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. |
Чтобы пользоваться предварительным просмотром презентаций создайте себе аккаунт (учетную запись) Google и войдите в него: https://accounts.google.com
Подписи к слайдам:
Углеводы. Липиды Химический состав клеток Лузганова И.Н., учитель биологии МБОУ СОШ имени А.М.Горького, г. Карачев
Цели урока: В ыяснить, какие процессы, являющиеся качественным скачком от неживой природы к живой, исследуют ученые на молекулярном уровне. И зучить состав, строение и функции углеводов, липидов
ВЕЩЕСТВА в составе организма НЕОРГАНИЧЕСКИЕ ОРГАНИЧЕСКИЕ Соединения Ионы Малые молекулы Макромолекулы (биополимеры) Вода Соли, кислоты и др. Анионы Катионы Моносахариды Аминокислоты Нуклеотиды Липиды Другие Полисахариды Белки Нуклеиновые кислоты
Органические вещества Это химические соединения, в состав которых входят атомы углерода. Характерны только для живых организмов Органические вещества жиры белки углеводы (липиды) нуклеиновые кислоты
Биополимеры Органические соединения, имеющие большие размеры называют макромолекулами. Макромолекулы, состоят из повторяющихся, сходных по структуре низкомолекулярных соединений, связанных между собой ковалентной связью – МОНОМЕРОВ. Образованная из мономеров макромолекула называется ПОЛИМЕРОМ.
Органические соединения, входящие в состав живых клеток называются БИОПОЛИМЕРАМИ. БИОПОЛИМЕРЫ – это линейные или разветвленные цепи, содержащие множество мономерных звеньев. Биополимеры
Биополимеры ПОЛИМЕРЫ ГОМОПОЛИМЕРЫ ГЕТЕРОПОЛИМЕРЫ представлены одним видом мономеров (А – А – А – А...) представлены несколькими различными мономерами (А – В – С – А – D ...) РЕГУЛЯРНЫЕ НЕРЕГУЛЯРНЫЕ группа мономеров периодически повторяется … А-В-А-В-А-В... … А-А-В-В-В-А-А-В-В-В … … А-В-С-А-В-С-А-В-С … нет видимой повторяемости мономеров …А-В-А-А-В-А-В-В-В-А... А-В-С-В-В-С-А-С-А-А-С
Свойства биополимеров Биополимеры Число, состав, порядок мономеров Построение множества вариантов молекул Основа многообразия жизни на планете
Химический состав Содержание в клетке Структура (строение) Свойства Функции Биополимеры ПЛАН ХАРАКТЕРИСТИКИ:
Органические вещества Органические вещества жиры белки углеводы (липиды) нуклеиновые кислоты Соединенные друг с другом атомы углерода образуют различные структуры – остов молекул органических веществ:
УГЛЕВОДЫ Клетки С, О, Н С n (Н 2 О) n Р - 70-90% Ж - 1-2% от сухой массы 1-2% С 5 Н 10 О 5 С 3 Н 6 О 3 С 6 Н 12 О 6 С 4 Н 8 О 4 Образуются из воды (Н 2 О) и углекислого газа (СО 2) в процессе фотосинтеза, происходящего в хлоропластах зеленых растений
Моно– Олиго(ди)– Поли– С А Х А Р И Д Ы С 3 Триозы (ПВК, молочная к-та) С 4 Тетрозы С 5 Пентозы (рибоза, фруктоза, дезоксирибоза) С 6 Гексозы (глюкоза, галактоза) Сахароза (глюкоза+фруктоза) Мальтоза (глюкоза+глюкоза) Лактоза (глюкоза+галактоза) Крахмал Целлюлоза Гликоген Хитин (М) (М+М) (М+М+…+М) УГЛЕВОДЫ ПРОСТЫЕ СЛОЖНЫЕ У всех углеводов есть карбонильная группа:
Линейная форма Ф р у к т о з а Г л ю к о з а МОНОСАХАРИДЫ: Свойства: Бесцветные, сладкие, растворимые, кристаллизуются, проходят через мембраны ЛЕГКО Молекулы моносахаридов – линейные цепочки атомов углерода. В растворах принимают циклическую форму Циклическая форма Линейная форма Циклическая форма Галактоза Являются важным источником энергии для любой клетки
Рибоза Дезоксирибоза МОНОСАХАРИДЫ: Свойства: Бесцветные, сладкие, растворимые, кристаллизуются, проходят через мембраны ЛЕГКО Молекулы моносахаридов – линейные цепочки атомов углерода. В растворах принимают циклическую форму Входят в состав нуклеиновых кислот
Бесцветные Сладкие Растворимые ДИСАХАРИДЫ: С а х а р о з а (глюкоза + фруктоза) М а л ь т о з а (глюкоза + глюкоза) Л а к т о з а (глюкоза + галактоза) Свойства:
ПОЛИСАХАРИДЫ: Целлюлоза Молекулы имеют линейное (неразветвленное) строение, вследствие чего целлюлоза легко образует волокна. Нерастворима в воде и не обладает сладким вкусом. Из нее состоят стенки растительных клеток. Выполняет опорную и защитную функцию.
