Біологічні полімери. Одна з характерних особливостей будь-якого живого організму чи клітин, з яких він побудований, — це хімічний склад, основу якого становлять біологічні полімери. Полімерами (від грец. полі — багато і мерос — частина) називають будь-які гігантські молекули, що складаються з однакових частин — мономерів (від грец. монос — один і мерос — частина) — доволі простих органічних молекул, які здатні взаємодіяти між собою і повторюються сотні, тисячі та навіть мільйони разів, утворюючи дуже довгі ланцюги. (іл. 4.1).

Найбільш відомими біополімерами є полісахариди, білки та нуклеїнові кислоти.

Вуглеводи. Органічні сполуки із загальною формулою Сn(Н2O)m мають назву вуглеводи. їх поділяють на прості й складні.

Прості вуглеводи, або моносахариди. Основою моносахаридів (від грец. монос — один, єдиний; сахар — цукор та ейдос — вигляд), що трапляються у клітинах тварин і рослин, є карбоновий ланцюг від 3 до 7 атомів, до яких приєднуються атоми Гідрогену, Оксигену та гідроксильні групи. При цьому один з атомів Карбону має подвійний зв’язок з атомом Оксигену. Отже, моносахариди — це складні багатоатомні спирти. До складу простих вуглеводів, так само, як і до складу жирів, входять лише Карбон, Гідроген та Оксиген у співвідношенні 1C : 2Н : 10.

Іл. 4.1. Схема будови полімерної молекули: а — мономер; б — полімер

Іл. 4.2. Структурні формули глюкози та фруктози

Для молекул моносахаридів притаманна полярність, вони розчиняються у воді, а у твердому стані мають вигляд кристалів. Звичайними шестиатомними моносахаридами живих організмів є глюкоза та фруктоза (іл. 4.2).

За своїм хімічним складом ці дві речовини однакові й мають молекулярну формулу С6Н12O6. Це означає, що ці дві сполуки є ізомерами (від грец. ізос — однаковий і мерос — частина), тобто розрізняються за характером зв'язків атомів у молекулі, маючи при цьому однаковий склад атомів. Формули глюкози та фруктози різні — у глюкози подвійний зв'язок з атомом Оксигену, утворений на першому атомі карбонового ланцюга, а у фруктози — на другому.

Ключову роль у метаболізмі тварин та рослин відіграє глюкоза, яку ще називають виноградним цукром. Саме ця органічна речовина утворюється в рослин унаслідок фотосинтезу та є первинним джерелом енергії в клітинах тварин та рослин.

Глюкоза — найважливіший компонент крові людини. Недостатня кількість цієї речовини в крові спричиняє порушення діяльності мозку, непритомність і навіть може призвести до смерті. Крім того, глюкоза — це вихідний продукт для багатьох речовин, а тому є головною речовиною біологічного синтезу.

Фруктоза, або фруктовий цукор, також має велике значення для метаболізму рослин і у вільному вигляді міститься в листі й плодах. Це найсолодший із цукрів. Фруктоза становить понад 50 % усіх речовин бджолиного меду та, як і глюкоза, є компонентом більш складних сполук, необхідних для клітини.

Складні вуглеводи, або полісахариди. У певних умовах моносахариди здатні сполучатися одні з одними, виділяючи при цьому молекули води. Тому складні вуглеводи, на відміну від простих, мають іншу загальну формулу Сn(Н2O)n-1. Олігосахариди (від грец. оліго — малий і сахар) можуть містити від двох до чотирьох залишків молекул моносахаридів. Найпоширенішим олігосахаридом є сахароза (тростинний цукор), що складається із залишків фруктози та глюкози (іл. 4.3). Це і є наш побутовий цукор.

У природному вигляді сахароза міститься лише в рослинах, де виконує функцію транспортування молекул моносахаридів. Крім сахарози, у тканинах рослин містяться и інші дисахариди, зокрема — мальтоза, що складається з двох молекул глюкози.

Іл. 4.3 Циклічна формула сахарози

У молоці ссавців міститься лактоза, до складу якої входять глюкоза та ще один моносахарид — галактоза, який також є ізомером глюкози. Усі зазначені дисахариди мають ту ж саму молекулярну формулу — С12Н22О11, але в них різні фізичні й хімічні властивості.

Моно- й олігосахариди, що мають спільну назву цукри, характеризуються солодким смаком, розчиняються у воді й здатні в сухому стані кристалізуватися.

