А теперь вас ждет увлекательное знакомство со строительными материалами, из которых сделаны клетки.
Молекулярно-генетический уровень организации – это базовая основа жизни. Все, что происходит в живом организме, все биологические процессы, все эмоции и все мысли являются результатами реакций между различными молекулами, и каждый организм состоит из молекул органических и неорганических веществ. Жизнь на молекулярно-генетическом уровне изучает наука, которая называется молекулярной биологией. Молекулярная биология тесно связана с биохимией и генетикой.
Главная особенность молекулярно-генетического уровня организации жизни заключается в том, что на этом уровне осуществляется важнейший жизненный процесс – превращение энергии солнечных лучей в энергию химическую, которая сохраняется в химических связях органических веществ и в таком виде может использоваться живыми организмами. Большинство живых организмов на нашей планете прямо или опосредованно питают солнечные лучи. Солнечная энергия усваивается растениями. Растения поедают травоядные животные, которыми, в свою очередь, питаются хищники. А после смерти все живое становится пищей для сапрофитов – растений, грибов и бактерий, питающихся органическим веществом умерших организмов.
Обратите внимание на слово «большинство». Большинство живых организмов питают солнечные лучи, но есть на нашей планете организмы, для которых источником энергии служат химические реакции с участием неорганических соединений. Такой способ питания, называемый хемосинтезом, доступен некоторым одноклеточным организмам (только одноклеточным, все многоклеточное питается солнцем). Хемосинтезирующие организмы, или хемотрофы 2 могут жить в океанских глубинах и в земной коре. Им не нужны ни солнечный свет, ни останки других организмов. Был бы сероводород, или углекислый газ, или аммиак, или еще что-то неорганическое, неживое.
На первом месте в нашем каталоге строительных материалов стоит вода, которую заслуженно называют «основой жизни». Биологическое значение воды трудно переоценить, настолько оно огромно.
В первую очередь вода служит основой внутренней среды организмов и внутриклеточной среды. Вода обеспечивает транспорт веществ в клетках и организмах. Вода служит средой для химических реакций и участвует во многих реакциях, протекающих в живых организмах. А еще вода является средой обитания для многих организмов и вообще жизнь на нашей планете зародилась в воде.
Организм человека примерно на 60 % состоит из воды, то есть ее содержание больше, чем содержание всех других веществ вместе взятых. Нередко можно встретить другие цифры – 70 % или 80 %. Дело в том, что большинство клеток живых организмов содержат 70–80 % воды, но в костных клетках ее около 20 %, а в зубной эмали, самой твердой ткани организма – примерно 10 %. Поэтому в целом наш организм содержит именно 60 % воды, а не 70 % и не 80 %.
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 3или 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.
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