Текст книги "Биология для тех, кто хочет понять и простить самку богомола"

В конечном итоге, виды, размножающиеся половым путем, быстрее возникают адаптируются к постоянно изменяющимся условиям внешней среды.[24]24
  В одиннадцатой главе мы вернемся к теме полового размножения, когда станем рассматривать гипотезу Черной королевы.


[Закрыть]

«К постоянно изменяющимся» – в этом-то вся соль. Условия внешней среды изменяются постоянно и неустанно. Если бы они не изменялись, то бесполое размножение было бы выгоднее полового. Приспособились один раз – и живем не тужим!

Призыв не прогибаться под изменчивый мир и ждать, пока он прогнется под нас, хорош для песни, но для реальной жизни он не годится. Никогда эта изменчивая окружающая среда не «прогнется» под нужды и чаяния отдельного организма или группы организмов. У организмов нет выбора. То есть, формально говоря, он есть – приспосабливайся или погибай, но что это за выбор?

«Изменяйся вместе со средой, старайся приспособиться к ней как можно лучше!» – вот единственный призыв эволюции и половое размножение соответствует ему как нельзя лучше.

В животном мире, к которому мы с вами имеем честь принадлежать, преобладает раздельнополость особей – существуют самцы и самки, два типа организмов, четко различающихся в половом отношении. Причем эти различия касаются не только половых органов, а всего организма в целом. Самцы и самки различаются по конституции (внешнему виду), по обмену веществ, по поведению и т. п. В растительном мире напротив, преобладает гермафродитизм – одновременное или последовательное наличие у организма мужских и женских половых признаков и репродуктивных органов. Среди животных гермафродитизм в норме встречается редко, например – у некоторых видов червей, моллюсков и ракообразных.

Теперь вы знаете о делении клеток все, что вы хотели знать, но боялись спросить. Можно ставить точку.

Глава пятая. Биосистемы

Любой живой организм представляет собой биологическую систему. Так называют структурную единицу живой материи, состоящую из разных элементов. Человек, кошка, дерево, бактерия – все это биологические системы или, сокращенно, биосистемы.

Все живое на нашей планете представляет собой совокупность биологических систем различной степени сложности, которые объединены в единую иерархическую структуру. Обратите внимание на слово «иерархическую» – более простые биосистемы при своем объединении образуют более сложные. Не только отдельные живые организмы являются биосистемами. Понятие «структурная единица живой материи» гораздо шире и включает в себя совокупности живых организмов.

Знаете старую купеческую поговорку – «тысяча рублей – это не деньги, а капитал»? Имеется в виду, что крупная сумма денег представляет собой не только средство оплаты, но и «инструмент» для создания какого-то дела. Объединяясь, деньги становятся капиталом, приобретают ранее несвойственное им качество. Количество переходит в качество.[25]25
  С научной точки зрения такая формулировка является неверной, поскольку количество в качество перейти не может. Суть перехода количественных изменений в качественные заключается в том, что определенные количественные изменения приводят к изменению сопутствующих качеств – количество переходит в другое количество (но не в качество!), а качество вследствие изменения количества превращается в другое качество. Однако для краткости можно говорить: «количество переходит в качество», тем более, что эта книга посвящена вопросам биологии, а не философии.


[Закрыть] К месту можно вспомнить и притчу про отца, сыновей и веник. По отдельности прутики легко ломаются, но если собрать их вместе, то сломать не получится.

Свойства организма не являются простой совокупностью свойств составляющих его частей, а свойства сложной биосистемы не являются совокупностью свойств составляющих ее более простых биосистем. Кстати говоря, организм, даже одноклеточный, представляет собой сложную биосистему, состоящую из более простых биосистем. И если вы сейчас подумали о том, что в одноклеточном организме нет ничего сложного, то ошиблись – у любого одноклеточного организма есть клеточная мембрана, цитоплазма и молекула нуклеиновой кислоты, способная к самокопированию. Все это – простые биосистемы, объединенные (или объединившиеся, это уж кому как нравится) в более сложную.

