Подготовка к ЗНО. Биология.
Конспект 31. Биополимеры. Углеводы. Липиды
Биополимеры
Биологические полимеры
‒ это высокомолекулярные органические соединения, макромолекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев ‒
мономеров
.
К биополимерам относятся белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза, пектиновые вещества, хитин и др.). Мономерами для них служат соответственно аминокислоты, нуклеотиды и моносахариды.
Углеводы
Углеводы
– вещества с общей формулой Сn(H2O)m.
Группы углеводов:
1. моносахариды
, или простые сахара (в основе лежит неразветвленная углеродная цепочка);
2. олигосахариды
‒
соединения, состоящие из 2 ‒ 10 последовательно соединенных молекул простых сахаров;
3. полисахариды
, состоящие более чем из 10 молекул простых сахаров или их производных.
Гликозидные связи
– связи, соединяющие атом углерода одной молекулы моносахарида через кислород с атомом углерода другой молекулы.
В зависимости от длины углеродного скелета моносахариды разделяют на триозы (С3), гетрозы (С4), пентозы (С5), гексозы (С6), гептозы (С7). Примерами пентоз являются рибоза, дезоксирибоза, гексоз-глюкоза, фруктоза, галактоза.
Дисахариды:
мальтоза, лактоза
и сахароза.
Наиболее важными полисахаридами являются целлюлоза, крахмал, гликоген, хитин.
Функции углеводов:
1. Энергетическая.
Глюкоза ‒ основной источник энергии.. Крахмал и гликоген составляют энергетический запас в клетках.
2. Структурная.
Целлюлоза входит в состав клеточных оболочек растений; хитин служит структурным компонентом покровов членистоногих и клеточных стенок многих грибов. Пентозы участвуют в синтезе нуклеиновых кислот.
3. Защитная.
У животных гепарин препятствует свертыванию крови, у растений камеди и слизи, образующиеся при повреждении тканей, выполняют защитную функцию.
Липиды
Липиды (жиры)
‒ органические вещества, нерастворимые в воде (гидрофобные), но хорошо растворяющиеся в органических растворителях (хлороформе, бензине и др.). Состоят из глицерина и жирных кислот.
Структурной основой клеточной мембраны выступает бислой
(образованный из двух слоев молекул) липидов, в который встроены молекулы разнообразных белков.
Функции липидов:
1. Структурная.
Фосфолипиды вместе с белками образуют биологические мембраны. В состав мембран входят также стеролы.
2. Энергетическая.
В форме липидов хранится часть энергетических запасов организма, которые расходуются при недостатке питательных веществ.
3. Защитная и теплоизоляционная.
Жировой слой защищает организм животных и его отдельные органы от механических повреждений. Помогает сохранить тепло. У китов способствует плавучести.
4. Смазывающая и водоотталкивающая.
5. Регуляторная.
Производные холестерола: гормоны тестостерон, эторген, альдостерон, а также витамин D.
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.
|
|
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?
Лекция 3. Углеводы, липиды Углеводы. Углеводы, или сахариды – органические вещества, в состав которых входят углерод, кислород, водород. Химический состав углеводов характеризуется их общей формулой С m (Н 2 О) n , где m ≥ n. Углеводы составляют около 1% массы животных клетках, а в клетках печени и мышц – до 5%. Наиболее богаты углеводами растительные клетки (до 90%). Количество атомов водорода в молекулах углеводов, как правило, в два раза больше количества атомов кислорода (то есть как в молекуле воды). Отсюда и название – углеводы. Различают две группы углеводов: простые и сложные.Простые углеводы. Простые углеводы называют моносахаридами , так как они не гидролизуются при переваривании, в отличии от сложных, которые при гидролизе распадаются с образованием моносахаридов. Общая формула простых сахаров – (СН 2 О) n , где n ≥ 3.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. В
Рис. . Пентозы:
1 - рибоза; 2 - дезоксирибоза.
