властивості) і одна NH2 (зумовлює основні властивості), які разом визначають амфотерні властивості амінокислот. За рахунок здатності аміногрупи і карбоксильної' групи до йонізації виникають йонні зв'язки, при взаємодії сульфгідрильних груп (-SH) радикалів сірковмісних амінокислот утворюються дисульфід ні зв'язки, при взаємодії Гідрогену з 0 або N в складі груп - ОН чи - NH формуються водневі зв'язки, і при взаємодії NH2 однієї амінокислоти з СООН іншої з виділенням води утворюються пептидні зв'язки. При підвищенні pH виступають у ролі донорів Н+-йонів, а при пониженні - в ролі акцепторів цих йонів, що вказує на їхню здатність діяти в розчинах як буфери. В амінокислот спостерігається залежність властивостей від хімічного складу, складу радикалів, кількості функціональних груп, pH від дії поляризованого світла та ін.

Пальмітинова кислота (C15H31COOH)

Усього з природних джерел виділено понад 200 амінокислот. їх класифікують за будовою радикала, кількістю функціональних груп та ін. За біологічними особливостями амінокислоти поділяють на замінні (наприклад, аланін, аспарагін) і незамінні (лейцин, валін). Перші синтезуються в організмі людини і тварин, а другі не синтезуються і потрапляють до них лише з харчовими продуктами. Для нормальної життєдіяльності організм потребує повного набору з 20 основних L-амінокислот і певних додаткових амінокислот, які є похідними від основних.

Назви основних амінокислот та їхні скорочені позначення

Значення амінокислот, передусім, пов'язане з тим, що вони є мономерами білків (структурна функція) і джерелом енергії (енергетична функція). Однак амінокислоти виконують і деякі специфічні функції. Наприклад, з тирозину синтезується гормон щитоподібної залози - тироксин.

Нуклеотиди - органічні сполуки, молекули яких складаються з азотистої основи, моносахариду і залишків фосфорної кислоти. Вміст їх у клітині - 0,4% від загальної маси клітини. Отже, до складу молекул нуклеотидів входять: 1) азотиста (нітратна) основа (А - аденін, або Г - гуанін, або Т - тимін, або Ц - цитозин, або У - урацил); 2) вуглевод, який представляють пентози (рибоза або дезоксирибоза) і фосфорна кислота. Сполука азотистої основи з пентозою називається нуклеозидом. Нуклеотиди добре розчинні у воді. Вони здатні до полімеризації, утворюючи нуклеїнові кислоти (РНК і ДНК). Проявляють властивості кислот, оскільки містять фосфорну кислоту, а завдяки азотистим основам - основні властивості. У складі нуклеотидів є два види ковалентних зв'язків: глікозидний (між азотистою основою і пентозою) і фосфоефірний (між пентозою і залишком фосфату).

Поєднуються нуклеотиди в полінуклеотидний ланцюг з утворенням міжнуклеотидного 3', 5'-фосфодиефірного зв'язку між пентозою одного нуклеотиду і фосфатом іншого. Нуклеотиди двох ланцюгів поєднуються на основі принципу структурної комплемен - тарності за допомогою водневих зв'язків. Властивості нуклеотидів залежать від складу азотистих основ, пентоз і кількості фосфатних залишків.

Нуклеотиди поділяють на рибонуклеотиди (аденіловий, уридиловий, гуаніловий і цитидиловий) та дезоксирибонуклеотиди (аденіловий, тимідиловий, гуаніловий і цитидиловий). Похідними нуклеотидів є нуклеозиддифосфати (нуклеотиди з двома залишками фосфатної кислоти, наприклад, АДФ, ГДФ), нуклеозидтрифосфати (нуклеотиди з трьома залишками фосфатної кислоти, наприклад, АТФ, ГТФ, ТТФ, ЦТФ), НАДФ, НАД, ФАД та ін.

Нуклеотиди є «будівельними» субодиницями нуклеїнових кислот, у поєднанні з іншими групами утворюють коферменти у складі ферментних систем, наприклад, НАДФ, ФАД (структурна функція)*, беруть участь в енергетичному обміні клітин, наприклад, АТФ (енергетична функція)*, беруть участь у передачі гуморальних сигналів у клітину, наприклад, циклічний АМФ (регуляторна функція) та ін.

Аденозинтрифосфорна кислота - органічна сполука, що належать до вільних нуклеотидів і є універсальним хімічним акумулятором енергії в клітині. Молекула АТФ є нуклеотидом, який складається з аденіну, рибози і трьох фосфатів. При гідролітичному відщепленні фосфатної групи від АТФ вивільняється близько 42 кДж енергії та утворюється АДФ (аденозиндифосфорна кислота). Коли ж від молекули АТФ відщеплюються два фосфати, утворюється АМФ (аденозинмонофосфорна кислота) і звільняється 84 кДж енергії.

Ділянка подвійної спіралі ДНК

У зворотному процесі, при утворенні АТФ з АДФ чи АМФ і неорганічного фосфату, відбувається акумуляція енергії в макроергічних зв'язках, які виникають між залишками фосфорної кислоти. Процеси розщеплення і утворення АТФ відбуваються постійно відповідно до схеми:

Отже, основна функція АТФ - це енергетична, оскільки бере участь у енергетичному обміні, запасаючи в своїх макроергічних зв'язках значну кількість енергії. Крім енергетичної функції, АТФ у клітинах є також універсальним джерелом фосфатних груп.

Більшість макромолекул можна поєднати в декілька класів: білки, нуклеїнові кислоти, вуглеводи і ліпіди.

Размещено на Allbest.ru