ПОЛИСАХАРИДЫ: Крахмал Откладывается в виде включений и служит запасным энергетическим веществом растительной клетки
ПОЛИСАХАРИДЫ: Гликоген Молекула состоит примерно из 30 000 остатков глюкозы. По структуре напоминает крахмал, но сильнее разветвлен и лучше растворяется в воде. Откладывается в виде включений и служит запасным энергетическим веществом животной клетки.
ПОЛИСАХАРИДЫ: Хитин Органическое вещество из группы полисахаридов, образующее наружный твёрдый покров и скелет членистоногих, грибов и бактерий и входящее в клеточные оболочки (C 8 H 13 O 5 N)
Строительная Оболочка из целлюлозы в растительных клетках, хитин в скелете насекомых и в стенке клеток грибов обеспечивают клеткам и организмам прочность, упругость и защиту от большой потери влаги. ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ
Структурная Моносахара могут соединяться с жирами, белками и другими веществами. Например, рибоза входит в состав всех молекул РНК, а дезоксирибоза - в ДНК. ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ
Запасающая Моно- и олигосахара благодаря своей растворимости быстро усваиваются клеткой, легко мигрируют по организму, поэтому непригодны для длительного хранения. Роль запаса энергии играют огромные нерастворимые в воде молекулы полисахаридов. У растений – крахмал, а у животных и грибов – гликоген. ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ Гликоген в клетках печени
Транспортная В растениях сахароза служит растворимым резервным сахаридом, и транспортной формой, которая легко переносится по растению. Сигнальная Имеются полимеры сахаров, которые входят в состав клеточных мем- бран; 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 взаимодейст-вию однотипных клеток: клетки почек соединятся в одну группу, а клетки печени - в другую). ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ
Энергетическая (17,6 кДж) Моно - и олигосахара являются важным источником энергии для любой клетки. Расщепляясь, они выделяют энергию, которая запасается в виде молекул АТФ, которые используется во многих процессах жизнедеятельности клетки и всего организма. ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ Защитная («слизь») Вязкие секреты (слизь), выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (например, гликопротеидами). Они предохраняют пищевод, кишки, желудок, бронхи от механических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов.
