Kohlenhydrate, Lipide. Biopolymere. Hauptarten von Biopolymeren: Kohlenhydrate Glucose ist ein Kohlenhydratmonomer

Zellen enthalten viele organische Verbindungen: Kohlenhydrate, Proteine, Lipide, Nukleinsäuren und andere Verbindungen, die in der unbelebten Natur nicht vorkommen. Organische Stoffe sind chemische Verbindungen, die Kohlenstoffatome enthalten.

Kohlenstoffatome sind in der Lage, starke kovalente Bindungen untereinander einzugehen und so viele verschiedene Ketten- oder Ringmoleküle zu bilden.

Die einfachsten kohlenstoffhaltigen Verbindungen sind Kohlenwasserstoffe – Verbindungen, die nur Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten. Allerdings enthalten die meisten organischen, also Kohlenstoffverbindungen, auch andere Elemente (Sauerstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel).

Biologische Polymere (Biopolymere). Biologische Polymere sind organische Verbindungen, die Teil der Zellen lebender Organismen und ihrer Stoffwechselprodukte sind.

Ein Polymer (von griechisch „poly“ – viele) ist eine mehrgliedrige Kette, in der ein Glied eine relativ einfache Substanz ist – ein Monomer. Monomere verbinden sich miteinander und bilden Ketten aus Tausenden von Monomeren. Wenn Sie die Art des Monomers mit einem bestimmten Buchstaben bezeichnen, zum Beispiel A, dann kann das Polymer als eine sehr lange Kombination von Monomereinheiten dargestellt werden: A-A-A-A-...-A. Dies sind zum Beispiel die Ihnen bekannten organischen Stoffe: Stärke, Glykogen, Zellulose usw. Biopolymere sind Proteine, Nukleinsäuren und Polysaccharide.

Die Eigenschaften von Biopolymeren hängen von der Struktur ihrer Moleküle ab: von der Anzahl und Vielfalt der Monomereinheiten, die das Polymer bilden.

Wenn man zwei Arten von Monomeren A und B miteinander kombiniert, kann man eine sehr große Vielfalt an Polymeren erhalten. Die Struktur und Eigenschaften solcher Polymere hängen von der Anzahl, dem Verhältnis und der Reihenfolge des Wechsels ab, d. h. von der Position der Monomere in den Ketten. Ein Polymer, in dessen Molekül sich eine Gruppe von Monomeren periodisch wiederholt, wird als regulär bezeichnet. Dies sind beispielsweise schematisch dargestellte Polymere mit regelmäßigem Monomerwechsel:

A B A B A B A B...

A A B B A A B B...

A B B A B B A B B A B B...

Es ist jedoch möglich, viel mehr Varianten von Polymeren zu erhalten, bei denen es kein sichtbares Muster in der Wiederholbarkeit der Monomere gibt. Solche Polymere werden als unregelmäßig bezeichnet. Schematisch lassen sie sich wie folgt darstellen:

AABABBBBAAAAABBABBBBBAAB...

Nehmen wir an, dass jedes der Monomere eine Eigenschaft des Polymers bestimmt. Beispielsweise bestimmt Monomer A die hohe Festigkeit und Monomer B die elektrische Leitfähigkeit. Durch die Kombination dieser beiden Monomere in unterschiedlichen Anteilen und deren Abwechslung auf unterschiedliche Weise kann eine Vielzahl von Polymermaterialien mit unterschiedlichen Eigenschaften erhalten werden. Wenn wir nicht zwei Arten von Monomeren (A und B), sondern mehr nehmen, wird die Anzahl der Varianten von Polymerketten deutlich zunehmen.

Es stellte sich heraus, dass die Kombination und Umlagerung mehrerer Arten von Monomeren in langen Polymerketten den Aufbau vieler Möglichkeiten ermöglicht und die verschiedenen Eigenschaften von Biopolymeren bestimmt, aus denen alle Organismen bestehen. Dieses Prinzip liegt der Vielfalt des Lebens auf unserem Planeten zugrunde.

Kohlenhydrate und ihre Struktur. Kohlenhydrate sind in den Zellen aller lebenden Organismen weit verbreitet. Kohlenhydrate sind organische Verbindungen bestehend aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff. In den meisten Kohlenhydraten liegen Wasserstoff und Sauerstoff in der Regel im gleichen Verhältnis vor wie in Wasser (daher der Name Kohlenhydrate). Die allgemeine Formel solcher Kohlenhydrate lautet C n (H 2 0) m. Ein Beispiel ist eines der häufigsten Kohlenhydrate – Glukose, deren elementare Zusammensetzung C 6 H 12 0 6 ist (Abb. 2). Glukose ist ein einfacher Zucker. Mehrere einfache Zuckerreste verbinden sich zu komplexen Zuckern. Milch enthält Milchzucker, der aus den Resten zweier einfacher Zuckermoleküle (Disaccharide) besteht. Milchzucker ist die Hauptenergiequelle für die Jungen aller Säugetiere.

