Углеводы, липиды. Биополимеры. Основные типы биополимеров углеводы Глюкоза является мономером углевода

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).

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 Б Б А Б Б А Б Б А Б Б...

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

ААБАБББАААББАБББББААБ...

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.

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 С n (Н 2 0) m . Примером может служить один из самых распространенных углеводов — глюкоза, элементный состав которой С 6 Н 12 0 6 (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.

Функции углеводов. Важнейшая функция углеводов — энергетическая. Углеводы служат основным источником энергии для организмов, питающихся органическими веществами. В пищеварительном тракте человека и животных полисахарид крахмал расщепляется особыми белками (ферментами) до мономерных звеньев — глюкозы. Глюкоза, всасываясь из кишечника в кровь, окисляется в клетках до углекислого газа и воды с освобождением энергии химических связей, а избыток ее запасается в клетках печени и мышц в виде гликогена. В периоды интенсивной мышечной работы или нервного напряжения (либо при голодании) в мышцах и печени животных расщепление гликогена усиливается. При этом образуется глюкоза, которая потребляется интенсивно работающими мышечными и нервными клетками.

Таким образом, биополимеры полисахариды — это вещества, в которых запасается используемая клетками энергия растительных и животных организмов.

В растениях в результате полимеризации глюкозы образуется не только крахмал, но и целлюлоза. Из целлюлозных волокон строится прочная основа клеточных стенок растений. Благодаря особому строению целлюлоза нерастворима в воде и обладает высокой прочностью. По этой причине целлюлозу используют и для изготовления тканей. Ведь хлопок почти чистая целлюлоза. В кишечнике человека и большинства животных нет ферментов, способных расщеплять связи между молекулами глюкозы, входящими в состав целлюлозы. У жвачных животных целлюлозу расщепляют ферменты бактерий, постоянно обитающих в специальном отделе желудка.

Известны также сложные полисахариды, состоящие из двух типов простых сахаров, которые регулярно чередуются в длинных цепях. Такие полисахариды выполняют структурные функции в опорных тканях животных. Они входят в состав межклеточного вещества кожи, сухожилий, хрящей, придавая им прочность и эластичность. Таким образом, важной функцией углеводных биополимеров является структурная функция.

Имеются полимеры сахаров, которые входят в состав клеточных мембран; они обеспечивают взаимодействие клеток одного типа, узнавание клетками друг друга. Если разделенные клетки печени смешать с клетками почек, то они самостоятельно разойдутся в две группы благодаря взаимодействию однотипных клеток: клетки почек соединятся в одну группу, а клетки печени — в другую. Утрата способности узнавать друг друга характерна для клеток злокачественных опухолей. Выяснение механизмов узнавания и взаимодействия клеток может иметь важное значение, в частности для разработки средств лечения рака.

Липиды. 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, т. е. выполняет защитную функцию.

Некоторые липиды являются гормонами и принимают участие в регуляции физиологических функций организма. Липиды, содержащие остаток фосфорной кислоты (фосфолипиды), служат важнейшей составной частью клеточных мембран, т. е. они выполняют структурную функцию.

Основные типы биополимеров

Углеводы

• Мономеры углеводов – простые сахара или моносахариды. Чаще всего это глюкоза и фруктоза. Самая важная функция моносахаридов – обеспечение организма энергией. В живых клетках простые сахара расщепляются до двуокиси углерода и воды, что сопровождается высвобождением энергии. Эту энергию клетки используют для своих разнообразных нужд.

• Глюкоза – это базовая форма, которая хранится в человеческом организме, как запас энергии в виде гликогена в мышцах и печени. В природе глюкоза содержится в сладких фруктах и овощах: винограде, ягодах, апельсинах, моркови, кукурузе. Глюкоза также производится в промышленном масштабе. Пример – кукурузный сироп

• Фруктоза содержится в меде, спелых сладких фруктах и овощах. Перед усвоением глюкозы, организм должен сначала конвертировать фруктозу в глюкозу.