УГЛЕВОДЫ С, О, Н СЛОЖНЫЕ Моно– Олиго(ди)– Поли– С А Х А Р И Д Ы Триозы (ПВК, молочная к-та) Тетрозы Пентозы (рибоза, фруктоза, дезоксирибоза) Гексозы (глюкоза, галактоза) Сахароза (глюкоза+фруктоза) Мальтоза (глюкоза+глюкоза) Лактоза (глюкоза+галактоза) Крахмал Целлюлоза Гликоген Хитин сладкие растворимые кристаллизуются проход. ч/з мембраны ЛЕГКО безвкусные растворяются кристаллизуются проходят ч/з мембраны НЕ у
С, О, Н спирт (глицерин) жирные кислоты + ГИДРОФОБНЫ РАСТВОРЯЮТСЯ В БЕНЗИНЕ, ЭФИРЕ, ХЛОРОФОРМЕ 5-10%, в жировых клетках до 90% СВОЙСТВА: ЛИПИДЫ
ФОСФОЛИПИДЫ СТЕРОИДЫ ЛИПОПРОТЕИНЫ ГЛИКОЛИПИДЫ ТРИГЛИЦЕРИДЫ ВОСКА ЛИПИДЫ Виды липидов
ЖИРЫ (твердые) МАСЛА (жидкие) ТРИГЛИЦЕРИДЫ Спирт глицерин + жирные кислоты Спирт + ненасыщенные (предельные) жирные кислоты Виды липидов
ФОСФОЛИПИДЫ Глицерин + жирные кислоты + остаток фосфорной кислоты МЕМБРАНЫ КЛЕТОК Виды липидов
Сложные эфиры высших жирных кислот и одноатомных высокомолекулярных спиртов ВОСКА Растительные Животные Виды липидов
СТЕРОИДЫ ВИТАМИНЫ (К, E , D , А) ГОРМОНЫ (надпочечников, половые) Спирт холестерол + жирные кислоты Виды липидов
ЛИПОПРОТЕИНЫ ГЛИКОЛИПИДЫ Липиды + углеводы Липиды + белки Виды липидов Почти все липопротеины образуются в печени. Основной функцией липопротеинов является транспорт липидных компонентов к тканям. Локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности. могут участвовать в межклеточных взаимодействиях и контактах. Некоторые из них являются антигенами.
ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ Запасающая
Опорно-структурная ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ Липиды принимают участие в построении мембран клеток всех органов и тканей обуславливая их полупроницаемость, участвуют в образовании многих биологически важных соединений.
Энергетическая ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ На долю липидов приходит-ся 25-30% всей энергии, необходимой организму. При окислении 1 г жира выделяется 39,1 кДж энергии Жирорастворимые витамины К, Е, D , А являются коферментами (небелковой частью) ферментов Каталитическая Гормоны – стероиды (половые, надпочечников) способны изменять активность многих ферментов, усиливая или подавляя действие ферментов и тем самым регулируя протекание физиологических процессов в организме Регуляторная (гормональная)
Защитная ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ Механическая (амортизация ударов, жировая прослойка брюшной полости защищает внутренние органы от повреждений) Терморегуляционная (теплоизоляционная) – жир плохо проводит тепло и холод. Электроизо- ляционная (миелиновая оболочка нервных волокон)
Источник метаболической воды ФУНКЦИИ ЛИПИДОВ При распаде 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды
ЛИПИДЫ С, О, Н спирт (глицерин) жирные кислоты + ГИДРОФОБНЫ 5-10%, в жировых клетках до 90% ЖИРЫ (твердые) МАСЛА (жидкие) ФОСФО-ЛИПИДЫ СТЕРОИДЫ ЛИПОПРОТЕИНЫ ГЛИКОЛИПИДЫ -ФУНКЦИИ- ТРИГЛИЦЕРИДЫ Спирт глицерин + жирные кислоты Спирт + ненасыщенные (предельные) жирные кислоты Спирт + непредельные жирные кислоты Глицерин + жирные кислоты + остаток фосфорной кислоты Сложные эфиры высших жирных кис-лот и одноатомных высокомолекулярных спиртов ВОСКА Липиды + углеводы Липиды + белки Спирт холестерол + жирные кислоты ВИТАМИНЫ (А, D. E , К) ГОРМОНЫ (надпочечников, половые) Опорно-структурная Регуляторная (гормональная) Энергетическая 39,1 кДж Каталитическая Запасающая Источник метаболической воды Защитная (терморегуляторная) Бензин, эфир, хлороформ
Рассмотрите рисунок 15. Какими свойствами обладают жир, масло и сахар? Какое значение имеют эти вещества для организмов?