Tausende Reste von Molekülen identischer Zucker bilden miteinander verbunden Biopolymere – Polysaccharide. Lebende Organismen enthalten viele verschiedene Polysaccharide: Bei Pflanzen ist es Stärke (Abb. 3), bei Tieren ist es Glykogen, das ebenfalls aus Tausenden von Glukosemolekülen besteht, aber noch stärker verzweigt ist. Stärke und Glykogen spielen die Rolle von Energiespeichern, die für das Funktionieren der Körperzellen notwendig sind. Kartoffeln, Weizenkörner, Roggen, Mais usw. sind sehr reich an Stärke.

Funktionen von Kohlenhydraten. Die wichtigste Funktion von Kohlenhydraten ist die Energiegewinnung. Kohlenhydrate dienen als Hauptenergiequelle für Organismen, die sich von organischer Substanz ernähren. Im Verdauungstrakt von Mensch und Tier wird das Polysaccharid Stärke durch spezielle Proteine ​​(Enzyme) in Monomereinheiten – Glukose – zerlegt. Glukose, die aus dem Darm ins Blut aufgenommen wird, wird in den Zellen zu Kohlendioxid und Wasser oxidiert, wobei die Energie chemischer Bindungen freigesetzt wird, und ihr Überschuss wird in Form von Glykogen in Leber- und Muskelzellen gespeichert. In Zeiten intensiver Muskelarbeit oder nervöser Anspannung (oder beim Fasten) kommt es bei Tieren zu einem verstärkten Abbau von Glykogen in den Muskeln und der Leber. Dabei entsteht Glukose, die von intensiv arbeitenden Muskel- und Nervenzellen verbraucht wird.

Biopolymere, Polysaccharide, sind also Stoffe, in denen die von Zellen genutzte Energie pflanzlicher und tierischer Organismen gespeichert ist.

In Pflanzen entsteht durch die Polymerisation von Glucose nicht nur Stärke, sondern auch Cellulose. Zellulosefasern bilden das starke Fundament pflanzlicher Zellwände. Aufgrund seiner besonderen Struktur ist Cellulose wasserunlöslich und weist eine hohe Festigkeit auf. Aus diesem Grund wird Zellulose auch zur Herstellung von Stoffen verwendet. Denn Baumwolle besteht nahezu aus reiner Zellulose. Im Darm von Menschen und den meisten Tieren gibt es keine Enzyme, die in der Lage wären, die Bindungen zwischen den Glukosemolekülen, aus denen Cellulose besteht, aufzubrechen. Bei Wiederkäuern wird Zellulose durch Enzyme von Bakterien abgebaut, die ständig in einem speziellen Abschnitt des Magens leben.

Bekannt sind auch komplexe Polysaccharide, die aus zwei Arten von Einfachzuckern bestehen, die sich in langen Ketten regelmäßig abwechseln. Solche Polysaccharide erfüllen strukturelle Funktionen im Stützgewebe von Tieren. Sie sind Teil der Interzellularsubstanz der Haut, Sehnen und Knorpel und verleihen ihnen Festigkeit und Elastizität. Daher ist eine wichtige Funktion von Kohlenhydrat-Biopolymeren die strukturelle Funktion.

Es gibt Zuckerpolymere, die Teil von Zellmembranen sind; Sie sorgen für die Interaktion gleichartiger Zellen und die gegenseitige Erkennung durch Zellen. Wenn getrennte Leberzellen mit Nierenzellen vermischt werden, werden sie sich aufgrund der Interaktion von Zellen des gleichen Typs unabhängig voneinander in zwei Gruppen aufteilen: Nierenzellen vereinigen sich zu einer Gruppe und Leberzellen zu einer anderen. Charakteristisch für bösartige Tumorzellen ist der Verlust der Fähigkeit, sich gegenseitig zu erkennen. Die Aufklärung der Mechanismen der Zellerkennung und -interaktion kann insbesondere für die Entwicklung von Krebstherapien wichtig sein.

