Роль химических связей углерода в биоэнергетике

Углеводы и липиды образуются всего четырьмя a-связями: С—Н, С—С, С—О, О—Н и двумя двойными связями: С=0 и С=С.

Простейшими среди многообразных липидов являются триглицериды — сложные эфиры жирных кислот и глицерина:

Среди углеводов особое значение имеет моносахарид глюкоза, структурная формула которой схематично изображена ниже:

Сопоставим тепловые эффекты сгорания этих веществ в кислороде. Для окисления молекулы глюкозы требуется шесть молекул кислорода:

Молекула глюкозы имеет, как можно убедиться, рассмотрев ее формулу, всего 24 связи со следующими средними энергиями:

В реакции окисления расходуется 6 молекул 0₂ с энергией связи 494 кДж/моль и возникает 6 молекул С0₂ с энергией каждой двойной связи С=0, равной 803 кДж/моль, и 6 молекул Н₂0 с 12 связями О—Н. Тепловой эффект реакции можно приближенно вычислить так:

Экспериментальная величина АН° этой реакции равна -2815,8 кДж, а АС° равна -2870 кДж.

В триглицеридах основной вклад в тепловой эффект вносят углеводородные цепи. Поэтому для сравнения рассмотрим реакцию горения углеводорода тридекана С₁₃Н₂₈, относительная молекулярная масса которого (184,2) почти не отличается от относительной молекулярной массы глюкозы (180,2):

Экспериментальный тепловой эффект реакции окисления тридекана, также близкий к вычисленному через энергии связей, составляет 8709,4 кДж.

Таким образом, реакции окисления углеводородов оказываются для клетки в три раза энергетически более выгодными, чем окисление углеводов. Причина этого понятна. Углеводы содержат слишком много кислорода в связях О—Н. Кислород этих связей увеличивает массу углеводов, является балластом этой массы и одновременно уменьшает тепловой эффект их сгорания.

Углеводы как конструкционные материалы клетки.

Углеводы и липиды используются клеткой непосредственно как конструкционные материалы, а также в качестве горючего и исходных молекул в биосинтезе многих веществ.

Очень важной механической конструкцией клетки являются несущие нити двойной спирали ДНК — наследственного вещества дезоксирибонуклеиновой кислоты:

Несущая нить ДНК состоит из соединенных в цепочку остатков моносахарида дезоксирибозы С5Н10О4, которые обозначены пятиугольниками с буквами Др, и фосфатных групп. Буквами в шестиугольниках обозначены азотистые основания: А — аденин, Ц — цитозин, Г — гуанин, Т — тимин. Прочность несущей нити ДНК обеспечивается прочностью повторяющегося изогнутого звена —Р—О—С—С—С—О—. Все связи этого звена имеют приблизительно равные энергии: ?_с__с = 348, Е_{с 0} = 352, ?р_о = 415 кДж/моль. Ее гибкость обеспечивается свободным осевым вращением вокруг связей О—С и первой связи С—С.

Другим примером использования углеводов в качестве конструкционного материала является целлюлоза:

Этот прочный и гибкий полимер глюкозы хорошо совместим с водой как внутриклеточной средой и способен образовывать водородные связи между своими цепями. Целлюлоза — главная составная часть клеточных стенок растений, придающая им прочность и эластичность. Растения используют целлюлозу как материал, обеспечивающий прочность стеблей и стволов деревьев.