Органеллы объединяются в клетки, клетки объединяются в ткани,[26]26
  Тканью в биологии называют совокупность клеток и межклеточного вещества, объединенных общим происхождением, строением и выполняемыми функциями. Понятие «ткань» ввел в научный обиход упоминавшийся выше английский ученый Неемия Грю, основоположник анатомии растений (да, представьте, у растений тоже есть анатомия J). Растительное вещество Грю представлял не как совокупность клеток, а как совокупность волокон переплетающихся, словно нити в тканях, потому и говорил о «растительной ткани».


[Закрыть] из тканей создаются органы, из органов – организмы, а организмы объединяются в группы – в семьи, в стаи, в популяции. Вот вам простейший пример – стая волков, благодаря взаимной поддержке и прочим преимуществам объединения может выжить в таких неблагоприятных условиях – сильные холода, скудное количество пищи, – в которых по отдельности волки выжить бы не смогли. Точно так же и люди, объединяя свои усилия, делают такое, чего они не смогут сделать поодиночке (вспомним, хотя бы, египетские пирамиды). Свойства любой системы находится на более высоком качественном уровне, чем свойства ее составных частей.

Объединяться выгодно. В процессе эволюции происходит последовательное усложнение организации живой материи. При образовании нового уровня, предыдущий, более простой, уровень, входит в него в качестве составной части. Так одноклеточные организмы стали составными частями многоклеточного организма.

К слову будь сказано, что среди одноклеточных микроорганизмов встречаются и многоклеточные. Вернее – условно многоклеточные. Так, например, обитающие в воде нитчатые бактерии представляют собой нити длиной до одного сантиметра, состоящие из некоторого количества клеток, разделенных перегородками. Это не простое скопление микроорганизмов, а скопление с «намеком» на единый организм – нити, имеют общую оболочку из вырабатываемой клетками слизи, и способны к совершению скользящих движений!

Нитчатая бактерия Сфиротилус натанс (часть оболочки пуста)

Среди нитчатых бактерий есть и хищники, способные захватывать и переваривать другие микроорганизмы. На одном конце таких нитей есть ловчее приспособление, напоминающее пасть.

«Голова» хищной бактерии Тератобактер

Клетки хищных нитчатых бактерий имеют общую внутреннюю среду – они соединены друг с другом чем-то вроде каналов. Такая связь образуется при незавершенном цитокинезе, когда остаточное тельце распадается, но полного смыкания сближающихся листков мембраны не происходит.

Последствия незавершенного цитокинеза

Но формально нитчатые бактерии рассматриваются не как цельный многоклеточный организм, а как колония, скопление одноклеточных организмов.

По какому критерию колонию одноклеточных организмов отличают от многоклеточного организма? В колонии организмов нет дифференциации (разницы в строении) клеток, и, соответственно, нет разделения тела на ткани. Впрочем, этот критерий довольно условный. Так, например, в колониях вольвокса[27]27
  Вольвокс – это род подвижных микроорганизмов, относящихся к отделу зеленых водорослей. Эти микроорганизмы обитают в стоячих пресных водоемах, при массовом размножении вызывают «цветение» воды, окрашивая ее в зеленый цвет. Число клеток в колонии вольвокса варьируется от 200 до 10 000. Двухжгутиковые клетки вольвокса связаны друг с другом цитоплазматическими нитями-мостиками в единое целое. Это позволяет вольвоксу согласованно работать жгутиками и плыть в направлении источника света. Отдельные клетки вольвокса уходят внутрь шара, образуя там молодые «дочерние» колонии. Внутри «дочерних» колоний также образуются новые колонии, которые можно назвать «внучатыми». Разрастаясь, «дочерние» колонии разрывают материнскую и выходят наружу. Большинство клеток колонии вольвокса вегетативные (то есть – не принимающие участия в половом размножении), но есть и генеративные клетки, участвующие в процессе размножения, они крупнее вегетативных и не имеют жгутиков. В женских генеративных клетках вольвокса развиваются яйцеклетки, а в мужских – сперматозоиды. Кроме полового размножения, в вольвоксе посредством особых клеток, называемых партеногонидиями, осуществляется бесполое размножение митотическим делением.


[Закрыть] наблюдается дифференциация клеток, но при этом вольвокс к многоклеточным организмам ученые не относят.

Давайте рассмотрим уровни организации жизни на нашей планете, начиная с самого простого.