Lipide. Lipide variieren in ihrer Struktur. Sie alle haben jedoch eine gemeinsame Eigenschaft: Sie sind alle unpolar. Daher lösen sie sich in unpolaren Flüssigkeiten wie Chloroform und Ether, sind jedoch in Wasser praktisch unlöslich. Zu den Lipiden zählen Fette und fettähnliche Substanzen. In der Zelle entsteht durch die Oxidation von Fetten eine große Menge Energie, die für verschiedene Prozesse aufgewendet wird. Dies ist die Energiefunktion von Fetten.

Fette können sich in den Zellen ansammeln und als Nährstoffreserven dienen. Bei einigen Tieren (z. B. Walen, Flossenfüßern) lagert sich eine dicke Schicht Unterhautfett unter der Haut ab, die sie aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit vor Unterkühlung schützt, also eine Schutzfunktion erfüllt.

Einige Lipide sind Hormone und an der Regulierung physiologischer Funktionen des Körpers beteiligt. Lipide, die einen Phosphorsäurerest enthalten (Phospholipide), dienen als wichtigster Bestandteil von Zellmembranen, d. h. sie erfüllen eine strukturelle Funktion.

Haupttypen von Biopolymeren

Kohlenhydrate

• Kohlenhydratmonomere sind einfache Zucker oder Monosaccharide. Am häufigsten sind dies Glukose und Fruktose. Die wichtigste Funktion von Monosacchariden besteht darin, den Körper mit Energie zu versorgen. In lebenden Zellen werden einfache Zucker in Kohlendioxid und Wasser zerlegt und dabei Energie freigesetzt. Zellen nutzen diese Energie für ihre unterschiedlichen Bedürfnisse.

• Glucose- Dies ist die Grundform, die im menschlichen Körper als Energiereserve in Form von Glykogen in den Muskeln und der Leber gespeichert wird. In der Natur kommt Glukose in süßen Früchten und Gemüse vor: Weintrauben, Beeren, Orangen, Karotten, Mais. Glukose wird auch im industriellen Maßstab hergestellt. Beispiel – Maissirup

• Fruktose kommt in Honig, reifen süßen Früchten und Gemüse vor. Bevor Glukose aufgenommen werden kann, muss der Körper zunächst Fruktose in Glukose umwandeln.

Struktur des Glukosemoleküls Lineare Form von Glucose: CHOCH(OH)CH(OH)CH(OH)CH(OH)CH2(OH)

• Glukose liegt überwiegend in zyklischer Form vor. Es sind A- und B-Formen der zyklischen Glucose bekannt, die sich in der Ausrichtung der Hydroxylgruppe an C-1 unterscheiden:

Einfachzucker können sich miteinander zu Disacchariden verbinden

• Saccharose– Haushaltszucker aus Zuckerrüben, Zuckerrohr sowie braunem Zucker, schwarzer Melasse. In geringen Mengen in Gemüse und Obst enthalten.

• Laktose– Milchzucker, das einzige Kohlenhydrat tierischen Ursprungs, daher sehr wichtig in der menschlichen Ernährung. Der Laktosegehalt in Milch hängt von der Milchsorte ab und variiert zwischen 2 und 8 %.

• Maltose- Malzzucker, der bei der Malzbildung und der Gärung von Trauben entsteht. In mit Maltose angereichertem Bier, Müsli und Babynahrung enthalten.

Lipide

• Lipide unterscheiden sich in ihrer Struktur und im Verhältnis ihrer Bestandteile. Sie alle haben jedoch eine gemeinsame Eigenschaft – sie sind alle unpolar. Sie sind in Chloroform und Ethern löslich, in Wasser jedoch praktisch unlöslich. Aufgrund dieser Eigenschaft sind Lipide die wichtigsten Bestandteile von Membranen.

• Lipide sind die Hauptenergiespeicher im tierischen Körper und werden in konzentrierter Form (ohne Wasser) gespeichert. Überschüssiger Zucker, der nicht verbraucht wird, wird schnell zu Fett. Es gibt drei Gruppen von Lipiden:

• Triglycerine (oder Triglyceride) – Dies sind Moleküle, die durch die Addition von drei Fettsäureresten an ein Molekül des dreiwertigen Alkohols Glycerin entstehen.

• Zu dieser Gruppe gehören Fette und Öle. Fette bleiben bei Raumtemperatur fest, während Öle flüssig bleiben. Öle enthalten mehr ungesättigte Fettsäuren.

• Phospholipide- ähnlich wie Triglycerine, jedoch sind bei ihnen ein oder zwei Fettsäurereste durch phosphorhaltige Gruppen ersetzt. Phospholipide sind die wichtigsten Bestandteile biologischer Membranen.

