Липиды. Углеводы.
Кроме неорганических веществ и их ионов все клеточные структуры также состоят из органических соединений- белков, липидов, углеводов и нуклеиновых кислот.
Углеводы и липиды.
Углеводы (сахара) -биоорганические соединения углерода и воды, входящие в состав всех живых организмов: Общая формула- Сn (Н2О)n.
Растворимые в воде углеводы.
Моносахариды:
глюкоза- основной источник энергии для клеточного дыхания;
фруктоза - составная часть нектара цветов и фруктовых соков;
рибоза и дезоксирибоза - структурные элементы нуклеотидов, являющихся мономерами РНК и ДНК;
Дисахариды :
сахароза (глюкоза + фруктоза) - основной продукт фотосинтеза, транспортируемый в растениях;
лактоза (глюкоза-Н галактоза)- входит в состав молока млекопитающих;
мальтоза (глюкоза + глюкоза) - источник энергии в прорастающих семенах.
Функции растворимых углеводов: транспортная, защитная, сигнальная, энергетическая.
Не растворимые в воде углеводы:
Крахмал - смесь двух полимеров: амилозы и амилопектина. Разветвленная спирализованная молекула, служащая запасным веществом в тканях растений;
Целлюлоза (клетчатка) - полимер, состоящий из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных водородными связями. Такая структура препятствует проникновению воды и обеспечивает устойчивость целлюлозных оболочек растительных клеток;
Хитин - основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов;
Гликоген - запасное вещество животной клетки. Мономером является а-глюкоза.
Функции нерастворимых углеводов: структурная, запасающая, энергетическая, защитная.
Липиды - органические соединения, большинство которых являются сложными эфирами глицерина и жирных кислот.
Нерастворимы в воде, но растворимы в неполярных растворителях. Присутствуют во всех клетках. Липиды состоят из атомов водорода, кислорода и углерода.
Виды липидов : жиры, воска, фосфолипиды, стероиды.
Функции липидов :
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
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, изолирует некоторые нейроны, что во много раз ускоряет передачу нервных импульсов;
Питательная- желчные кислоты и витамин D образуются из стероидов;
Смазывающая- воска 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. Их молекулы не содержат жирных кислот.
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.
|
|
Липиды - это органические вещества, которые не растворяются в воде, а растворяются в органических растворителях.
Липиды делятся на:
1. Жиры и масла (сложные эфиры трехатомного спирта глицерола и жирных кислот). Жирные кислоты бывают насыщенными (пальмитиновая, стеариновая, арахиновая) и ненасыщенными (олеиновая, линолевая, линоленовая). В маслах выше доля ненасыщенных жирных кислот, поэтому при комнатной температуре они находятся в жидком состоянии. В жирах полярных животных, по сравнению с тропическими животными, также содержится больше ненасыщенных жирных кислот.
2. Липоиды (жироподобные вещества). К ним относят: а) фосфолипиды, б) жирорастворимые витамины (A, D, Е, К), в) воска, г) простые липиды, не содержащие жирных кислот: стероиды (холестерол, гормоны коры надпочечников, половые гормоны) и терпены(гиббереллины – гормоны роста растений, каротиноиды – фотосинтетические пигменты, ментол).
Молекулы фосфолипидов имеют полярные «головки» (гидрофильные участки) и неполярные «хвосты» (гидрофобные участки). Благодаря такому строению они играют важную роль в образовании биологических мембран.
Функции липидов:
1) энергетическая - жиры источник энергии в клетке. При расщеплении 1 грамма выделяется 38,9 кДж энергии;
2) структурная (строительная) - фосфолипиды входят в состав биологических мембран;
3) защитная и теплоизоляционная - подкожная жировая клетчатка, защищает организм от переохлаждения и травм;
4) запасающая - жиры составляют запас питательных веществ, откладываясь в жировых клетках животных и в семенах растений;
5) регуляторная - стероидные гормоны участвуют в регуляции обмена веществ в организме (гормоны коры надпочечников, половые гормоны).
6) источник воды - при окислении 1 кг жира образуется 1,1 кг воды. Это используется животными пустыни, так верблюд может не пить 10-12 дней.
Углеводы - сложные органические вещества, общая формула которых C n (H 2 O) m . Они состоят из углерода, водорода и кислорода. В клетках животных их содержится 1-2%, а в клетках растений до 90% от массы сухого вещества.
Углеводы делятся на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды в зависимости от количества атомов углерода подразделяются на триозы (С 3), тетрозы (С 4), пентозы (С 5), гексозы (С 6), и т.д. Важную роль в жизнедеятельности клетки играют:
1) Пентозы. Рибоза и дезоксирибоза - входят в состав нуклеиновых кислот.
2) Гексозы: глюкоза, фруктоза, галактоза. Фруктоза содержится во многих плодах и в меде, обусловливая их сладкий вкус. Глюкоза является основным энергетическим материалом в клетке при обмене веществ. Галактоза входит в состав молочного сахара (лактозы).