Строение молекулы глюкозы Линейная форма глюкозы: СНОСН(ОН)СН(ОН)СН(ОН)СН(ОН)СН2(ОН)

• Глюкоза преимущественно существует в циклическом виде. Известны a- и b-формы циклической глюкозы, различающиеся ориентацией гидроксила при С-1:

Простые сахара могут соединяться друг с другом, образуя дисахариды

• Сахароза – столовый сахар, получаемый из сахарной свеклы, тростника, а также коричневый сахар, черная патока. Содержится в небольшом количестве в овощах и фруктах.

• Лактоза – молочный сахар, единственный углевод животного происхождения, поэтому очень важный в питании человека. Содержание лактозы в молоке зависит от вида молока и варьируется от 2 до 8%.

• Мальтоза - солодовый сахар, формируется в процессе образования солода и ферментации винограда. Присутствует в пиве, мюслях и детском питании, обогащенных мальтозой.

Липиды

• Липиды разнообразны по структуре и по соотношению входящих в них элементов. Однако все они имеют общее свойство – все они неполярны. Они растворяются в хлороформе и эфирах, но практически нерастворимы в воде. Благодаря этому свойству липиды являются важнейшими компонентами мембран.

• Липиды –главная форма хранения энергии в животном организме, хранятся в концентрированном виде (без воды). Любое избыточное количество сахара, не израсходованное сразу, быстро превращается в жир. Существует три группы липидов:

• Триглицеролы (или триглицериды) – это молекулы, образованные в результате присоединения трех остатков жирных кислот к одной молекуле трехатомного спирта глицерола.

• В этой группе различают жиры и масла. Жиры при комнатной температуре остаются твердыми, а масла сохраняют жидкую консистенцию. В маслах содержится больше ненасыщенных жирных кислот.

• Фосфолипиды – сходны с триглицеролами, но в них один или два остатка жирных кислот замещены группами, содержащими фосфор. Фосфолипиды являются важнейшими компонентами биологических мембран.

Стероиды – это липиды, в основе которых лежит основа из четырех колец. У различных стероидов к этому основному скелету присоединяются боковые группы. К стероидам относится ряд гормонов (половые гормоны, кортизон). Стероид холестерол – важный компонент клеточных мембран у животных, но его избыток в организме может привести к образованию желчных камней и к заболеваниям сердечно-сосудистой системы.

• Строение молекулы холестерола

Белки

• В состав белка входят углерод, кислород, водород и азот. Некоторые белки содержат еще и серу. Роль мономеров в белках играют аминокислоты.

• У каждой аминокислоты имеется карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH2).

• В белках встречаются 20 обычных видов аминокислот.

• Функции белков – ферментативная, строительная (мембраны), энергетическая, двигательная, защитная и регуляторная.

Для белков характерны четыре структуры:

• Первичная – полипептид, длинная цепь, содержащая от 100 до 300 аминокислот, образуется за счет пептидных связей.

• Вторичная – образуется в результате формирования водородных связей между соседними пептидными связями. При формировании вторичной структуры молекула белка упаковывается либо в левозакрученную спираль, либо в бета-конфигурацию, характерную для белков, выполняющих строительную функцию.

• Третичная формируется в результате образования 4-х видов связей: водородных, ионных взаимодействий, образования дисульфидных мостиков и гидрофильно-гидрофобных связей (Ван-Дер-Валя).

• Существует глобулярная и фибрилярная третичные структуры. Третичная структура для большинства белков является рабочей, т.к. она энеогетически более выгодна.

• Некоторые белки формируют четвертичную структуру – она представляет собой комплексы белков и других органических веществ. Формирующие силы такие же как и у третичной структуры.

Денатурация белка

• Это потеря биологической активности белков при разрыве слабых связей, разрушение нативной (природной) структуры белка под действием денатурирующих агентов: высокой температуры, УФО, кислот, щелочей, ионов тяжелых металлов. Денатурация бывает обратимая (ренатурация) и необратимая.

Все углеводы состоят из отдельных «единиц», которыми являются сахариды. По способности к гидролизу на мономеры углеводы делятся на две группы: простые и сложные. Углеводы, содержащие одну единицу, называются моносахариды, две единицы - дисахариды, от двух до десяти единиц -- олигосахариды, а более десяти -- полисахариды. Моносахариды быстро повышают содержание сахара в крови, и обладают высоким гликемическим индексом, поэтому их ещё называют быстрыми углеводами. Они легко растворяются в воде и синтезируются в зелёных растениях. Углеводы, состоящие из 3 или более единиц, называются сложными. Продукты, богатые сложными углеводами, постепенно повышают содержание глюкозы и имеют низкий гликемический индекс, поэтому их ещё называют медленными углеводами. Сложные углеводы являются продуктами поликонденсации простых сахаров (моносахаридов) и, в отличие от простых, в процессе гидролитического расщепления способны распадаться на мономеры с образованием сотен и тысяч молекул моносахаридов.

