Массовая доля углеводов в живой природе больше, чем других органических соединений. В клетках животных и грибов углеводы содержатся в незначительном количестве (около 1% сухой массы, в клетках печени и мышц — до 5%), тогда как в растительных клетках их содержание значительно больше (60 — 90%). Углеводы образуются преимущественно в результате фотосинтеза. Гетеротрофные организмы получают углеводы из пищи или синтезируют их из других органических соединений (жиров, аминокислот и т.д.).
Углеводы — это органические соединения, в которых соотношение углерода, кислорода в основном соответствует формуле (СН 2 О) n , где n = 3 и больше. Однако есть углеводы, в которых это соотношение несколько иное, а некоторые содержат атомы азота, фосфора или серы.
К углеводам относятся моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды — хорошо растворимые в вещества, имеют сладкий вкус. Рассмотрим строение моносахаридов на примере глюкозы. Ее молекулярная формула С 6 Н 12 0 6 .
Молекула глюкозы
Моносахариды классифицируют по количеству атомов углерода в их молекулах. Наиболее важными для живой природы является пентозы (соединения с пятью атомами углерода) и гексозы (соединения с шестью атомами углерода). Распространенными гексозами, кроме глюкозы, являются фруктоза и галактоза. Из пентоз распространены рибоза и дезоксирибоза, остатки которых входят в состав мономеров нуклеиновых кислот. Моносахариды способны сочетаться между собой с помощью -ОН- групп. При этом образуется между двумя остатками моносахаридов через атом кислорода (-O-).
Схема образования полисахаридов на примере целлюлозы (фрагмент молекулы)
Олигосахариды и полисахариды состоят из остатков моносахаридов. Олигосахариды — полимерные углеводы, в которых от 2 до 10 моносахаридных звеньев соединены ковалентными связями. Например, дисахариды образованы двумя остатками моносахаридов. В природе распространены такие дисахариды: обычный пищевой сахар — сахароза (состоит из остатков глюкозы и фруктозы) и молочный сахар — лактоза (состоит из остатков глюкозы и галактозы).
В результате взаимодействия моносахаридов могут формироваться цепочки в сотни и тысячи остатков — полисахариды. Эти соединения плохо растворимые в воде и не имеют сладкого вкуса. В природе распространены полисахариды, образованные из остатков глюкозы, это целлюлоза, гликоген и крахмал. Другой распространенный в природе полисахарид — хитин состоит из азотсодержащих производных глюкозы.
Функции углеводов достаточно разнообразны. Энергетическая функция обусловлена тем, что в результате полного расщепления 1 г углеводов высвобождается 17,6 кДж энергии. Часть этой энергии обеспечивает функционирование организма, а часть выделяется в виде теплоты. Наибольшее количество энергии высвобождается в результате окисления углеводов кислородом, однако расщепление углеводов с выделением энергии может происходить и в других случаях. Это важно для организмов, которые существуют в условиях недостатка или отсутствия кислорода.
Полисахариды могут накапливаться в клетках, то есть выполнять резервную функцию. В клетках животных и грибов накапливается гликоген, в клетках растений — крахмал. Строительная (структурная) функция углеводов заключается в том, что полисахариды входят в состав определенных структур. Так, хитин формирует внешний скелет членистоногих и содержится в клеточной стенке грибов, а целлюлоза — в клеточной стенке растений. Углеводы, связанные с и липидами, располагаются снаружи плазматической мембраны животной клетки и клеточной стенки бактерий. Особые соединения углеводов с белками (мукополисахариды) выполняют в организмах позвоночных животных и человека функцию смазки — они входят в состав жидкости, смазывает поверхности суставов.
Цепи полисахаридов могут линейно располагаться в пространстве или разветвляться, что связано с их функциями. Цепи полисахаридов, которые входят в состав структур клетки или организма, соединяются многочисленными связями между собой, что обеспечивает прочность и химическую стойкость этих веществ. Однако большинство полисахаридов являются резервными веществами животных и растительных клеток, имеют многочисленные разветвленные цепи, вследствие чего в клетке эти молекулы быстро расщепляются до глюкозы во многих точках одновременно.
Строение, свойства и биологическая роль липидов
В состав каждой клетки организма входят липиды. Липиды — это производные жирных кислот и многоатомных спиртов или альдегидов. Жирными кислотами являются органические кислоты с цепью от четырех и более (до 24) атомов углерода, обычно это неразветвленная цепь. Некоторые липиды имеют несколько другое строение, но также плохо растворяются в воде.
Липиды гидрофобные, но хорошо растворяются в неполярных растворителях: бензоле, хлороформе, ацетоне.