Ажнейшие моносахариды: из пентоз – рибоза (С 5 Н 10 О 5) и дезоксирибоза (С 5 Н 10 О 4), входящие в состав нуклеотидов ДНК, РНК и АТФ. Дезоксирибоза отличается от рибозы тем, что при втором атоме углерода имеет атом водорода, а не гидроксильную группу как у рибозы. И
Рис. . Линейная и циклическая структура молекулы глюкозы.
З гексоз наиболее распространены глюкоза, фруктоза и галактоза (общая формула С 6 Н 12 О 6). Глюкоза (виноградный сахар) – это первичный источник энергии для клеток. Входит в состав сложных углеводов. Обязательный компонент крови. Снижение ее количества приводит к немедленному нарушению жизнедеятельности нервных и мышечных клеток. Находясь в клетках, регулирует осмотическое давление. Фруктоза в свободном виде встречается в плодах. Особенно много ее в меде, фруктах. Значительно слаще глюкозы и других сахаров. Входит в состав олиго- и полисахаридов, участвует в поддержании тургора растительных клеток. Галактоза – также пространственный изомер глюкозы. Вместе с глюкозой образуют важнейший дисахарид молока – лактозу , называемую молочным сахаром . Легко превращается в глюкозу. М
Рис. . Изомеры глюкозы:
1 - -изомер; 2 - -изомер.
Олекулы моносахаридов могут иметь вид прямолинейных цепочек или циклических структур (рис.). Для пентоз и гексоз – наиболее характерна именно циклическая структура, линейные молекулы встречаются очень редко. Молекулы дисахаридов и полисахаридов также образованы циклическими формами моносахаридов. Моносахариды могут быть представлены в форме - и -изомеров (рис.). Гидроксильная группа при первом атоме углерода может располагаться как под плоскостью цикла (-изомер), так и над ней (-изомер), -изомеры образуют молекулы крахмала и гликогена, -изомеры – целлюлозы.Свойства моносахаридов: низкая молекулярная масса, сладкий вкус, легко растворяются в воде, кристаллизуются, относятся к редуцирующим (восстанавливающим) сахарам.Сложные углеводы. Сложными называют углеводы, молекулы которых при гидролизе распадаются с образованием моносахаридов. Их состав выражается общей формулой Сm(H 2 O)n, где m>n. Сложные углеводы делятся на олигосахариды и полисахариды .О
Рис. . Образование дисахарида.
Лигосахариды. Олигосахаридами называют сложные углеводы, содержащие от 2 до 10 моносахаридных остатков. В зависимости от количества остатков моносахаридов, входящих в молекулы олигосахаридов, различают дисахариды, трисахариды, тетрасахариды и т.д. Наиболее широко распространены в природе дисахариды. Дисахариды – олигосахариды, молекулы которых образованы двумя остатками моносахаридов. Дисахариды образуются в результате конденсации двух моносахаридов (чаще всего гексоз) (рис.). Связь, возникающую между двумя моносахаридами, называют гликозидной . Обычно она образуется между 1-м и 4-м углеродными атомами соседних моносахаридных единиц – 1,4-гликозидная связь . Важнейшие дисахариды – мальтоза, лактоза, сахароза. Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков -глюкозы. Дисахарид хорошо растворим в воде. Образуется в результате реакции конденсации двух молекул -глюкозы или ферментом мальтаза при гидролизе крахмала.Сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) состоит из остатков -глюкозы и фруктозы. Легко растворим в воде. Широко распространен в растениях. Углеводы, образовавшиеся в процессе фотосинтеза, в виде сахарозы оттекают из листьев . Сахароза легко превращается в крахмал и гликоген. Играет огромную роль в питании животных и человека. В основном сахарозу получают из сахарной свеклы и сахарного тростника.
Рис. . Важнейшие дисахариды
Лактоза (молочный сахар) образована остатками галактозы и -глюкозы . Плохо растворим в воде. Входит в состав молока. Является источником энергии для детенышей млекопитающих. В свободном виде обнаружен у некоторых растений. Используется в микробиологической промышленности для приготовления питательных сред.Свойства олигосахаридов: сравнительно невысокая (несколько сотен) молекулярная масса, хорошая растворимость в воде, легко кристаллизуются, обладают, как правило, сладким вкусом, могут быть как редуцирующими, так и нередуцирующими.Полисахариды. Высокомолекулярные органические вещества, биополимеры, мономерами которых являются простые углеводы. Чаще всего мономером полисахаридов является глюкоза, иногда галактоза и другие сахара. Как правило, в состав полисахаридов входит несколько сотен мономерных единиц. П
Рис.267. Образование разветвленного полисахарида.
