Вещества первичного метаболизма

Веществами первичного биосинтеза являются белки, некоторые ферменты, витамины, липиды, нуклеиновые кислоты и углеводы.

Белки — биополимеры, структурную основу которых составляют длинные полипептидные цепи, построенные из остатков альфа-аминокислот, соединенных между собой пептидными связями. Как правило, белками называют полипептиды, содержащие более 50 аминокислотных фрагментов. Белки делят на простые - протеины, при гидролизе дающие только аминокислоты, и сложные - в них белок связан с веществами небелковой природы: нуклеиновыми кислотами (нуклеопротеиды), углеводами (гликопротеиды), липидами (липопротеиды), пигментами (хромопротеиды), остатками фосфорной кислоты (фосфопротеиды) и др. Из простых белков в растениях встречаются альбумины (семена гороха), глобулины (семена сои), глютелины и проламины (зерновки злаковых), которые часто используются растениями в качестве запасного питательного материала. Среди сложных белков особое место принадлежит нуклеопротеидам, принимающим участие в явлениях наследственности. В качестве ферментов (энзимов) белки регулируют все жизненные процессы клетки. Ряд белков являются токсическими веществами. Например, токсические белки представлены в ядах змей. Они характеризуются низкой молекулярной массой. Токсины растений более разнообразны по форме и молекулярной массе (токсальбумин рицин из семян клещевины).

Витамины - особая группа органических веществ, выполняющих важные биологические и биохимические функции в живых организмах. Эти органические соединения различной химической природы синтезируются главным образом растениями, а также микроорганизмами. Человеку и животным, которые их не синтезируют, витамины требуются в очень малых количествах по сравнению с питательными веществами (белками, углеводами, жирами). Известно более 20 витаминов. Они имеют буквенные обозначения, названия химические и названия, характеризующие их физиологическое действие. Классифицируются витамины на водорастворимые (кислота аскорбиновая, тиамин, рибофлавин, кислота пантотеновая, пиридоксин, кислота фолиевая, цианокобаламин, никотинамид, биотин) и жирорастворимые (ретинол, филлохинон, кальциферолы, токоферолы). К витаминоподобным веществам принадлежат некоторые флавоноиды, липоевая, оротовая, пангамовая кислоты, холин, инозит. Биологическая роль витаминов разнообразна. Установлена тесная связь между витаминами и ферментами. Например, большинство витаминов группы В являются предшественниками коферментов и простетических групп ферментов.

Липиды — жиры и жироподобные вещества, являющиеся производными высших жирных кислот, спиртов или альдегидов. Подразделяются на простые и сложные. К простым относятся липиды, молекулы которых содержат только остатки жирных кислот (или альдегидов) и спиртов. Из простых липидов в растениях и животных встречаются жиры и жирные масла, представляющие собой ацилглицеролы и воски. Ацилглицеролы (ацилглицерины) — наиболее распространённая в природе группа липидов. Эти соединения представляют собой сложные эфиры жирных кислот и трёхатомного спирта глицерола, в котором могут быть этерифицированы одна, две или три гидроксильные группы.

Воски состоят из сложных эфиров высших жирных кислот и одно- или двухатомных высших спиртов. К жирам близки простагландины, образующиеся в организме из полиненасыщенных жирных кислот. По химической природе это производные кислоты простаноевой со скелетом из 20 атомов углерода и содержащие циклопентановое кольцо.

Сложные липиды делят на две большие группы: фосфолипиды и гликолипиды (т.е. соединения, имеющие в своей структуре остаток кислоты фосфорной или углеводный компонент). В составе живых клеток липиды играют важную роль в процессах жизнеобеспечения, образуя энергетические резервы у растений и животных.

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, мономерными цепями которых являются нуклеотиды, которые состоят из остатков кислоты фосфорной, углеводного компонента (рибозы или дезоксирибозы) и азотистого (пуринового или пиримидинового) основания. Различают дезоксирибонуклеиновые (ДНК) и рибонуклеиновые (РНК) кислоты.