Большую группу липидов составляют жиры. Жиры — эфиры трехатомных спирта глицерина и трех остатков неразветвленных жирных кислот. Одна из важнейших функций жиров — энергетическая. В случае полного расщепления 1 г жиров выделяется 38,9 кДж энергии — вдвое больше, чем за полного расщепления аналогичного количества углеводов или белков. Резервная функция заключается в том, что жиры содержатся в цитоплазме клеток в виде включений — в клетках жировой , семенах подсолнечника и др. Запасы жиров могут использоваться организмами как резервные питательные вещества и как источник метаболической воды (при окислении 1 г жиров образуется около 1,1 мл воды).
Накапливаясь в подкожной жировой клетчатке животных, жиры защищают организм от действия резких изменений температуры, выполняя теплоизоляционную функцию. Эта функция жиров обусловлена их низкой теплопроводностью. Запасы жиров в организме могут выполнять и защитную функцию. В частности, они защищают внутренние органы от механических повреждений.
Подобными жирам по строению соединениями являются воски, слой которых покрывает листья и плоды наземных растений, поверхность хитинового скелета многих членистоногих, предотвращая избыточное испарение воды с поверхности тела.
Отдельную группу липидов образуют стероиды. Важнейшим стероидом организма животных является холестерин — составляющая клеточных мембран, а также предшественник для синтеза витамина D, гормонов надпочечников и половых желез.
Среди липидов есть соединения, образованные в результате взаимодействия молекул простых липидов с другими веществами. К ним относятся липопротеиды (соединения липидов и белков), гликолипиды (липидов и углеводов), фосфолипиды (содержащие остатки ортофосфорная кислота)
Углеводы - это органические соединения, образованные тремя химическими элемента ми - углеродом, водородом и кислородом. Некоторые содержат также азот или серу. Общая формула углеводов - Сm(H2O)n.
Их делят на три основных класса: моносахариды, олигосахариды(дисахариды) и полисахариды.
Моносахариды - это простейшие углеводы, имеющие 3–10 атомов углерода. Большинство атомов углерода в молекуле моносахарида связано со спиртовыми группами, а один - с альдегидной или кетогруппой.
Глюкоза (виноградный сахар) встречается во всех организмах, в том числе в крови человека, поскольку является энергетическим резервом, входит в состав сахарозы, лактозы, мальтозы, крахмала, целлюлозы и других углеводов. Фруктоза (плодовый сахар) в наибольших кон центрациях содержится в плодах, меде, корнеплодах сахарной свеклы. Она не только принимает активное участие в процессах обмена веществ, но и входит в состав сахарозы.
Моносахариды - кристаллические вещества, сладкие на вкус и хорошо растворимые в воде.
К олигосахаридам относят углеводы, образованные не сколькими остатками моносахаридов. Они в основном так же кристаллические, хорошо растворимы в воде и сладки на вкус. В зависимости от количества этих остатков разли чают дисахариды (два остатка моносахаридов), трисахари ды (три) и т.д.
К дисахаридам относятся сахароза, лактоза и мальтоза. Сахароза (свекловичный или тростниковый са хар) состоит из остатков глюкозы и фруктозы, она в стречается в запасающих органах некоторых растений. Особенно много сахарозы в корне плодах сахарной свеклы и сахарного тростника, откуда их получают промышленным способом. Лактоза, или молочный сахар, образована остатками глюкозы и галактозы, содержится в материнском и коровьем молоке. Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков глюкозы. Она образуется в процессе расщепления крахмала в семенах растений и в пищеварительной системе человека.
Полисахариды - это биополимеры, мономе рами которых являются остатки моносахаридов. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюло за, хитин и др. Мономером этих полисахаридов является глюкоза.
Крахмал является основ ным запасным веществом растений, которое накапливается в семенах, плодах, клубнях, корневищах и других запасающих органах. Качественной реакцией на крахмал является реакция с йодом, при которой крахмал окрашивается в синефиолетовый цвет.
Гликоген (животный крахмал) - это запасной полисахарид животных и грибов, который у человека в наибольших количествах накапливается в мышцах и печени. Молекулы гликогена имеют более высокую степень ветвления, чем молекулы крахмала.
Целлюлоза, или клетчатка, - основной опорный полисахарид растений. Неразветвленные молекулы целлюлозы образуют пучки, которые входят в состав клеточных стенок растений. Она используется в производстве тканей, бумаги, спирта и других органических веществ.
Хитин - это полисахарид, мономером которого является азотсодержащий моносахарид на основе глюкозы. Он входит в состав клеточных стенок грибов и панцирей членистоногих.
Полисахариды представляют собой порошкообразные вещества, которые несладки на вкус и нерастворимы в воде.
Видео YouTube
Функции углеводов
Углеводы выполняют в клетке пластическую (строительную), энер гетическую, запасающую и опорную функции. Они образуют клеточные стенки растений и грибов. Энергетическая ценность расщепления 1 г углеводов составляет 17,2 кДж. Глюкоза, фруктоза, сахароза, крахмал и гликоген являются запасными веществами. Углеводы могут также входить в состав сложных липидов и белков, образуя гликолипиды и гликопротеины.
Insert Flash
Липиды
Липиды
- это разнородная в химическом отношении группа гидрофобных веществ. Эти
вещества не растворяются в воде, зато могут растворяться в органических растворителях.