Распространённый в природе моносахарид -- бета-D-глюкоза

Моносахариды

Моносахариды (от греческого monos -- единственный, sacchar -- сахар) -- простейшие углеводы, не гидролизующиеся с образованием более простых углеводов -- обычно представляют собой бесцветные, легко растворимые в воде, плохо -- в спирте и совсем нерастворимые в эфире, твёрдые прозрачные органические соединения, одна из основных групп углеводов, самая простая форма сахара. Водные растворы имеют нейтральную pH. Некоторые моносахариды обладают сладким вкусом. Моносахариды содержат карбонильную (альдегидную или кетонную) группу, поэтому их можно рассматривать как производные многоатомных спиртов. Моносахарид, у которого карбонильная группа расположена в конце цепи, представляет собой альдегид и называется альдоза. При любом другом положении карбонильной группы моносахарид является кетоном и называется кетоза. В зависимости от длины углеродной цепи (от трёх до десяти атомов) различают триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы и так далее. Среди них наибольшее распространение в природе получили пентозы и гексозы. Моносахариды -- стандартные блоки, из которых синтезируются дисахариды, олигосахариды и полисахариды.

В природе в свободном виде наиболее распространена D-глюкоза (C6H12O6) -- структурная единица многих дисахаридов (мальтозы, сахарозы и лактозы) и полисахаридов (целлюлоза, крахмал). Другие моносахариды, в основном, известны как компоненты ди-, олиго- или полисахаридов и в свободном состоянии встречаются редко. Природные полисахариды служат основными источниками моносахаридов.

Простые органические молекулы часто служат исходным сырьем для синтеза более крупных макромолекул . Макромолекула представляет собой гигантскую молекулу, построенную из многих повторяющихся единиц.

Молекулы, построенные таким образом, называются полимерами, а звенья, из которых они состоят - мономерами . В процессе соединения отдельных звеньев друг с другом (при так называемой конденсации) происходит удаление воды.

Противоположный процесс - распад полимеров - осуществляется путем гидролиза, т. е. путем присоединения воды. В живых организмах существуют три главных типа макромолекул: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них соответственно служат моносахариды, и нуклеотиды.

Макромолекулы составляют около 90% сухой массы клеток. Полисахариды играют роль запасных питательных веществ и выполняют структурные функции, белки же и нуклеиновые кислоты могут рассматриваться как «информационные молекулы ».
Макромолекулы существуют не только в живой природе, но и в неживой в частности многое оборудование на основе макромолекул созадны самим человеком.

Это означает, что в белках и нуклеиновых кислотах важна последовательность мономерных звеньев и в них она варьирует гораздо сильнее, чем в полисахаридах, состав которых ограничивается обычно одним или двумя различными видами субъединиц. Причины этого станут нам ясны позднее. В этой же главе мы подробно рассмотрим все три класса макромолекул и их субъединицы. К этому рассмотрению мы добавим еще и липиды - молекулы, как правило, значительно более мелкие, но также построенные из простых органических молекул.

Углеводы

Углеводами называют вещества, состоящие из углерода, водорода и , с общей формулой С x (Н 2 О) y где x: и у могут иметь разные значения. Название «углеводы» отражает тот факт, что водород и кислород присутствуют в молекулах этих веществ в том же соотношении, что и в молекуле воды (по два атома водорода на каждый атом кислорода). Все углеводы - это либо альдегиды, либо кетоны и в их молекулах всегда имеется несколько гидроксильных групп. Химические свойства углеводов определяются именно этими группами - альдегидной, гидроксильной и кетогруппой. Альдегиды, например, легко окисляются и благодаря этому являются мощными восстановителями. Строение этих групп представлено в таблице.

Углеводы подразделяются на три главных класса: моносахариды, дисахариды и полисахариды.