Пептиды — органические соединения, состоящие из остатков аминокислот, соединенных между собой пептидной связью. По числу аминокислотных фрагментов различают ди-, три-, тетра- или полипептиды. Низкомолекулярные пептиды содержатся почти во всех живых клетках. Например, трипептид глютатион, распространённый в животных и растительных тканях, принимает участие в окислительно-восстановительных реакциях, а также в переносе аминокислот через цитоплазматические мембраны. К пептидам относятся многие природные биологически активные вещества: некоторые гормоны (инсулин, вазопрессин), антибиотики (грамицидин), ингибитор фермента тромбина, содержащийся в слюне пиявок (гирудин); присутствующий в плазме крови брадикинин обеспечивает регуляцию кровотока и проницаемость клеточных мембран. Некоторые полипептиды животных и насекомых обладают сильным физиологическим действием и относятся к ядам. Токсические полипептиды нейротропного действия содержатся в секрете сцифоидных медуз, представителей отряда актиний и ядовитых выделениях скорпиона (инсектотоксины); в составе пчелиного яда находятся токсические полипептиды (меллитин, сепамин, секамин и др.).

Углеводы - огромный класс органических соединений, к которому относят полиоксикарбонильные соединения и их производные. В зависимости от числа мономеров в молекуле, подразделяются на моносахариды, олигосахариды (ди-, три-, тетрасахариды и т.д.) и полисахариды. Углеводы, состоящие исключительно из полиоксикарбонильных соединений, получили название гомозидов,а их производные, в молекуле которых имеются остатки иных соединений, — гетерозидов. К гетерозидам относятся все виды гликозидов.

Моносахариды накапливаются в любой живой клетке в процессе фотосинтеза и используются затем для биосинтеза полисахаридов, гликозидов, аминокислот, полифенолов и др. Полисахариды, как правило, накапливаются в значительных количествах как продукты жизнедеятельности протопласта. В растениях синтезируются различные формы полисахаридов, которые отличаются друг от друга как по структуре, так и по выполняемым функциям. Наиболее обычными полисахаридами являются целлюлоза, гемицеллюлозы, крахмал, инулин, слизи, камеди и пектиновые вещества.

Целлюлоза (клетчатка) — полимер, составляющий основную массу клеточных стенок растений. Полагают, что молекула клетчатки у разных растений содержит от 1 400 до 10 000 остатков бета-D-глюкозы.

Крахмал и инулин относятся к запасным полисахаридам. Крахмална 96-97,6 % состоит из двух полисахаридов: амилозы (линейный глюкан) и амилопектина (разветвленный глюкан). Он всегда запасается в виде крахмальных зёрен в период активного фотосинтеза. У представителей сем. Asteraceae и Campanulaceaeнакапливаются фруктозаны (инулин), особенно в больших количествах в подземных органах.

Слизи и камеди (гумми) — смеси гомо- и гетеросахаридов и полиуронидов. Камеди состоят из гетерополисахаридов с обязательным участием уроновых кислот, карбонильные группы которых связаны с ионами Са²⁺, К⁺ и Mg²⁺. По растворимости в воде камеди делятся на 3 группы: арабиновые, хорошо растворимые в воде (абрикосовая и аравийская); бассориновые, плохо растворимые в воде, но сильно в ней набухающие (трагакантовая), и церазиновые, плохо растворимые и плохо набухающие в воде (вишнёвая).

Слизи, в отличие от камедей, могут быть нейтральными (не содержат уроновых кислот), а также имеют меньшую молекулярную массу и хорошо растворимы в воде.

Пектиновые вещества — высокомолекулярные гетерополисахариды, главным структурным компонентом которых является кислота альфа-D-галактуроновая (полигалактуронан). К основной макромолекуле в виде боковых цепей присоединены D-ксилоза, L-арабиноза, D-галактоза и D-глюкоза, а в главную цепь включена L-рамноза. В растениях пектиновые вещества присутствуют в виде нерастворимого протопектина — линейного полимера метоксилированной полигалактуроновой кислоты с галактаном и арабаном клеточной стенки: цепочки полиуронида соединены между собой ионами Са²⁺ и Mg²⁺.

К полисахаридам относятся также полиурониды морских водорослей. В медицинской практике нашли применение полисахариды водорослей Ahnfeltia, Laminaria, Fucus. Из красной водоросли анфельции добывают агар-агар. В ламинарии содержится кислота альгиновая - аналог кислоты пектиновой. Она состоит из остатков D-маннуроновой и D-гулуроновой кислот, связанных бета-гликозидными связями.

Ферменты — сложные белки, содержащиеся в животных и растительных организмах, выполняющие функции биологических катализаторов и ускоряющие химические процессы в них. Все ферменты делятся на одно- и двукомпонентные. Первые состоят только из белка. Двукомпонентные ферменты состоят из белка (апофермента) и небелковой части (кофактор, или кофермент). Играют важную роль в процессах метаболизма.