В воде они образуют эмульсии. Липиды жирны на ощупь, многие из них оставляют на бумаге характерные невысыхающие следы. Наряду с белками и углеводами они являются
одними из основных компонентов клеток. Содержание липидов в различных клетках неоди
наково, особенно много их в семенах и плодах некоторых растений, в печени и сердце.
По химическому строению липиды делят на жиры, воски, стероиды, фосфолипиды, гликолипиды и др.
Жиры, или триацилглицеролы, являются слож ными эфирами трехатомного спирта глицерина и высших жирных кислот. Молекула жира имеет двойственные свойства, так как остаток гли церина образует гидрофильную «головку», а остатки жирных кислот - гидрофобные «хвосты».
Большинство жирных кислот содержит 14–22 угле родных атома. Среди них есть как насыщенные, так и ненасыщенные, то есть содержащие двойные связи.
Стероиды имеют молекулы с несколькими циклами. К ним относятся обязательный компонент клеточных мембран - холестерин (холестерол), гормоны эстрадиол и тестосте рон, витамин D.
Фосфолипиды - полярные липиды. Помимо остатков глицерина и жирных кислот, они имеют остаток ортофосфорной кислоты. Фосфолипиды являются основой клеточных мем бран и обеспечивают их барьерные свойства.
Воски - это сложные эфиры высших жирных кислот и высокомолекулярных спиртов. У растений они образуют пленку на поверхности органов - листьев, плодов. Эти соединения защищают наземные органы растений от излишней потери влаги, предотвращают проникновение патогенов и т. п. У насекомых они покрывают тело или служат для построения сот.
Гликолипиды также являются компонентами мембран, но их содержание там невелико. Нелипидная часть гликолипидов включает остаток углевода.
Функции липидов.
Insert Flash
Запасающая – жиры, откладываются в запас в тканях позвоночных животных.
Энергетическая
– половина энергии, потребляемой клетками позвоночных животных в состоянии покоя, образуется в результате окисления жиров. Жиры используются и как источник воды. Энергетический эффект от расщепления 1 г жира – 39 кДж, что в два раза больше энергетического эффекта от расщепления 1 г глюкозы или белка.
Защитная
– подкожный жировой слой защищает организм от механических повреждений.
Структурная
– фосфолипиды входят в состав клеточных мембран.
Теплоизоляционная
– подкожный жир помогает сохранить тепло.
Электроизоляционная
– миелин, выделяемый клетками Шванна (образуют оболочки нервных волокон), изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов.
Питательная
– некоторые липидоподобные вещества способствуют наращиванию мышечной массы, поддержанию тонуса организма.
Смазывающая
– воски покрывают кожу, шерсть, перья и предохраняют их от воды. Восковым налетом покрыты листья многих растений, воск используется в строительстве пчелиных сот.
Гормональная
– гормон надпочечников – кортизон и половые гормоны имеют липидную природу.
Видео YouTube
ТЕМАТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ
Часть А
А1
. Мономером полисахаридов может быть:
1) аминокислота
2) глюкоза
3) нуклеотид
4) целлюлоза
А2
. В клетках животных запасным углеводом является:
1) целлюлоза
2) крахмал
3) хитин
4) гликоген
А3
. Больше всего энергии выделится при расщеплении:
1) 10 г белка
2) 10 г глюкозы
3) 10 г жира
4) 10 г аминокислоты
А4
. Какую из функций липиды не выполняют?
1) энергетическую
2)каталитическую
3) изоляционную
4) запасающую
А5
. Липиды можно растворить в:
1) воде
2) растворе поваренной соли
3) соляной кислоте
4) ацетоне
Часть В
В1
. Выберите особенности строения углеводов
1) состоят из остатков аминокислот
2) состоят из остатков глюкозы
3) состоят из атомов водорода, углерода и кислорода
4) некоторые молекулы имеют разветвленную структуру
5) состоят из остатков жирных кислот и глицерина
6) состоят из нуклеотидов
В2
. Выберите функции, которые углеводы выполняют в организме
1) каталитическая
2) транспортная
3) сигнальная
4)строительная
5) защитная
6) энергетическая
ВЗ
. Выберите функции, которые липиды выполняют в клетке
1) структурная
2) энергетическая
3) запасающая
4) ферментативная
5) сигнальная
6) транспортная
В4 . Соотнесите группу химических соединений с их ролью в клетке:
РОЛЬ СОЕДИНЕНИЯ В КЛЕТКЕ | СОЕДИНЕНИЕ |
|
|
Часть С
С1 . Почему в организме не накапливается глюкоза, а накапливается крахмал и гликоген?
Тест 2
Часть 1 содержит 10 заданий (А1-10). К каждому заданию приводится 4 варианта ответа, один из которых верный.