В состав живого входят органические вещества. Они различаются по составу, свойствам и биологическим функциям, имеют молекулярную массу от 30 до нескольких тысяч единиц. Низкомолекулярные органические вещества состоят из одного структурного звена, тогда как высокомолекулярные соединения могут содержать от нескольких единиц до тысячи структурных звеньев. Такие вещества называются полимерами (отгреч. полимерес - многочисленный), а их структурные звенья - мономерами (один).
К органическим веществам липидам относятся жиры, масла, фосфолипиды, воски (рис. 15). В зависимости от типа клеток содержание липидов колеблется от 5% до 90%, например в клетках жировой ткани. Липиды нерастворимы в воде, т. е. гидрофобны. Фосфолипиды, в отличие от жира и масла, имеют в своем составе остаток фосфорной кислоты, которая хорошо растворима в воде. Поэтому фосфолипиды обладают двойственными свойствами - гидрофильно-гидрофобными.
Рис. 15. Липиды: 1 - схема строения молекулы жира; 2 - схема строения молекулы фосфолипида
Основная функция липидов в живом - энергетическая. При окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. Жиры и масла являются запасными питательными веществами в клетках растений (рис. 16) и животных, источником воды в организме, которая образуется при их расщеплении. Другая, не менее важная функция липидов - строительная. Фосфолипиды входят в состав мембран клеток. Из воска пчелы строят свои соты.
Рис. 16. Семянки подсолнечника богаты маслом
Липиды выполняют также защитную и терморегуляторную функцию. Подкожный жировой слой у многих млекопитающих предохраняет их от переохлаждения, повреждения внутренних органов при механическом воздействии (рис. 17). Восковой налет на листьях некоторых растений, например хвоинок ели и сосны, препятствует избыточному испарению, воздействию низких температур и солнечных лучей. Еще одна важная функция липидов - регуляторная. Гормон надпочечников (кортизон) и половые гормоны (тестостерон и эстрадиол) - липиды. Некоторые липиды являются компонентами витаминов D и E.
Рис. 17. Кит имеет толстый подкожный слой жира
Сахаристые или сахароподобные вещества - углеводы, имеют общую формулу. В клетках животных содержание углеводов составляет от 1 до 3% (в клетках печени животных до 5%). В клетках растений находится до 90% углеводов, где они служат основным строительным материалом и запасным питательным веществом (рис. 18, 19).
Рис. 18. Глюкозой богаты ягоды винограда
Рис. 19. Крахмал запасается в органах растений, например в клубнях картофеля
Все углеводы разделяют на моносахариды и полисахариды (рис. 20). К моносахаридам относят, например, глюкозу и рибозу. Это бесцветные кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус. Полисахариды - высокомолекулярные полимеры, мономеры которых представляют собой повторяющиеся звенья, чаще всего молекул глюкозы. К полисахаридам относят крахмал, гликоген, целлюлозу. В отличие от моносахаридов, полисахариды не имеют сладкого вкуса, в воде растворяются плохо или совсем нерастворимы.
Рис. 20. Углеводы: 1 - схема строения молекулы глюкозы; 2 - схема строения молекулы целлюлозы; 3 - схема строения молекулы крахмала
В организме углеводы выполняют в основном строи тельную и энергетическую функции. Из целлюлозы состоит оболочка растительных клеток. По общей массе в живой природе Земли она занимает первое место среди органических соединений. Полисахарид хитин входит в состав кожных покровов членистоногих и оболочки клеток грибов.
Крахмал и гликоген - запасные питательные вещества клеток. Крахмал синтезируется и запасается в клетках растений, а гликоген - в клетках животных, в частности в печени. Эти углеводы, наряду с глюкозой, выполняют в организме также и энергетическую функцию. При окислении 1г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии. Количество образовавшейся теплоты в этом случае меньше, чем при окислении жиров. Однако углеводы быстрее расщепляются и усваиваются организмом, чем жиры. Например, клетки нервной ткани используют глюкозу как основной источник энергии.