Олисахариды образуются в результате реакции поликонденсации (рис.). Если в молекуле полисахарида присутствуют только 1,4-гликозидные связи, то образуется линейный, неразветвленный полимер (целлюлоза). Если присутствуют как 1,4, так и 1,6-гликозидные связи, полимер будет разветвленным (гликоген).1,6-гликозидная связь образуется между остатками моносахаридов, входящих в состав разных линейных цепей. Наиболее важные полисахариды – крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин, муреин.Крахмал – основной резервный углевод растений. Общая формула (С 6 Н 10 О 5) n , где n- количество остатков -глюкозы. Нерастворим в холодной воде. В горячей воде образует раствор, по свойствам напоминающий коллоидный (крахмальный клейстер). Молекула крахмала примерно на 20% состоит из амилозы и на 80% из амилопектина . Линейные цепи амилозы состоят из нескольких тысяч остатков глюкозы и способны спирально свертываться, принимая более компактную форму. Амилопектин интенсивно ветвится, и за счет этого обеспечивается его компактность.
Рис. . Образование молекулы триглицерида.
Ольшая часть жирных кислот содержит в "хвосте" четное число атомов углерода, от 14 до 22 (чаще всего 16 или 18). Кроме того, углеводородный хвост может содержать различное количество двойных связей. По наличию или отсутствию двойных связей в углеводородном хвосте различают насыщенные жирные кислоты , не содержащие в углеводородном хвосте двойных связей и ненасыщенные жирные кислоты, имеющие двойные связи между атомами углерода (-СН=СН-).Если в триглицеридах преобладают насыщенные жирные кислоты, то они твердые при комнатной температуре (жиры), если ненасыщенные – жидкие (масла). Плотность жиров ниже, чем у воды, поэтому в воде они всплывают и находятся на поверхности.Воска – группа простых липидов, представляющих собой сложные эфиры высших жирных кислот и высших высокомолекулярных спиртов. Встречаются как в животном, так и в растительном царстве, где выполняют главным образом защитные функции. У растений они, например, покрывают тонким слоем листья, стебли и плоды, предохраняя их от смачивания водой и проникновения микроорганизмов. От качества воскового покрытия зависят сроки хранения фруктов. Под покровом пчелиного воска хранится мед и развиваются личинки. К сложным липидам относятся фосфолипиды, г
Рис. 269. Фосфолипидная молекула
Ликолипиды, липопротеины, стероиды, стероидные гормоны, витамины А,D,E,K. Ф
Рис. . Бислой фосфолипидов
образующий мембрану
Осфолипиды – сложные эфиры многоатомных спиртов с высшими жирными кислотами, содержащие остаток фосфорной кислоты (рис.). Иногда с ней могут быть связаны добавочные группировки (азотистые основания, аминокислоты). Как правило, в молекуле фосфолипидов имеется два остатка высших жирных и один остаток фосфорной кислоты. Фосфолипиды присутствуют во всех клетках живых существ, участвуя главным образом в формировании фосфолипидного бислоя клеточных мембран – остатки фосфорной кислоты гидрофильны и всегда направлены к внешней и внутренней поверхности мембраны, а гидрофобные хвосты направлены друг к другу внутри мембраны.Гликолипиды – это углеводные производные липидов. В состав их молекул наряду с многоатомным спиртом и высшими жирными кислотами входят также углеводы. Они локализованы преимущественно на наружной поверхности плазматической мембраны, где их углеводные компоненты входят в число других углеводов клеточной поверхности.Липопротеины – липидные молекулы, связанные с белками. Их очень много в мембранах, белки могут пронизывать мембрану насквозь, находится под- или над мембраной, могут быт погружены в липидный бислой на различную глубину.Липоиды – жироподобные вещества. К ним относятся стероиды (широко распространенный в животных тканях холестерин и его производные – гормоны коры надпочечников – минералокортикоиды, глюкокортикоиды, эстрадиол и тестостерон – соответственно женский и мужской половые гормоны). К липоидам относятся терпены (эфирные масла, от которых зависит запах растений), гиббереллины (ростовые вещества растений), некоторые пигменты (хлорофилл, билирубин), жирорастворимые витамины (А, D, E, K).Функции липидов.