Часть 1
А 1. Моносахарид, в молекуле которого содержится пять атомов углерода
1. глюкоза
2. фруктоза
3. галактоза
4. дезоксирибоза
А 2. Химическая связь, соединяющая остатки глицерина и высших жирных кислот в молекуле жира
1. ковалентная полярная
2. ковалентная неполярная
4. водородная
А 3. Мономером крахмала и целлюлозы является
1. глюкоза
2. глицерин
3. нуклеотид
4. аминокислота
А 4. В каком из веществ растворятся липиды
3. физиологический раствор
4. соляная кислота
А 5. Зимостойкость растений повышается при накоплении в клетках:
1. крахмала
3. сахаров
4. минеральных солей
А 6. В каких продуктах содержится наибольшее количество углеводов, необходимых человеку?
1. в сыре и твороге
2. хлебе и картофеле
3. мясе и рыбе
4. растительном масле
А 7. Конечными продуктами гликогена в клетке являются
1. АТФ и вода
2. кислород и углекислый газ
3. вода и углекислый газ
4. АТФ и кислород
А 8. Запасным углеводом в животной клетке является
1. крахмал
2. гликоген
3. целлюлоза
А 9. Сок, не содержащий ферментов, но облегчающий всасывание жиров в тонком кишечнике
1. желудочный сок
2. поджелудочный сок
3. кишечный сок
А 10. У человека углеводы пищи начинают перевариваться в
1. двенадцатипёрстной кишке
2. ротовой полости
3. желудке
4. толстом кишечнике
Часть 2 содержит 8 заданий (В1-В8): 3 – с выбором трёх верных ответов из шести, 3 – на соответствие, 2 – на установление последовательности биологических процессов, явлений, объектов.
Часть 2
В 1. Липиды, встречающиеся только у животных
1. холестерин
2. липопротеиды
3. триглицериды
4. фосфолипиды
5. желчные кислоты
6. тестостерон
В 2. Моносахаридами являются
2. сахароза
3. лактоза
4. глюкоза
5. мальтоза
6. галактоза
В3. Сложные органические соединения, в молекулу которых входит углеводный компонент
1. рибонуклеотиды
2. фосфолипиды
3. дезоксирибонуклеотиды
4. аминокислоты
5. аденозинтрифосфат
6. холестерин
В 4. Формы углеводов в растительных и животных клетках
Клетка Углевод
А) растительные клетки 1. гликоген
Б) животные клетки 2. крахмал
3. целлюлоза
4. гепарин
В 5. Установите соответствие между характеристикой и органическим веществом
Характеристика Органическое вещество
1. Состоят из углерода, водорода и кислорода А. Углеводы
2. Низкая теплопроводность Б. Жиры
3. Образуют биополимеры – полисахариды
4. Обеспечивают взаимодействие клеток одного типа
5. Все они не полярны
6. Практически не растворимы в воде
В 6. Установите соответствие между углеводом и группой углеводов, к которой они относятся
Название углевода Группа углеводов
1.Глюкоза А. моносахариды
2. Сахароза Б. Дисахариды
3. Галактоза В. Полисахариды
4. Крахмал
5. Мальтоза
6. Лактоза
В 7. Расположите моносахариды в порядке возрастания числа атомов углерода в их молекуле
1. диоксиацетон (кетоза)
2. глюкоза
3. элитроза треоза
5. глюкозамин
6. рамно-О
В 8. Расположите жиры в порядке возрастания атомов углерода в их молекуле
1. трипальмитин
2. тристеарин
3. трилаурин
4. трикаприлин
5. тримиристин
Часть 3 содержит 6 заданий. На задание С 1 дайте краткий свободный ответ, а на задания С2-С6 – полный развёрнутый ответ.
Часть 3
С 1. Какую роль для живых организмов играют фосфолипиды и гликолипиды?
С 2. Укажите номера предложений, в которых допущены ошибки. Объясните их.
1. Углеводы представляют собой соединения углерода и водорода.
2. Различают три класса углеводов – моносахариды, дисахариды и полисахариды.
3. Наиболее распространённые моносахариды – сахароза и лактоза.
4. Они растворимы в воде и обладают сладким вкусом.
5. При расщеплении 1 г. глюкозы выделяется 35,2 кДЖ энергии
С 3. Каковы функции углеводов в растительных клетках?
С 4. Объясните, почему запасающую функцию выполняют полисахариды, а не моносахариды?
Ответы:
Часть 1
А1-4 А6-2
А2-1 А7-3
А3-1 А8-2
А4-2 А9-4
А5-3 А10-2
Часть 2
В1-1 3 4
В2-1 4 6
В3-1 3 5
В4 -А 2 3, Б 1 4
В5-А 1 3 4, Б 2 5 6
В6-А1 3, Б 2 5 6, В 4
В7-1 3 4 2 5 6
В8-4 3 5 1 2
Часть 3
С 1. Фосфолипиды и гликолипиды являются компонентами клеточных мембран.
С 2. 1. углерода и воды.
3. дисахариды.
