Лекция: «Биополимеры. Углеводы, липиды».

 

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 (Н₂О)_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 С₆Н₁₂О₆).

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 (С₅Н₁₀О₄) отличается от рибозы (С₅Н₁₀О₅) 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 СО₂.

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 –СН₂. 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.