| 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. |
Необходимость разработки материалов по питанию для школьников продиктована удручающими данными о состоянии здоровья современных школьников, отсутствием культуры питания как составляющей здорового образа жизни.
Липиды - один из важнейших классов сложных молекул, присутствующих в клетках и тканях животных. Липиды выполняют самые разнообразные функции: снабжают энергией клеточные процессы, формируют клеточные мембраны, участвуют в межклеточной и внутриклеточной сигнализации. Липиды служат предшественниками стероидных гормонов,желчных кислот, простагландинов и фосфоинозитидов. В крови содержатся отдельные компоненты липидов (насыщенные жирные кислоты, мононенасыщенные жирные кислоты и полиненасыщенные жирные кислоты), триглицериды, холестерин, эфиры холестерина и фосфолипиды. Все эти вещества не растворимы в воде, поэтому в организме имеется сложная система транспорта липидов. Свободные (неэтерифицированные) жирные кислоты переносятся кровью в виде комплексов с альбумином. Триглицериды, холестерин и фосфолипиды транспортируются в форме водорастворимых липопротеидов. Некоторые липиды используются для создания наночастиц, например, липосом. Мембрана липосом состоит из природных фосфолипидов, что определяет их многие привлекательные качества. Они нетоксичны, биодеградируемы, при определенных условиях могут поглощаться клетками, что приводит к внутриклеточной доставке их содержимого. Липосомы предназначены для целевой доставки в клетки препаратов фотодинамической или генной терапии, а также компонентов другого назначения, например, косметического .
Строение
Молекулы простых липидов состоят из спирта, жирных кислот, сложные - из спирта, высокомолекулярных жирных кислот, возможны остатки фосфорной кислоты, углеводов, азотистых оснований и др. Строение липидов зависит в первую очередь от пути их биосинтеза.
Биологические функции Энергетическая (резервная) функция
Многие жиры, в первую очередь триглицериды, используются организмом как источник энергии. При полном окислении 1 г жира выделяется около 9 ккал энергии, примерно вдвое больше, чем при окислении 1 г углеводов (4.1 ккал). Жировые отложения используются в качестве запасных источников питательных веществ, прежде всего животными, которые вынуждены носить свои запасы на себе. Растения чаще запасают углеводы, однако в семенах многих растений высоко содержание жиров (растительные масла добывают из семян подсолнечника, кукурузы, рапса, льна и других масличных растений).
Функция теплоизоляции
Жир - хороший теплоизолятор, поэтому у многих теплокровных животных он откладывается в подкожной жировой ткани, уменьшая потери тепла. Особенно толстый подкожный жировой слой характерен для водных млекопитающих (китов, моржей и др.). Но в то же же время у животных, обитающих в условиях жаркого климата (верблюды, тушканчики) жировые запасы откладываются на изолированных участках тела (в горбах у верблюда, в хвосте у жирнохвостых тушканчиков), в качестве резервных запасов воды, так как вода - один из продуктов окисления жиров.
Структурная функция
Фосфолипиды составляют основу биослоя клеточных мембран, холестерин - регулятор текучести мембран. У архей в состав мембран входят производные изопреноидных углеводородов. Воски образуют кутикулу на поверхности надземных органов (листьев и молодых побегов) растений. Их также производят многие насекомые (так, пчёлы строят из них соты, а червецы и щитовки образуют защитные чехлы).
Регуляторная
Витамины - липиды (A, D, E, K)
Гормональная (стероиды, эйкозаноиды, простагландины и прочие.)
Кофакторы (долихол)
Сигнальные молекулы (диглицериды, жасмоновая кислота; МP3-каскад)