5. 17,6 кДЖ
С 3. 1. Моносахариды и дисахариды выполняют энергетическую функцию.
2. Крахмал – запасное питательное вещество.
3. Целлюлоза входит в состав клеточных стенок.
С 4. 1. Так как полисахариды не растворимы в воде, они не оказывают осмотического и химического действия на клетку.
2. В твёрдом и обезвоженном состоянии имеют меньший объём и большую полезную массу.
3. Менее доступны для болезнетворных бактерий и грибов, так как эти организмы пищу всасывают, а не заглатывают.
4. При необходимости легко превращаются в моносахариды.
Углеводы — органические соединения с общей формулой Cn(H20)m, m > п. Химические свойства углеводов определяются входящими в их состав гидроксильными группами (—ОН). Различают простые (моносахариды) и сложные (олигосахариды, полисахариды) углеводы. Моносахариды состоят из одной молекулы углевода (глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза). В зависимости от количества атомов углерода различают: триозы — три атома, тетрозы — 4 атома, пентозы — 5 атомов, гексозы — шесть атомов и т.д. Свойства моносахаридов: низкая молекулярная масса, сладкий вкус, растворимы в воде, способны кристаллизоваться.Олигосахариды — сахароподобные сложные углеводы, содержащие от 2 до 10 моносахаридных остатков. В зависимости от их количества различают ди-, три-, тетрасахариды и т.д. Дисахариды образуются при соединении двух моносахаридов гликозидной связью (глюкоза + глюкоза = мальтоза, глюкоза + галактоза = лактоза, глюкоза + фруктоза = сахароза). Обычно гликозидная связь образуется между 1-м и 4-м углеродными атомами соседних моносахаридных единиц.
Полисахариды (крахмал и целлюлоза (у растений), гликоген (у животных)). Мономером этих полисахаридов является глюкоза. Могут быть линейными неразветвленными и разветвленными.
Значение углеводов :
. источник энергии в клетке (1 г углевода — 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии);
. резерв клетки (крахмал, гликоген);
. строительная функция (муреин у прокариот; клетчатка у растений и грибов; рибоза и дезоксирибоза в составе нуклеиновых кислот);
. рецепторная функция (гликолипиды);
. защитная функция (гепарин замедляет свертывание крови).
Липиды — жироподобные, нерастворимые в воде вещества. По химическому составу липиды являются сложными эфирами высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Жирные кислоты могут быть как насыщенными (не содержат двойных связей — стеариновая и пальмитиновая), так и ненасыщенными (имеют двойные связи между атомами углерода — олеиновая). В зависимости от особенностей строения молекул различают простые (триглицериды, воски) и сложные (фосфолипиды, гликолипиды, липоиды) липиды. Значение липидов:
. входят в состав мембран (фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины);
. транспорт (липопротеины);
. рецепторы, медиаторы (гликолипиды в составе гликокаликса);
. источник энергии (при расщеплении 1 г жиров освобождается 38,9 кДж энергии);
. запасающая функция;
. защита (водоотталкивающее покрытие — воск растений);
. терморегулятор и теплоизолятор, амортизатор (бурый жир);
. регуляция деятельности клетки и организма (гормоны — эстроген, прогестерон, тестостерон, кортикостерон, кортизон, холестерол), в составе гибберелинов (ростовые вещества у растений);
. источник метаболической воды.
|
|
В состав клеток входит множество органических соединений: углеводы, белки, липиды, нуклеиновые кислоты и другие соединения, которых нет в неживой природе. Органическими веществами называют химические соединения, в состав которых входят атомы углерода.
Атомы углерода способны вступать друг с другом в прочную ковалентную связь, образуя множество разнообразных цепочечных или кольцевых молекул.
Самыми простыми углеродсодержащими соединениями являются углеводороды — соединения, которые содержат только углерод и водород. Однако в большинстве органических, т. е. углеродных, соединений содержатся и другие элементы (кислород, азот, фосфор, сера).
Биологические полимеры (биополимеры). Биологические полимеры — это органические соединения, входящие в состав клеток живых организмов и продуктов их жизнедеятельности.
Полимер (от греч. «поли» — много) — многозвеньевая цепь, в которой звеном является какое-либо относительно простое вещество — мономер. Мономеры, соединяясь между собой, образуют цепи, состоящие из тысяч мономеров. Если обозначить тип мономера определенной буквой, например А, то полимер можно изобразить в виде очень длинного сочетания мономерных звеньев: А—А—А—А—...—А. Это, например, известные вам органические вещества: крахмал, гликоген, целлюлоза и др. Биополимерами являются белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды.
Свойства биополимеров зависят от строения их молекул: от числа и разнообразия мономерных звеньев, образующих полимер.
Если соединить вместе два типа мономеров А и Б, то можно получить очень большой набор разнообразных полимеров. Строение и свойства таких полимеров будут зависеть от числа, соотношения и порядка чередования, т. е. положения мономеров в цепях. Полимер, в молекуле которого группа мономеров периодически повторяется, называют регулярным. Таковы, например, схематически изображенные полимеры с закономерным чередованием мономеров:
А Б А Б А Б А Б...