Первый уровень – молекулярно-генетический. Любая система, вне зависимости от ее сложности, состоит из различных молекул. Слово «генетический» добавлено не случайно и не «выбивается из стоя» поскольку хранение и передача наследственной информации осуществляется молекулами ДНК или РНК.

У некоторых читателей может возникнуть вопрос – почему не начали с атомов? Ведь молекулы состоят из них и, кроме того, кое-какие атомы присутствуют в живых организмах.

Да – молекулы состоят из атомов, но у нас биологическая классификация, а биология изучает живые организмы. Отличие живой материи от неживой начинает проявляться только на уровне молекул, а не на уровне атомов. Сложные органические вещества (биополимеры) – белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты входят только в состав живых организмов, а вот атомы, из которых они состоят, широко распространены и в неживой материи. В основе любой живой системы лежит обмен веществ и энергии, представляющий собой синтез и распад биологических молекул.

Второй уровень – клеточный. Клетка, как вы уже знаете, является структурно-функциональной единицей всех живых организмов (вирусы с прионами держим в уме). Организмы могут быть одноклеточными и многоклеточными.

Уровни организации жизни

Клеточный уровень организации жизни – второй с начала, но жизнь начинает проявляться на этом уровне. Молекулы белков или нуклеиновых кислот нельзя называть живыми (прионы снова держим в уме).

Третий уровень – тканевый уровень. Давайте повторим, что тканью называют совокупность клеток и межклеточного вещества, объединенных общностью происхождения, строения и выполняемой функции. В растительных организмах различают образовательные, основные, покровные, механические, проводящие и выделительные или секреторные ткани. В животных организмах четыре основных вида ткани: эпителиальная, мышечная, нервная и соединительная.

Четвертый уровень – органный уровень. Органы образуются тканями, поэтому третий и четвертый уровни часто объединяют в один – органно-тканевой. Но это не совсем правильно, потому что органы обладают особыми качествами (возможностями), отличающимися от качеств тканей, которые их образуют.

Пятый уровень – организменный уровень. Органы и ткани образуют организмы. Одноклеточные организмы одновременно присутствуют и на втором, и на пятом уровнях, такая вот у них «привилегия». На этом уровне появляется такое качество, как независимость (крики «Ура!» и бурные продолжительные аплодисменты). Ткани и органы не могут существовать в природе независимо, а организмы – могут. Если вы сейчас подумали о том, что организмы заодно еще могут и размножаться, то вспомните, что клетки многоклеточных организмов тоже способны размножаться делением.

Шестой уровень – популяционно-видовой.

Видом в биологии называется совокупность близких по происхождению организмов, относительно схожих в морфофизиологическом отношении, занимающих определенный ареал в природе, способных скрещиваться между собой и давать плодовитое потомство.

Это несколько упрощенное определение вида, существуют и более сложные, но нам с вами они пока ни к чему, суть ясна и так.

Обратите особое внимание на слово «плодовитое». Представители некоторых близких биологических видов, например – лошади и ослы, могут скрещиваться между собой и давать потомство (лошаков или мулов), но это потомство будет бесплодным. Бесплодие потомков происходит из-за разного количества хромосом у родителей (у лошадей 64 хромосомы, а у ослов – 62), что приводит к нарушению мейоза, процесса образования половых клеток у их потомства.

Биологический вид – главная единица классификации в биологической систематике.

Особи, принадлежащие к одному виду, имеют общее происхождение, одного условного предка.

На этом уровне появляется такое замечательное качество, как потенциальное бессмертие. При благоприятных условиях вид может существовать вечно.

Популяцией называется совокупность особей одного вида, длительное время обитающих на одной территории и частично или полностью изолированных от особей других популяций данного вида. Популяция обладает общим генетическим фондом или генофондом. Так называют совокупность генов особей, составляющих данную популяцию. К слову будь сказано, что совокупный набор генов, содержащийся в хромосомах одной отдельной особи, называется геномом. У организма – геном, у популяции – генофонд, не путайте, пожалуйста, эти понятия.

Особи, составляющие одну популяцию, могут свободно скрещиваться между собой, поскольку внутри популяции отсутствуют изоляционные барьеры. Возможность свободного скрещивания является необходимым условием для объединения особей в популяцию! Именно изоляционные барьеры отграничивают одну популяцию от другой.

Рассмотрим понятие «популяция» на простейшем примере.