Упражнения по пройденному материалу
- Что такое полимер и мономер? Какие органические вещества живого относят к полимерам?
- Почему жиры обладают гидрофобными свойствами? Сравните их растворимость с фосфолипидами. Чем объясняются различия?
- В организме моржей, тюленей и других северных животных накапливается толстый слой подкожного жира. Какие функции он выполняет в организме этих животных?
- Какие углеводы относятся к моносахаридам и полисахаридам? Какие функции они выполняют в организмах?
Характеристика углеводов.
Кроме неорганических веществ в состав клетки входят и органические вещества: белки, углеводы, липиды, нуклеиновые кислоты и низкомолекулярные органические вещества.
Белки 10-20% Вода 75-85%
Жиры 1-5% Неорганические вещества 1,0-1,5%
Углеводы 0,2-2,0 %
Нуклеиновые кислоты 1-2%
Низкомолекулярные органические вещества - 0,1-0,5%
Органические вещества относятся к группе полимеров. Различают регулярные полимеры и нерегулярные полимеры. Важное место среди них занимают углеводы, соединения, в состав которых входят атомы углерода, кислорода и водорода. Их общая формула С m (Н 2 О) n , они делятся на простые и сложные углеводы.
Простые углеводы называют моносахаридами. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле моносахаридов различают: триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С), гептозы (7С). В природе наиболее широко распространены пентозы и гексозы. Важнейшие из пентоз - дезоксирибоза и рибоза, входящие в состав ДНК, РНК и АТФ; из гексоз наиболее распространены глюкоза, фруктоза и галактоза (общая формула С 6 Н 12 О 6).
Моносахариды могут быть представлены в форме a- и b-изомеров. Гидроксильная группа при первом атоме углерода может располагаться как под плоскостью цикла (a-изомер), так и над ней (b-изомер). Молекулы крахмала состоят из остатков a-глюкозы, целлюлозы - из остатков b-глюкозы.
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.
Сложными называют углеводы, молекулы которых при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов. Среди сложных углеводов различают олигосахариды и полисахариды.
Олигосахаридами называют сложные углеводы, содержащие от 2 до 10 моносахаридных остатков. В зависимости от количества остатков моносахаридов, входящих в молекулы олигосахаридов, различают дисахариды, трисахариды, и т.д. Наиболее широко распространены в природе дисахариды, молекулы которых образованы двумя остатками моносахаридов - мальтоза, состоящая из двух остатков a-глюкозы, молочный сахар - лактоза и свекловичный (или тростниковый) сахар. Встречаются в природе в свободном виде или в составе полисахаридов.
Полисахариды образуются в результате реакций поликонденсации.
Важнейшие полисахариды - крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин, муреин. Крахмал - основной резервный углевод растений, гликоген - у животных и человека. Целлюлоза - основной структурный углевод клеточных стенок растений, она нерастворима в воде, является линейным полимером b-глюкозы.К свойствам моносахаридов и олигосахаридов относится их растворимость в воде, сладкий вкус. С увеличением числа мономерных звеньев растворимость падает и сладкий вкус исчезает, полисахариды в воде нерастворимы.
Функции. Важнейшая функция углеводов - энергетическая , углеводы - основные источники энергии в животном организме. При расщеплении 1 г углевода выделяется 17,6 кДж, метаболическая вода и СО 2 .
Запасающая функция выражается в накоплении крахмала клетками растений и гликогена клетками животных, которые играют роль источников глюкозы, легко высвобождая ее по мере необходимости.
Структурная функция. Углеводы входят в состав клеточных мембран и клеточных стенок (целлюлоза входит в состав клеточной стенки растений, из хитина образован панцирь членистоногих, различные олиго- и полисахариды образуют клеточную стенку бактерий).
Соединяясь с липидами и белками, образуют гликолипиды и гликопротеины .
Рибоза и дезоксирибоза входят в состав мономеров нуклеотидов .