А А Б Б А А Б Б...
А Б Б А Б Б А Б Б А Б Б...
Однако значительно больше можно получить вариантов полимеров, в которых нет видимой закономерности в повторяемости мономеров. Такие полимеры называют нерегулярными. Схематически их можно изобразить так:
ААБАБББАААББАБББББААБ...
Допустим, что каждый из мономеров определяет какое-либо свойство полимера. Например, мономер А определяет высокую прочность, а мономер Б — электропроводность. Сочетая эти два мономера в разных соотношениях и по-разному чередуя их, можно получить огромное число полимерных материалов с разными свойствами. Если же взять не два типа мономеров (А и Б), а больше, то и число вариантов полимерных цепей значительно возрастет.
Оказалось, что сочетание и перестановка нескольких типов мономеров в длинных полимерных цепях обеспечивает построение множества вариантов и определяет различные свойства биополимеров, входящих в состав всех организмов. Этот принцип лежит в основе многообразия жизни на нашей планете.
Углеводы и их строение. В составе клеток всех живых организмов широкое распространение имеют углеводы. Углеводами называют органические соединения, состоящие из углерода, водорода и кислорода. В большинстве углеводов водород и кислород находятся, как правило, в тех же соотношениях, что и в воде (отсюда их название — углеводы). Общая формула таких углеводов С n (Н 2 0) m . Примером может служить один из самых распространенных углеводов — глюкоза, элементный состав которой С 6 Н 12 0 6 (рис. 2). Глюкоза является простым сахаром. Несколько остатков простых сахаров соединяются между собой и образуют сложные сахара. В составе молока находится молочный сахар, который состоит из остатков молекул двух простых сахаров (дисахарид). Молочный сахар — основной источник энергии для детенышей всех млекопитающих.
Тысячи остатков молекул одинаковых сахаров, соединяясь между собой, образуют биополимеры — полисахариды. В составе живых организмов имеется много разнообразных полисахаридов: у растений это крахмал (рис. 3), у животных — гликоген, тоже состоящий из тысяч молекул глюкозы, но еще более ветвистый. Крахмал и гликоген играют роль как бы аккумуляторов энергии, необходимой для жизнедеятельности клеток организма. Очень богаты крахмалом картофель, зерна пшеницы, ржи, кукурузы и др.
Функции углеводов. Важнейшая функция углеводов — энергетическая. Углеводы служат основным источником энергии для организмов, питающихся органическими веществами. В пищеварительном тракте человека и животных полисахарид крахмал расщепляется особыми белками (ферментами) до мономерных звеньев — глюкозы. Глюкоза, всасываясь из кишечника в кровь, окисляется в клетках до углекислого газа и воды с освобождением энергии химических связей, а избыток ее запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена. В периоды интенсивной мышечной работы или нервного напряжения (либо при голодании) в мышцах и печени животных расщепление гликогена усиливается. При этом образуется глюкоза, которая потребляется интенсивно работающими мышечными и нервными клетками.
Таким образом, биополимеры полисахариды — это вещества, в которых запасается используемая клетками энергия растительных и животных организмов.
В растениях в результате полимеризации глюкозы образуется не только крахмал, но и целлюлоза. Из целлюлозных волокон строится прочная основа клеточных стенок растений. Благодаря особому строению целлюлоза нерастворима в воде и обладает высокой прочностью. По этой причине целлюлозу используют и для изготовления тканей. Ведь хлопок почти чистая целлюлоза. В кишечнике человека и большинства животных нет ферментов, способных расщеплять связи между молекулами глюкозы, входящими в состав целлюлозы. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка.
Известны также сложные полисахариды, состоящие из двух типов простых сахаров, которые регулярно чередуются в длинных цепях. Такие полисахариды выполняют структурные функции в опорных тканях животных. Они входят в состав межклеточного вещества кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эластичность. Таким образом, важной функцией углеводных биополимеров является структурная функция.
Имеются полимеры сахаров, которые входят в состав клеточных мембран; они обеспечивают взаимодействие клеток одного типа, узнавание клетками друг друга. Если разделенные клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся в две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток: клетки почек соединятся в одну группу, а клетки печени — в другую. Утрата способности узнавать друг друга характерна для клеток злокачественных опухолей. Выяснение механизмов узнавания и взаимодействия клеток может иметь важное значение, в частности для разработки средств лечения рака.
Липиды. Липиды разнообразны по структуре. Всем им присуще, однако, одно общее свойство: все они неполярны. Поэтому они растворяются в таких неполярных жидкостях, как хлороформ, эфир, но практически нерастворимы в воде. К липидам относятся жиры и жироподобные вещества. В клетке при окислении жиров образуется большое количество энергии, которая расходуется на различные процессы. В этом заключается энергетическая функция жиров.