На рисунке изображены озеро со впадающей в него речкой и обособленный пруд. Нельзя сказать, что рыбы озера и речки составляют две разные популяции, потому что речка сообщается с озером и рыбы могут беспрепятственно проплывать из речки в озеро и обратно. А вот пруд полностью изолирован как от речки, так и от озера. Итак, на рисунке мы видим две популяции рыб – озерно-речную и прудовую.

Надо сказать, что у людей, как у разумных существ, изоляционные барьеры могут быть не только природными (например – океанским пространством или горной цепью), но и социальными. Представители какой-то нации или приверженцы какой-то религии могут жить среди других людей, но при этом заключать браки только с людьми, относящимися к той же нации, или же только с единоверцами. В этом случае можно говорить об отдельной популяции.

В процессе эволюции, благодаря изменчивости, образуются новые биологические виды. Происходит это следующим образом. В результате естественного отбора, под влиянием условий окружающей среды, в каждой популяции эволюция идет своим путем, в своем направлении. Отбираются и закрепляются те признаки, которые выгодны в данных условиях, которые позволяют жить дольше и оставить больше потомства. Пра-пантера, обитающая в саванне, превратилась в льва, а та, что жила в лесах – в тигра.

Обратите внимание на то, что живая природа может эволюционировать только в надорганизменных уровнях. На уровне организма никакой эволюции происходить не может. Мы разберем эволюцию по косточкам и разложим по полочкам, но сделаем это немного позже. Пока что просто запомните, что на популяционно-видовом уровне появляется эволюционное развитие.

Седьмой уровень называется биогеоценотическим или экосистемным.

Биогеоценоз – это совокупность организмов разных видов, проживающих на одной территории и связанных между собой и с окружающей их неживой природой обменом веществ и энергии.

Биогеоценоз образуется биоценозом и биотопом.

БИОЦЕНОЗ + БИОТОП = БИОГЕОЦЕНОЗ

Биоценозом или биотическим сообществом называется совокупность организмов, проживающих на одной территории. Речь идет обо всех организмах вообще, а не только о представителях одного биологического вида. Биоценоз – это совокупность популяций.

Основные компоненты экосистемы и взаимодействие между ними

Биотопом называется участок пространства (суши или водоема), заселенный одним биоценозом.

Объединяясь, живая и неживая природа образуют биогеоценоз.

В любом биогеноценозе существует равновесие, обеспеченное замкнутым круговоротом веществ и энергии.

Биогеоценоз является экологической системой, поэтому седьмой уровень организации жизни также называют экосистемным.

Обратите внимание на то, что экологической системой называются не только биогеоценозы, но и любой природный или искусственный комплекс, состоящий из живых организмов и среды их обитания, связанных между собой потоками вещества, энергии и информации. Пруд со всеми его обитателями – это тоже экосистема, только небольшая. И аквариум тоже экосистема, и роща.

Восьмой и самый высший, глобальный уровень – это биосферный. Биосфера объединяет все биогеоценозы, существующие на нашей планете. В биосферу входят:

– вся гидросфера, потому что во всех водоемах на Земле есть те или иные формы жизни;

– тропосфера или нижняя часть атмосферы (до 18 км от поверхности земли). Эта граница определяется озоновым слоем атмосферы, который задерживает самую опасную для живых организмов часть ультрафиолетового излучения Солнца. Поэтому выше озонового слоя жизнь невозможна.

– педосфера или почвенная оболочка Земли, которая богато населена различными организмами;

– верхняя часть литосферы, твердой внешней оболочки Земли. Почти вся жизнь в литосфере существует на глубине нескольких метров, но отдельные бактерии могут жить и на больших глубинах. Ученые уже перестали устанавливать нижнюю границу жизни, потому что ее приходилось все время передвигать. Сначала считалось, что некоторые одноклеточные организмы могут обитать на глубине до 1 километра, затем планку опустили до 2,5 километров, затем – до 4 километров и тут хотели поставить точку, потому что на такой глубине температура литосферы возрастает до 100 °С, что делает жизнь невозможной – вода закипает, а белки начинают денатурироваться…[28]28
  Денатурацией называют процесс изменения конфигурации белковой молекулы, приводящий к потере естественных физико-химических свойств.