Особливу групу вуглеводів становлять полісахариди (від грец. полі — багато і сахар). Це один з різновидів біологічних полімерів, мономерами яких є різні моносахариди. Залишки моносахаридів у такій молекулі зібрані в один довгий розгалужений ланцюг. Полісахариди мають зовсім інші фізичні властивості, ніж цукри. Вони не здатні розчинятися у воді і в сухому вигляді нагадують порошок.

Молекулярна маса полісахаридів може сягати тисяч і навіть мільйонів. Тому їх відносять до біологічних макромолекул.

Функції полісахаридів.

• Енергетична функція. Вуглеводи — це універсальне та важливе джерело енергії в клітині. Будь-яка функція будь-якого організму так чи інакше пов'язана з окисненням вуглеводів до СО2 і Н2O. Унаслідок повного розщеплення 1 г будь-якого вуглеводу виділяється 17,6 кДж енергії.

• Функція запасання. Глюкоза добре розчиняється у воді й легко проникає крізь клітинну мембрану, тому накопичити її в клітині неможливо. Надлишок глюкози в клітині перетворюється на нерозчинні у воді полісахариди, які у твердому стані відкладаються в цитоплазмі. У рослин основним резервним полісахаридом є крохмаль (іл. 4.4), утворений із залишків молекул глюкози. Нестача глюкози в організмі поповнюється шляхом гідролізу крохмалю.

Іл. 4.4. Молекула крохмалю

У тварин основним резервним полісахаридом є глікоген. Він, як і крохмаль, складається з молекул глюкози, але має більш розгалужену будову (іл. 4.5) й краще розчиняється у воді.

Іл. 4.5. Молекула глікогену

В організмі людини глікоген накопичується у вигляді внутрішньоклітинних включень у тканинах печінки та м'язів. У разі дефіциту енергії глікоген розпадається, і глюкоза, що вивільнилась, швидко розноситься кров'ю по організму.

• Опорна функція. Клітини рослин вкриває тверда оболонка, побудована з полісахариду целюлози, або клітковини. Вона так само, як і резервні вуглеводи — крохмаль та глікоген, побудована з молекул глюкози, які, однак, мають іншу просторову організацію молекул. Завдяки цьому зв'язки між такими молекулами глюкози значно міцніші. Целюлоза не лише не розчиняється у воді, а й не перетравлюється більшістю тварин, тобто не розпадається до молекул глюкози. Здатність перетравлювати целюлозу притаманна бактеріям і грибам, завдяки яким відбувається розкладання відмерлих рослин.

Хітин, який утворює зовнішній скелет комах (іл. 4.6) та клітинну оболонку грибів, також належить до опорних полісахаридів. Він складається з особливих моносахаридів, що містять атоми Нітрогену, і має кристалічну структуру, а тому є речовиною хімічно інертнішою, ніж целюлоза.

Полісахариди побудовані не лише із залишків моносахаридів, а ще й з інших молекул, зокрема залишків сульфатної кислоти і можуть утворювати комплекси з білками.

Ці сполуки вуглеводів з білками відіграють ключову роль у сполученні клітин одна з одною і в розпізнаванні організмом власних клітин.

Іл. 4.6. Хітин утворює зовнішній скелет комах

Установлено, що молекули полісахаридів наче наполовину вмонтовані в зовнішню клітинну мембрану — назовні виступають лише окремі групи атомів. Набір та характер цих груп специфічний для кожної особини. Саме завдяки цьому клітини будь-якого організму легко «визначають» сторонню клітину, наприклад бактерію, що потрапила до нього.

• Захисна функція. Деякі полісахариди, що мають складну будову, захищають організм від зовнішніх впливів. До них належить камедь — прозора смолиста речовина бурштинового кольору, яка виділяється з тріщин гілок і зелених плодів вишень та абрикосів (іл. 4.7). Тварини також мають свої захисні полісахариди.

Особливі полісахариди — пектини, що входять до складу клітинної стінки рослин, накопичуються у великій кількості в плодах аґрусу чи яблуках.

Вони здатні утворювати міцні сполуки з атомами важких металів. Цю їхню властивість широко використовують у медицині для виведення з організму атомів свинцю чи ртуті, що є отруйними для багатьох тварин.

Іл. 4.7. Камедь, що витікає з ураженої гілки абрикоса

Вуглеводи — це багатоатомні спирти, які мають подвійний зв’язок Оксигену з Карбоном і здатні утворювати біополімери. Цукри (моносахариди та олігосахариди) відіграють важливу роль в обміні речовин, оскільки є джерелом енергії, а полісахариди — біологічні полімери, що в організмах тварин і рослин виконують структурну, захисну функції та здатні відкладатися про запас.