D:\Program Files\Physicon\Open Biology 2.6\content\3DHTML\08010203.htm
Мальтоза
Молекулы олигосахаридов образуются в процессе полимеризации 2-10 моносахаридов. При соединении двух моносахаридов образуются дисахариды: сахароза, состоящая из молекул глюкозы и фруктозы; лактоза, состоящая из молекул глюкозы и галактозы; мальтоза, состоящая из двух молекул глюкозы. В олигосахаридах и полисахаридах молекулы мономеров соединены гликозидными связями.
Полисахариды образуются в процессе полимеризации большого количества моносахаридов. К полисахаридам относятся гликоген (основное запасное вещество в клетках животных); крахмал (основное запасное вещество в клетках растений); целлюлоза (содержится в клеточных стенках растений), хитин (содержится в клеточной стенке грибов). Мономером гликогена, крахмала и целлюлозы является глюкоза.
D:\Program Files\Physicon\Open Biology 2.6\content\3DHTML\08010208.htmЦеллюлоза
Функции углеводов:
1) энергетическая - углеводы основной источник энергии в клетке. При расщеплении 1 грамма углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.
2) структурная (строительная) - из целлюлозы построены оболочки растительных клеток.
3) запасающая - полисахариды служат запасным питательным материалом.
Белки - это биологические полимеры, мономерами которых являются аминокислоты. Белки очень важны для жизни клетки. Они составляют 50-80 % сухого вещества животной клетки. В состав белков входит 20 различных аминокислот. Аминокислоты подразделяют на заменимые, которые могут синтезироваться в организме человека, и незаменимые (метионин, триптофан, лизин и др.). Незаменимые аминокислоты не могут синтезироваться в организме человека и должны поступать с пищей.
Аминокислота
В зависимости от свойств радикала аминокислоты делят на три группы: неполярные, полярные заряженные и полярные незаряженные.
Аминокислоты соединяются между собой связью NH-CO (ковалентная, пептидная связь). Соединения из нескольких аминокислот называют пептидами. В зависимости от их количества различают ди-, три-, олиго- или полипептиды. Обычно в состав белков входит 300-500 аминокислотных остатков, но есть и более крупные, содержащие до нескольких тысяч аминокислот. Различия белков определяются не только составом и числом аминокислот, но и последовательностью чередования их в полипептидной цепи. Уровни организации белковых молекул:
1) первичная структура - это последовательность аминокислот в полипептидной цепи. Аминокислоты соединены пептидными связями. Первичная структура специфична для каждого белка и определяется аминокислотной последовательностью, закодированной в ДНК. Замена только
одной аминокислоты приводит к изменению функций белка.
2) вторичная структура - это закрученная в спираль (α - спираль) или уложенная в виде гармошки (β - слой) полипептидная цепь. Вторичная структура поддерживается водородными связями.
3) третичная структура - уложенная в пространстве спираль, образующая глобулу или фибриллу. Белок активен только в виде третичной структуры. Она поддерживается дисульфидными, водородными, гидрофобными и другими связями.
4) четвертичная структура - формируется при объединении нескольких белков, имеющих первичную, вторичную и третичную структуры. Например, белок крови гемоглобин состоит из четырех молекул белка глобина и небелковой части, которая носит название - гем.
Белки по строению бывают простые (протеины) и сложные (протеиды). Простые белки состоят только из аминокислот. Сложные имеют в своем составе кроме аминокислот другие химические соединения (например: липопротеиды, гликопротеиды, нуклеопротеиды, гемоглобин и др.).
При действии на белок различных химических веществ, высокой температуры происходит разрушение структуры белка. Этот процесс называется денатурацией. Процесс денатурации иногда обратим, то есть, может произойти самопроизвольное восстановление структуры белка -ренатурация. Ренатурация возможна, когда сохранена первичная структура белка.
Функции белков:
1.Структурная (строительная) функция - белки входят в состав всех клеточных мембран и органоидов клетки.
2. Каталитическая (ферментативная) - белки-ферменты ускоряют химические реакции в клетке.
3. Двигательная (сократительная) - белки участвуют во всех видах движений клетки. Так сокращение мышц обеспечивается сократительными белками: актином и миозином.
4. Транспортная - белки транспортируют химические вещества. Так, белок гемоглобин переносит кислород к органам и тканям.
5. Защитная - белки крови антитела (иммуноглобулины) распознают чужеродные для организма антигены и способствуют их уничтожению.
6. Энергетическая - белки являются источником энергии в клетке. При расщеплении 1 грамма белков выделяется 17,6 кДж энергии.
7. Регуляторная - белки участвуют в регуляции обмена веществ в организме (гормоны инсулин, глюкагон).
8. Рецепторная - белки лежат в основе работы рецепторов.
9. Запасающая - белки альбумины являются резервными белками организма (в яичном белке содержится овальбумин, в молоке - лактальбумин).
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. |