[Закрыть]

Невозможной?

А вот и нет!

Сначала среди одноклеточных организмов нашлись такие, которые могли жить при температуре свыше 110 °С, а затем и такие, кто мог спокойно переносить невероятную для живых существ температуру в 123 °С… А несколько лет назад была высказано смелое предположение о существовании жизни на глубине в 19 километров! Так глубоко в земную кору никто еще не вгрызался, но глубоко залегающие породы могут выбрасываться на поверхность в результате геологических процессов, например – при извержении вулканов. В породе с такой глубины, которая вышла на поверхность очень давно, десятки миллионов лет назад, было обнаружено высокое содержание углерода, причем не в виде соединений с другими химическими элементами, как это обычно бывает в горных породах, а в чистом виде. Это можно расценивать как результат жизнедеятельности каких-то микроорганизмов, настоящих микробов-терминаторов, способных выдерживать высоченное давление и столь же высоченные температуры.

Надо уточнить, что на больших глубинах в земной коре обитают бактерии-анаэробы, то есть такие бактерии, которым для жизнедеятельности не нужен кислород, содержащийся в атмосферном воздухе. И обитают эти бактерии не в самой толще коры, а в подземных водах и нефтяных залежях.

Границы биосферы

Глава шестая. Каталог строительных материалов или молекулярно-генетический уровень организации

Мы с вами нарушили иерархический порядок, начав знакомство с уровнями организации жизни с клетки, а не с молекул. Но так было удобнее, потому что именно с клетки начинается жизнь, та самая настоящая полноценная жизнь, а не вирусное или прионное существование.

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, питающиеся 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[29]29
  В переводе с греческого – «питающиеся при помощи химии».


[Закрыть] 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[30]30
  Это название переводится как «одинарные сахариды».


[Закрыть] или 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 – C₆H₁₂O_6. 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.

ß-глюкоза

α-глюкоза

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 состоит из двух остатков глюкозы. А в молоке и молочных продуктах содержится дисахарид лактоза или молочный сахар, молекула которого образована остатками глюкозы и галактозы. Галактоза – это еще один изомер глюкозы, которая отличается от глюкозы пространственным расположением водородной и гидроксильной групп у 4-го углеродного атома. Подобно фруктозе, галактоза может существовать не только в циклических, но и в цепной форме.

Галактоза

Все олигосахариды растворяются в воде, и чем меньше «кирпичиков» содержит молекула олигосахарида, тем выше его растворимость. А вот полисахариды плохо растворяются в воде или вообще не обладают такой способностью.

Известный всем крахмал (С₆Н₁₀О₅)_n представляет собой полисахарид, мономером которого является α-глюкоза. Крахмал – основной углевод нашей пищи и основной резервный углевод растений, который накапливается в семенах, клубнях, корневищах, луковицах. Растения образуют крахмал в результате фотосинтеза – так процесс образования органических веществ из неорганических с помощью солнечной энергии. Фотосинтез свойственен не только растениям и некоторым бактериям, клетки которых содержат пигмент хлорофилл, обладающий способностью поглощения солнечная энергии.

Содержание крахмала в зернах риса достигает до 86 %, пшеницы – до 75 %, кукурузы – до 72 %, в клубнях картофеля – до 25 %. В том, что молекула крахмала состоит из глюкозы, можно убедиться путем простого опыта. Если в течение нескольких минут методично и целеустремленно жевать какой-либо крахмалосодержащий продукт, например – кусочек хлеба или картофеля, то во рту появится сладкий вкус. Содержащийся в слюне пищеварительный фермент амилаза расщепляет несладкую молекулу крахмала на составные части – сладкие молекулы глюкозы. Полимерные цепочки крахмала ветвятся, но не сильно.

Полисахарид, мономером которого является β-глюкоза, называется целлюлозой (С₆Н₁₀О₅)_n. В отличие от крахмала полимерные цепочки целлюлозы не ветвятся. Целлюлоза – это основной структурный полисахарид клеточных стенок растений, защита и опора растительных клеток. Содержание целлюлозы в древесине доходит до 50 %, а в волокнах семян хлопчатника аж до 98 %. Хлопок – это «чистая» целлюлоза.