Жиры могут накапливаться в клетках и служить запасным питательным веществом. У некоторых животных (например, у китов, ластоногих) под кожей откладывается толстый слой подкожного жира, который благодаря низкой теплопроводности защищает их от переохлаждения, т. е. выполняет защитную функцию.
Некоторые липиды являются гормонами и принимают участие в регуляции физиологических функций организма. Липиды, содержащие остаток фосфорной кислоты (фосфолипиды), служат важнейшей составной частью клеточных мембран, т. е. они выполняют структурную функцию.
Углеводы - органические соединения, состав которых в большинстве случаев выражается общей формулой C n (H 2 O) m (n и m ≥ 4). Углеводы подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды - простые углеводы, в зависимости от числа атомов углерода подразделяются на триозы (3), тетрозы (4), пентозы (5), гексозы (6) и гептозы (7 атомов). Наиболее распространены пентозы и гексозы. Свойства моносахаридов - легко растворяются в воде, кристаллизуются, имеют сладкий вкус, могут быть представлены в форме α- или β-изомеров.
Рибоза и дезоксирибоза относятся к группе пентоз, входят в состав нуклеотидов РНК и ДНК, рибонуклеозидтрифосфатов и дезоксирибонуклеозидтрифосфатов и др. Дезоксирибоза (С 5 Н 10 О 4) отличается от рибозы (С 5 Н 10 О 5) тем, что при втором атоме углерода имеет атом водорода, а не гидроксильную группу, как у рибозы.
Глюкоза, или виноградный сахар (С 6 Н 12 О 6), относится к группе гексоз, 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 расположена под плоскостью кольца, а у β-глюкозы - над плоскостью.
Глюкоза - это:
один из самых распространенных моносахаридов,
важнейший источник энергии для всех видов работ, происходящих в клетке (эта энергия выделяется при окислении глюкозы в процессе дыхания),
мономер многих олигосахаридов и полисахаридов,
необходимый компонент крови.
Фруктоза, или фруктовый сахар , относится к группе гексоз, слаще глюкозы, в свободном виде содержится в меде (более 50%) и фруктах. Является мономером многих олигосахаридов и полисахаридов.
Олигосахариды - углеводы, образующиеся в результате реакции конденсации между несколькими (от двух до десяти) молекулами моносахаридов. В зависимости от числа остатков моносахаридов различают дисахариды, трисахариды и т. д. Наиболее распространены дисахариды. Свойства олигосахаридов - растворяются в воде, кристаллизуются, сладкий вкус уменьшается по мере увеличения числа остатков моносахаридов. Связь, образующаяся между двумя моносахаридами, называетсягликозидной .
Сахароза, или тростниковый, или свекловичный сахар , - дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и фруктозы. Содержится в тканях растений. Является продуктом питания (бытовое название - сахар ). В промышленности сахарозу вырабатывают из сахарного тростника (стебли содержат 10–18%) или сахарной свеклы (корнеплоды содержат до 20% сахарозы).
Мальтоза, или солодовый сахар , - дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Присутствует в прорастающих семенах злаков.
Лактоза, или молочный сахар , - дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы. Присутствует в молоке всех млекопитающих (2–8,5%).
Полисахариды - это углеводы, образующиеся в результате реакции поликонденсации множества (несколько десятков и более) молекул моносахаридов. Свойства полисахаридов - не растворяются или плохо растворяются в воде, не образуют ясно оформленных кристаллов, не имеют сладкого вкуса.
Крахмал (С 6 Н 10 О 5) n - полимер, мономером которого является α-глюкоза. Полимерные цепочки крахмала содержат разветвленные (амилопектин, 1,6-гликозидные связи) и неразветвленные (амилоза, 1,4-гликозидные связи) участки. Крахмал - основной резервный углевод растений, является одним из продуктов фотосинтеза, накапливается в семенах, клубнях, корневищах, луковицах. Содержание крахмала в зерновках риса - до 86%, пшеницы - до 75%, кукурузы - до 72%, в клубнях картофеля - до 25%. Крахмал - основной углевод пищи человека (пищеварительный фермент - амилаза).
Гликоген (С 6 Н 10 О 5) n - полимер, мономером которого также является α-глюкоза. Полимерные цепочки гликогена напоминают амилопектиновые участки крахмала, но в отличие от них ветвятся еще сильнее. Гликоген - основной резервный углевод животных, в частности, человека. Накапливается в печени (содержание - до 20%) и мышцах (до 4%), является источником глюкозы.
Целлюлоза (С 6 Н 10 О 5) n - полимер, мономером которого является β-глюкоза. Полимерные цепочки целлюлозы не ветвятся (β-1,4-гликозидные связи). Основной структурный полисахарид клеточных стенок растений. Содержание целлюлозы в древесине - до 50%, в волокнах семян хлопчатника - до 98%. Целлюлоза не расщепляется пищеварительными соками человека, т.к. у него отсутствует фермент целлюлаза, разрывающий связи между β-глюкозами.