Steroide – Dabei handelt es sich um Lipide, die auf einem Rückgrat aus vier Ringen basieren. Bei verschiedenen Steroiden sind an dieses Hauptgerüst Seitengruppen angelagert. Steroide umfassen eine Reihe von Hormonen (Sexualhormone, Kortison). Das Steroid Cholesterin ist ein wichtiger Bestandteil der Zellmembranen von Tieren, sein Überschuss im Körper kann jedoch zur Bildung von Gallensteinen und Erkrankungen des Herz-Kreislauf-Systems führen.

• Die Struktur des Cholesterinmoleküls

Eichhörnchen

• Protein besteht aus Kohlenstoff, Sauerstoff, Wasserstoff und Stickstoff. Einige Proteine ​​enthalten auch Schwefel. Aminosäuren spielen in Proteinen die Rolle von Monomeren.

• Jede Aminosäure hat eine Carboxylgruppe (-COOH) und eine Aminogruppe (-NH2).

• Es gibt 20 häufige Arten von Aminosäuren, die in Proteinen vorkommen.

• Die Funktionen von Proteinen sind enzymatisch, aufbauend (Membranen), energetisch, motorisch, schützend und regulierend.

Proteine ​​zeichnen sich durch vier Strukturen aus:

• Primär – Polypeptid, eine lange Kette mit 100 bis 300 Aminosäuren, wird durch Peptidbindungen gebildet.

• Sekundär – entsteht durch die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen zwischen benachbarten Peptidbindungen. Wenn die Sekundärstruktur gebildet wird, wird das Proteinmolekül entweder in eine linksdrehende Helix oder in eine Beta-Konfiguration verpackt, die für Proteine ​​charakteristisch ist, die eine Konstruktionsfunktion erfüllen.

• Tertiär entsteht durch die Bildung von 4 Arten von Bindungen: Wasserstoff, ionische Wechselwirkungen, Bildung von Disulfidbrücken und hydrophil-hydrophobe Bindungen (Van Der Wal).

• Es gibt kugelförmige und fibrilläre Tertiärstrukturen. Die Tertiärstruktur der meisten Proteine ​​funktioniert, weil es ist eneogetisch rentabler.

• Einige Proteine ​​​​bilden eine Quartärstruktur – sie besteht aus Komplexen von Proteinen und anderen organischen Substanzen. Die formgebenden Kräfte sind die gleichen wie bei der Tertiärstruktur.

Denaturierung von Proteinen

• Dies ist der Verlust der biologischen Aktivität von Proteinen beim Aufbrechen schwacher Bindungen, die Zerstörung der nativen (natürlichen) Struktur des Proteins unter dem Einfluss denaturierender Mittel: hohe Temperaturen, ultraviolette Strahlung, Säuren, Laugen, Schwermetallionen. Denaturierung kann reversibel (Renaturierung) und irreversibel sein.

Alle Kohlenhydrate bestehen aus einzelnen „Einheiten“, den Sacchariden. Aufgrund ihrer Fähigkeit, zu Monomeren zu hydrolysieren, werden Kohlenhydrate in zwei Gruppen eingeteilt: einfache und komplexe. Kohlenhydrate, die eine Einheit enthalten, werden Monosaccharide genannt, zwei Einheiten werden Disaccharide genannt, zwei bis zehn Einheiten werden Oligosaccharide genannt und mehr als zehn Einheiten werden Polysaccharide genannt. Monosaccharide lassen den Blutzucker schnell ansteigen und haben einen hohen glykämischen Index, weshalb sie auch als schnelle Kohlenhydrate bezeichnet werden. Sie lösen sich leicht in Wasser und werden in grünen Pflanzen synthetisiert. Kohlenhydrate, die aus 3 oder mehr Einheiten bestehen, werden komplexe Kohlenhydrate genannt. Lebensmittel, die reich an komplexen Kohlenhydraten sind, erhöhen den Glukosespiegel allmählich und haben einen niedrigen glykämischen Index, weshalb sie auch als langsame Kohlenhydrate bezeichnet werden. Komplexe Kohlenhydrate sind Produkte der Polykondensation einfacher Zucker (Monosaccharide) und können im Gegensatz zu einfachen Zuckern während des hydrolytischen Spaltungsprozesses unter Bildung von Hunderten und Tausenden von Monosaccharidmolekülen in Monomere zerfallen.

Ein in der Natur häufig vorkommendes Monosaccharid ist Beta-D-Glucose.