Если крахмалом мы можем питаться, то целлюлозой – нет. Вроде бы и разница между двумя этими полимерами небольшая (и там глюкоза, и здесь глюкоза), но в организме человека отсутствует фермент целлюлаза, разрывающий связи между молекулами β-глюкозы.

Основным резервным углеводом, образующимся в организмах грибов и животных (в том числе и человека) является третий «глюкозный» полисахарид, который называется гликогеном (С₆Н₁₀О₅)_n. Мономером гликогена является α-глюкоза, но полимерные цепочки гликогена ветвятся гораздо сильнее, чем цепочки крахмала. Гликоген накапливается в печени, где его содержание доходит до 20 %, а также в мышцах (до 4 %). Клетки печени – главные производители гликогена в организме животных. Но и другие клетки могут вырабатывать и накапливать гликоген. Печень далеко, долго ждать, когда оттуда поступит глюкоза, нужно иметь небольшой запас под рукой.

При расщеплении 1 грамма углеводов выделяется 17,6 кДж энергии, что соответствует 4,2 килокалориям. Столько же энергии выделяется при расщеплении 1 грамма белка. Но вот «парадокс» – углеводные овощи, в том числе и суперкалорийный картофель, считаются менее калорийными продуктами, чем белковое мясо, даже нежирное. Для сравнения – в 100 граммах сырого картофеля в среднем содержится 77 килокалорий, а калорийность сырой телятины составляет 105 килокалорий. Про калорийность огурцов вообще говорить нечего – 15 килокалорий на 100 грамм продукта.

В чем причина такой разницы в калорийности?

В различном содержании воды в растительных и животных продуктах!

Никакого парадокса на самом деле нет (потому и слово это взято в кавычки). Просто в сырых растительных продуктах содержится больше воды, чем в мясе, а у воды калорийность нулевая. Живые организмы не могут получать энергию, разлагая молекулу воды на кислород и водород. В пересчете же на сухой остаток калорийность телятины, картофеля и огурцов будет одинаковой.

С углеводами мы разобрались. На очереди – белки.

Белки или протеины это сложные высокомолекулярные вещества, состоящие из мономерных остатков аминокислот. Белки обладают большой молекулярной массой: у яичного альбумина (это то, что в быту называют «яичным белком») она равна 36 000,[31]31
  Не удивляйтесь отсутствию единицы измерения. Здесь и далее приведены относительные молекулярные массы – безразмерные величины, равные отношению массы молекулы к 1/12 массы атома углерода.


[Закрыть] у гемоглобина – 152 000, у мышечного белка миозина – 500 000. Для сравнения – молекулярная масса уксусной кислоты составляет всего 60.

По содержанию в клетке белки стоят на втором месте после воды. Примерно 50 % от сухого остатка клеточных веществ приходится на долю белков.

Общая структура молекулы аминокислоты

Давайте вспомним из курса химии, что аминокислотами называются органические вещества, которые содержат карбоксильную группу (–СООН), аминогруппу (–NH₂) и радикал или R-группу (это остальная часть молекулы). Особенности физических и химических свойств аминокислот обусловлены присутствием в их молекулах двух противоположных по свойствам функциональных групп: кислотной карбоксильной группы и основной аминогруппы.

В зависимости от того, могут ли аминокислоты вырабатываться в организме человека или животных, их разделяют на заменимые аминокислоты, которые могут вырабатываться, и незаменимые аминокислоты, которые вырабатываться не могут. Условием нормальной жизнедеятельности организма является поступление незаменимых аминокислот вместе с пищей. А вот растения вырабатывают все виды аминокислот.

Не надо путать незаменимые аминокислоты с витаминами – веществами, которые ускоряют или делают возможными определенные обменные реакции. Витамины – это катализаторы, а аминокислоты – строительный материал и источник энергии.

Аминокислот известно с полтысячи, но в образовании большинства белков задействовано только 20.

Белки состоящие только из аминокислот, называются простыми белками. Если белок помимо аминокислот содержит еще и какой-то не аминокислотный компонент – металл, углевод, липид, нуклеиновую кислоту, – то такой белок называют сложным. Примерами сложных белков являются металлопротеины, гликопротеины, липопротеины, нуклеопротеины. Обратите внимание на то, что название неаминокислотного компонента всегда ставится первым. «Протеинолипид» – неграмотное название.