Инулин - полимер, мономером которого является фруктоза. Резервный углевод растений семейства Сложноцветные.
Гликолипиды - комплексные вещества, образующиеся в результате соединения углеводов и липидов.
Гликопротеины - комплексные вещества, образующиеся в результате соединения углеводов и белков.
Функции углеводов
|
Функция |
Примеры и пояснения |
|
Энергетическая |
Основной источник энергии для всех видов работ, происходящих в клетках. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж. |
|
Структурная |
Из целлюлозы состоит клеточная стенка растений, из муреина - клеточная стенка бактерий, из хитина - клеточная стенка грибов и покровы членистоногих. |
|
Запасающая |
Резервным углеводом у животных и грибов является гликоген, у растений - крахмал, инулин. |
|
Защитная |
Слизи предохраняют кишечник, бронхи от механических повреждений. Гепарин предотвращает свертывание крови у животных и человека. |
Смотри здесь анимацию о классификации и биологических функциях углеводов
Строение и функции липидов
Липиды не имеют единой химической характеристики. В большинстве пособий, давая определение липидам , говорят, что это сборная группа нерастворимых в воде органических соединений, которые можно извлечь из клетки органическими растворителями - эфиром, хлороформом и бензолом. Липиды можно условно разделить на простые и сложные.
Простые липиды в большинстве представлены сложными эфирами высших жирных кислот и трехатомного спирта глицерина - триглицеридами. Жирные кислоты имеют: 1) одинаковую для всех кислот группировку - карбоксильную группу (–СООН) и 2) радикал, которым они отличаются друг от друга. Радикал представляет собой цепочку из различного количества (от 14 до 22) группировок –СН 2 –. Иногда радикал жирной кислоты содержит одну или несколько двойных связей (–СН=СН–), такую жирную кислоту называют ненасыщенной . Если жирная кислота не имеет двойных связей, ее называют насыщенной . При образовании триглицерида каждая из трех гидроксильных групп глицерина вступает в реакцию конденсации с жирной кислотой с образованием трех сложноэфирных связей.
Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты , то при 20°С они - твердые; их называют жирами , они характерны для животных клеток. Если в триглицеридах преобладают ненасыщенные жирные кислоты , то при 20 °С они - жидкие; их называют маслами , они характерны для растительных клеток.
1 - триглицерид; 2 - сложноэфирная связь; 3 - ненасыщенная жирная кислота; 4 - гидрофильная головка; 5 - гидрофобный хвост.
Плотность триглицеридов ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают, находятся на ее поверхности.
К простым липидам также относят воски - сложные эфиры высших жирных кислот и высокомолекулярных спиртов (обычно с четным числом атомов углерода).
Сложные липиды . К ним относят фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины и др.
Фосфолипиды - триглицериды, у которых один остаток жирной кислоты замещен на остаток фосфорной кислоты. Принимают участие в формировании клеточных мембран.
Гликолипиды - см. выше.
Липопротеины - комплексные вещества, образующиеся в результате соединения липидов и белков.
Липоиды - жироподобные вещества. К ним относятся каротиноиды (фотосинтетические пигменты), стероидные гормоны (половые гормоны, минералокортикоиды, глюкокортикоиды), гиббереллины (ростовые вещества растений), жирорастворимые витамины (А, D, Е, К), холестерин, камфора и т.д.
Смотри здесь анимацию о классификации и биологических функциях липидов
Функции липидов
|
Функция |
Примеры и пояснения |
|
Энергетическая |
Основная функция триглицеридов. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж. |
|
Структурная |
Фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины принимают участие в образовании клеточных мембран. |
|
Запасающая |
Жиры и масла являются резервным пищевым веществом у животных и растений. Важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания. Масла семян растений необходимы для обеспечения энергией проростка. |
|
Защитная |
Прослойки жира и жировые капсулы обеспечивают амортизацию внутренних органов. Слои воска используются в качестве водоотталкивающего покрытия у растений и животных. |
|
Теплоизоляционная |
Подкожная жировая клетчатка препятствует оттоку тепла в окружающее пространство. Важно для водных млекопитающих или млекопитающих, обитающих в холодном климате. |
|
Регуляторная |
Гиббереллины регулируют рост растений. Половой гормон тестостерон отвечает за развитие мужских вторичных половых признаков. Половой гормон эстроген отвечает за развитие женских вторичных половых признаков, регулирует менструальный цикл. Минералокортикоиды (альдостерон и др.) контролируют водно-солевой обмен. Глюкокортикоиды (кортизол и др.) принимают участие в регуляции углеводного и белкового обменов. |
|
Источник метаболической воды |
При окислении 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды. Важно для обитателей пустынь. |
|
Каталитическая |
Жирорастворимые витамины A, D, E, K являются кофакторами ферментов, т.е. сами по себе эти витамины не обладают каталитической активностью, но без них ферменты не могут выполнять свои функции. |