Monosaccharide

Monosaccharide (von griech. monos – einfach, sacchar – Zucker) sind die einfachsten Kohlenhydrate, die nicht zu einfacheren Kohlenhydraten hydrolysieren – sie sind normalerweise farblos, in Wasser leicht löslich, in Alkohol schlecht löslich und in Ether völlig unlöslich, feste transparente organische Verbindungen , eine der Hauptgruppen der Kohlenhydrate, die einfachste Form von Zucker. Wässrige Lösungen haben einen neutralen pH-Wert. Einige Monosaccharide haben einen süßen Geschmack. Monosaccharide enthalten eine Carbonylgruppe (Aldehyd oder Keton) und können daher als Derivate mehrwertiger Alkohole betrachtet werden. Ein Monosaccharid mit einer Carbonylgruppe am Ende der Kette ist ein Aldehyd und wird Aldose genannt. An jeder anderen Position der Carbonylgruppe ist das Monosaccharid ein Keton und wird Ketose genannt. Abhängig von der Länge der Kohlenstoffkette (von drei bis zehn Atomen) werden Triosen, Tetrosen, Pentosen, Hexosen, Heptosen usw. unterschieden. Unter ihnen sind Pentosen und Hexosen in der Natur am weitesten verbreitet. Monosaccharide sind die Bausteine, aus denen Disaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide synthetisiert werden.

In der Natur ist D-Glucose (C6H12O6) die häufigste freie Form – eine Struktureinheit vieler Disaccharide (Maltose, Saccharose und Lactose) und Polysaccharide (Cellulose, Stärke). Andere Monosaccharide sind hauptsächlich als Bestandteile von Di-, Oligo- oder Polysacchariden bekannt und kommen selten im freien Zustand vor. Natürliche Polysaccharide dienen als Hauptquellen für Monosaccharide.

Einfache organische Moleküle dienen oft als Ausgangsstoffe für die Synthese größerer Moleküle. Makromoleküle. Makromolekül ist ein riesiges Molekül, das aus vielen sich wiederholenden Einheiten besteht.

Auf diese Weise aufgebaute Moleküle nennt man Polymere, die Einheiten, aus denen sie bestehen, nennt man Monomere. Beim Verbinden einzelner Glieder miteinander (mit der sogenannten Kondensation) wird Wasser entfernt.

Der umgekehrte Vorgang ist Polymerabbau- erfolgt durch Hydrolyse, also durch Zugabe von Wasser. In lebenden Organismen gibt es drei Haupttypen von Makromolekülen: Polysaccharide, Proteine ​​und Nukleinsäuren. Die Monomere dafür sind Monosaccharide bzw. Nukleotide.

Makromoleküle machen etwa 90 % der Trockenmasse der Zellen aus. Polysaccharide spielen die Rolle von Reservenährstoffen und erfüllen strukturelle Funktionen, während Proteine ​​und Nukleinsäuren als „ Informationsmoleküle».
Makromoleküle gibt es nicht nur in der belebten Natur, sondern auch in der unbelebten Natur, insbesondere werden viele auf Makromolekülen basierende Geräte vom Menschen selbst geschaffen.

Das bedeutet, dass bei Proteinen und Nukleinsäuren die Sequenz wichtig ist Monomereinheiten und bei ihnen variiert es viel stärker als bei Polysacchariden, deren Zusammensetzung normalerweise auf eine oder zwei verschiedene Arten von Untereinheiten beschränkt ist. Die Gründe dafür werden uns später klar werden. In diesem Kapitel werden wir alle drei Klassen von Makromolekülen und ihre Untereinheiten im Detail betrachten. Zu dieser Überlegung werden wir auch Lipide hinzufügen – Moleküle, die in der Regel viel kleiner sind, aber auch aus einfachen organischen Molekülen aufgebaut sind.

Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind Stoffe bestehend aus Kohlenstoff, Wasserstoff und , mit der allgemeinen Formel C x (H 2 O) y wobei x: und y unterschiedliche Bedeutungen haben können. Der Name „Kohlenhydrate“ spiegelt die Tatsache wider, dass Wasserstoff und Sauerstoff in den Molekülen dieser Stoffe im gleichen Verhältnis wie im Wassermolekül vorhanden sind (zwei Wasserstoffatome für jedes Sauerstoffatom). Alle Kohlenhydrate sind entweder Aldehyde oder Ketone und ihre Moleküle enthalten immer mehrere Hydroxylgruppen. Die chemischen Eigenschaften von Kohlenhydraten werden durch diese Gruppen bestimmt – Aldehyd-, Hydroxyl- und Ketogruppen. Aldehyde beispielsweise werden leicht oxidiert und sind daher starke Reduktionsmittel. Die Struktur dieser Gruppen ist in der Tabelle dargestellt.

Kohlenhydrate werden in drei Hauptklassen eingeteilt: Monosaccharide, Disaccharide und Polysaccharide.