Защитная функция. Слизи, выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными (например, гликопротеинами). Они предохраняют пищевод, кишечник, желудок, бронхи от механических повреждений, препятствуют проникновению в организм бактерий и вирусов. Гепарин предотвращает свертывание крови в организме животных и человека.
Характеристика липидов.
Липиды - сборная группа органических соединений, не имеющих единой химической характеристики. Их объединяет то, что все они нерастворимы в воде, но хорошо растворимы в органических растворителях (эфире, хлороформе, бензине). Содержатся во всех клетках животных и растений. Содержание липидов в клетках составляет 5-15% сухой массы, но в жировой ткани может иногда достигать 90%.
В зависимости от особенности строения молекул различают: простые и сложные липиды. К простым липидам относятся жиры. Они входят в состав организма человека, животных, растений, микробов, некоторых вирусов. Содержание жиров в биологических объектах, тканях и органах может достигать 90%.
Жиры (триглицериды) - это сложные эфиры высших жирных кислот и трехатомного спирта - глицерина.
Это самые распространенные в природе липиды. В составе триглицеридов обнаружено более 500 жирных кислот, молекулы которых имеют сходное строение. Жирные кислоты имеют одинаковую для всех кислот группировку - карбоксильную группу (–СООН) и радикал, которым они отличаются друг от друга. Карбоксильная группа образует головку жирной кислоты. Она полярна, поэтому гидрофильна. Радикал представляет собой углеводородный хвост, отличающийся у разных жирных кислот количеством группировок –СН 2 . Он неполярен, поэтому гидрофобен. При образовании молекулы триглицерида каждая из трех гидроксильных (-ОН) групп глицерина вступает в реакцию конденсации с жирной кислотой, образуется три сложноэфирные связи, поэтому образовавшееся соединение называют сложным эфиром. Физические свойства зависят от состава их молекул. Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты, то они твердые (жиры), если ненасыщенные - жидкие (масла). Плотность жиров ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают и находятся на поверхности.Воски - группа простых липидов, представляющих собой сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов.
Фосфолипиды - сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остаток фосфорной кислоты. Как правило, в молекуле фосфолипидов имеется два остатка высших жирных и один остаток фосфорной кислоты. Присутствуют во всех клетках живых существ, участвуя главным образом в формировании клеточных мембран.
Гликолипиды - это вещества, образующиеся в результате соединения липидов с углеводами. Локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.
Стероиды - широко распространенный в животных тканях холестерин, эстрадиол и тестостерон - соответственно женский и мужской половые гормоны; терпены - эфирные масла, от которых зависит запах растений; гиббереллины - ростовые вещества растений; некоторые пигменты (хлорофилл, билирубин) и витамины (А, D, E, K).Функции липидов. Основная функция липидов - энергетическая. В ходе расщепления 1 г жиров до С02 и Н20 освобождается 38,9 кДж. Структурная - липиды принимают участие в образовании клеточных мембран. В составе мембран находятся фосфолипиды, гликолипиды, липопротеины. Запасающая функция - жиры являются запасным веществом животных и растений. Это особенно важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания (верблюды в пустыне). Семена многих растений содержат жир, необходимый для обеспечения энергией развивающееся растение. Терморегуляторная - являются хорошими термоизоляторами вследствие плохой теплопроводимости. Защитно-механическая - защищают организм от механических воздействий. Каталитическая функция связана с жирорастворимыми витаминами (А, D, E, K). Сами по себе витамины не обладают каталитической активностью, но они входят в состав многих ферментов, без них данные ферменты не могут выполнять свои функции. Источник метаболический воды - одним из продуктов окисления жиров является вода. Эта метаболическая вода очень важна для обитателей пустынь. Так, жир, которым заполнен горб верблюда, служит не только запасным источником энергии, но и источником воды (при окислении 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды). И, наконец, запасы жира повышают плавучесть водных животных.
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, называется гликозидной .
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.
(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
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.
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. |
Перейти к лекции №1 «Введение. Химические элементы клетки. Вода и другие неорганические соединения»
Перейти к лекции №3 «Строение и функции белков. Ферменты»
