Лекция Биополимеры. Углеводы и липиды

План

1. Биологические полимеры
2. Углеводы и их строение
3. Функции углеводов
4. Липиды их строение и функции

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).

Органические соединения — углеродсодержащие ве­щества, характерные для живой природы, — составля­ют в среднем 20—30% массы клеток живых организ­мов. Главные свойства клеток и организмов определяют органические полимеры: белки, углеводы, нуклеиновые кислоты, а также сложные соединения — жиры и ряд молекул гормонов, пигментов, отдельных нуклеотидов, в частности АТФ (аденозинтрифосфорная кислота).

1. 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 ББАББАББ А...

Однако значительно больше можно получить вариантов по­лимеров, в которых нет видимой закономерности в повторяемо­сти мономеров. Такие полимеры называют нерегулярными.

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.

2. 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 C_n(H₂0)_m. Примером может служить один из самых распространенных углеводов — глюкоза, элементный состав ко­торой С₆Н₁₂0₆ (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.

Углеводы, или сахариды, — органические веще­ства с общей формулой С_п(Н₂0)_л, где п не меньше трех. Соотношение водорода и кислорода в формуле углево­дов аналогично их соотношению в молекуле воды, отсю­да их название. Наиболее богаты углеводами раститель­ные клетки, в которых содержание сахаридов достигает в некоторых случаях 90% от сухой массы (клубни кар­тофеля, семена), в животной клетке углеводы содер­жатся в количестве 2—5%. Все углеводы подраз­деляются на три группы: моносахариды, дисахариды и полисахариды. Несколько молекул моносахаридов, соединяясь между собой с выделением воды, образуют молекулу полисахарида, полимера: —

• моносахариды (простые сахара) подразделяют в зависимости от числа углеродных атомов в молеку­ле на: триозы, содержащие 3 атома углерода, тетрозы — 4, пентозы — 5, гексозы — 6 атомов углерода. Из триоз большое значение имеют глицерин и его про­изводные (молочная и пировиноградная кислоты). Из тетроз — эритроза. К пентозам относятся рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав РНК и ДНК. Среди гексоз наибольшее значение для живых организмов имеют глюкоза, фруктоза и галактоза, их общая фор­мула С₆Н₁₂О_6. Моносахариды растворимы в воде. Они являются основным источником энергии в клетке. Окисление 1 г глюкозы дает 17,1 кДж энергии;
• дисахариды, олигосахариды состоят из двух мо­носахарид, соединенных гликозидной связью. К ним относятся сахароза, лактоза и мальтоза. Растворяются в воде, обладают сладким вкусом;
• полисахариды — высокомолекулярные углево­ды, состоящие из большого числа моносахаридов, их молекулярная масса велика, молекулы имеют линей­ную или разветвленную структуру. В функциональ­ном отношении различают полисахариды резервного и структурного назначения. Не растворимый в холод­ной воде крахмал — главный резервный полисахарид растений; содержится в большом количестве в клуб­нях картофеля, плодах, семенах. Гликоген — полиса­харид, содержащийся в тканях тела человека и живо­тных, а также в грибах и дрожжах, — играет важную роль в превращениях углеводов в клетках. Клетчат­ка (целлюлоза) — основной структурный полисаха­рид клеточных оболочек растений. В ней содержится почти 50% всего углерода биосферы. Полисахариды подразделяются на гомо- и гетерополисахариды. Первые состоят из моносахаридов толь­ко одного вида; вторые — из моносахаридов разных типов и их производных. Комплексы с белками имеют название гликопротеиды, с жирами — гликолипиды.

3. Функции углеводов: энергетическая, структурная, сигнальная (гликопротеид). Секреты различных желез животных и человека содержат углеводы и их про­изводные. В растениях полисахариды выполняют и опорную функцию.

4. Липиды Липиды и липоиды (греч. lipos — жир) — жиры и жироподобные вещества — органические соединения с различной структурой. Они не растворяются в воде, но хорошо растворяются в органических растворите­лях: эфире, бензине, хлороформе и др. Содержание жира в клетках обычно невелико, составляет 5—15% от су­хой массы, однако клетки жировой ткани могут содер­жать жира до 90% от сухой массы.

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. Некоторые липиды являются гормонами и принимают учас­тие в регуляции физиологических функций организма. Липи­ды, содержащие фосфор (фосфолипиды), служат важнейшей со­ставной частью клеточных мембран, т. е. они выполняют струк­турную функцию. По химической структуре липиды — соединения глицерина — трехатомного спирта с высокомолеку­лярными органическими кислотами (жирными), не имеют полимерной структуры:

Н₂С — О — остаток жирной кислоты

НС — О — остаток жирной кислоты

Н₂С — О — остаток жирной кислоты.

Функции липидов:

• структурная. Жиры участвуют в образовании мембран клеток всех органов и тканей, обеспечивают их полупроницаемость. Основные компоненты мемб­ран клеток — фосфолипиды. Это жироподобные веще­ства, у которых одна молекула жирной кислоты заме­щена на Н₂РО₄. Липиды участвуют в образовании многих биологи­чески важных соединений:
• энергетическая. При полном сгорании 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии, что примерно вдвое боль­ше по сравнению с углеводами и белками. Липиды обес­печивают 25—30% всей энергии, необходимой организму;
• резервная — проявляется в том, что, накапливаясь в клетках жировой ткани животных, семенах и плодах растений, жир служит запасным источником питания;
• терморегуляции эта функция связана с тем, что жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей, образуя у некоторых животных большие скопления (у китов до 1 м), что позволяет животным обитать в районах с низкой температурой. У многих млекопитающих существует своеобразный биологический «обогреватель» — жировая ткань бу­рого цвета, так называемый «бурый жир». Эта ткань очень богата митохондриями красно-бурой окраски из- за находящихся в них железосодержащих белков. В ней производится тепловая энергия, имеющая для мле­копитающих большое значение в условиях жизни при низких температурах. Жиры — поставщики так называемой эндогенной воды: при окислении 100г жира выделяется 107 мл воды. Благодаря такой воде существуют многие пус­тынные животные;
• регуляции обменных процессов. Многие липиды являются предшественниками в биологическом синте­зе ряда гормонов и регуляторных веществ. Жиры вхо­дят в состав витаминов и растительных пигментов;
• защитная. Жиры могут защищать нежные орга­ны от ударов и сотрясений (например, околопочечная капсула, жировая подушка около глаз). Жироподобные вещества покрывают тонким слоем листья растений, обеспечивая им защиту во время обильных дождей от избыточного намокания.

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: