В самом общем смысле к этому классу можно отнести сахара и производные от них вещества, которые получаются при гидролизе. Углеводы являются неотъемлемой составляющей всех органических соединений. Обо всем разнообразии проявления этих веществ может рассказать классификация углеводов.

Биология

Клеткам живых организмов углеводы нужны в качестве аккумуляторов и источников энергии. В сухом веществе растений содержится до 90 % углеводов. Представители фауны также имеют в составе своих клеток углеводы - до 20% от общей массы сухого вещества. Классификация углеводов стандартизирует эти высокомолекулярные соединения и представляет их в наглядном виде. Понимание структуры углеводов, внутреннего строения этих соединений - ключ к постижению основ всего живого, к пониманию самой тайны жизни. Важной частью процесса познания этих веществ является классификация углеводов.

Схема

Все известные углеводы подразделяют на три большие группы:

Моносахариды;

Дисахариды;

Полисахариды.

Все три группы имеют различные физико-химические характеристики. Классификация и строение углеводов базируется именно на этих трех китах.

Моносахариды

Целлюлоза же не растворяется в воде даже при высокой температуре. Она не растворяется в спиртах, устойчива к воздействию щелочей и слабых окислителей. Гидролиз целлюлозы возможен лишь при растворении ее в концентрированных минеральных кислотах, например в серной. При нагревании такого раствора целлюлоза расщепляется, образуя вязкий раствор. Конечным продуктом данной реакции являются моносахариды.

Значение углеводов

Классификация и строение углеводов изучается многими смежными науками. Значение этих органических веществ в медицине, химической, пищевой, обрабатывающей промышленности достаточно высоко. Можно надеяться, что вышеприведенная классификация углеводов с примерами даст общее представление о природе этих веществ и об их важнейшей роли в хозяйственной деятельности человека.

Еще в древние времена человечество познакомилось с углеводами и научилось использовать их в своей повседневной жизни. Хлопок, лен, древесина, крахмал, мед, тростниковый сахар – это всего лишь некоторые из углеводов, сыгравшие важную роль в развитие цивилизации. Углеводы относятся к числу наиболее распространенных в природе органических соединений. Они являются неотъемлемыми компонентами клеток любых организмов, в том числе бактерий, растений и животных. В растениях на долю углеводов приходится 80 – 90 % сухой массы, у животных – около 2 % массы тела. Их синтез из углекислого газа и воды осуществляется зелеными растениями с использованием энергии солнечного света (фотосинтез ). Суммарное стехиометрическое уравнение этого процесса имеет вид:

Затем глюкоза и другие простейшие углеводы превращаются в более сложные углеводы, например, крахмал и целлюлозу. Растения используют эти углеводы для высвобождения энергии в процессе дыхания. Этот процесс в сущности обратен процессу фотосинтеза:

Интересно знать! Зеленые растения и бактерии в процессе фотосинтеза ежегодно поглощают из атмосферы приблизительно 200 млрд. т углекислого газа. При этом происходит высвобождение в атмосферу около 130 млрд. т кислорода и синтезируется 50 млрд. т органических соединений углерода, в основном углеводов.

Животные не способны из углекислого газа и воды синтезировать углеводы. Потребляя углеводы с пищей, животные расходуют накопленную в них энергию для поддержания процессов жизнедеятельности. Высоким содержанием углеводов характеризуются такие виды нашей пищи, как хлебобулочные изделия, картофель, крупы и др.

Название «углеводы» является историческим. Первые представители этих веществ описывались суммарной формулой С m H 2 n O n или C m (H 2 O) n . Другое название углеводов – сахара – объясняется сладким вкусом простейших углеводов. По своей химической структуре углеводы – сложная и многообразная группа соединений. Среди них встречаются как достаточно простые соединения с молекулярной массой около 200, так и гигантские полимеры, молекулярная масса которых достигает нескольких миллионов. Наряду с атомами углерода, водорода и кислорода в состав углеводов могут входить атомы фосфора, азота, серы и, реже, других элементов.

Классификация углеводов

Все известные углеводы можно подразделить на две большие группы – простые углеводы и сложные углеводы . Отдельную группу составляют углеводсодержащие смешанные полимеры, например, гликопротеины – комплекс с молекулой белка, гликолипиды – комплекс с липидом, и др.

Простые углеводы (моносахариды, или монозы) являются полигидроксикарбонильными соединениями, не способными при гидролизе образовывать более простые углеводные молекулы. Если моносахариды содержат альдегидную группу, то они относятся к классу альдоз (альдегидоспиртов), если кетонную – к классу кетоз (кетоспиртов). В зависимости от числа углеродных атомов в молекуле моносахаридов различают триозы (С 3), тетрозы (С 4), пентозы (С 5), гексозы (С 6) и т.д.:

Наиболее часто в природе встречаются пентозы и гексозы.

Сложные углеводы (полисахариды , или полиозы ) представляют собой полимеры, построенные из остатков моносахаридов. Они при гидролизе образуют простые углеводы. В зависимости от степени полимеризации их подразделяют на низкомолекулярные (олигосахариды , степень полимеризации которых, как правило, меньше 10) и высокомолекулярные . Олигосахариды – сахароподобные углеводы, растворимые в воде и сладкие на вкус. Их по способности восстанавливать ионы металлов (Cu 2+ , Ag +) делят на восстанавливающие и невосстанавливающие . Полисахариды в зависимости от состава можно также разделить на две группы: гомополисахариды и гетерополисахариды . Гомополисахариды построены из моносахаридных остатков одного типа, а гетерополисахариды – из остатков разных моносахаридов.

Сказанное с примерами наиболее распространенных представителей каждой группы углеводов можно представить в виде следующей схемы:

Функции углеводов

Биологические функции полисахаридов весьма разнообразны.

Энергетическая и запасающая функция

В углеводах заключено основное количество калорий, потребляемых человеком с пищей. Основным углеводом, поступающим с пищей, является крахмал. Он содержится в хлебобулочных изделиях, картофеле, в составе круп. В рационе человека присутствуют также гликоген (в печени и мясе), сахароза (в качестве добавок к различным блюдам), фруктоза (во фруктах и меде), лактоза (в молоке). Полисахариды, прежде чем усвоиться организмом, должны быть гидролизованы с помощью пищеварительных ферментов до моносахаридов. Только в таком виде они всасываются в кровь. С током крови моносахариды поступают к органам и тканям, где используются для синтеза своих собственных углеводов или других веществ, либо подвергаются расщеплению с целью извлечения из них энергии.

Освобождающаяся в результате расщепления глюкозы энергия накапливается в виде АТФ. Различают два процесса распада глюкозы: анаэробный (в отсутствие кислорода) и аэробный (в присутствии кислорода). В результате анаэробного процесса образуется молочная кислота

которая при тяжелых физических нагрузках накапливается в мышцах и вызывает боль.

В результате же аэробного процесса глюкоза окисляется до оксида углерода (IV) и воды:

В результате аэробного распада глюкозы освобождается значительно больше энергии, чем в результате анаэробного. В целом при окислении 1 г углеводов выделяется 16,9 кДж энергии.

Глюкоза может подвергаться спиртовому брожению. Этот процесс осуществляется дрожжами в анаэробных условиях:

Спиртовое брожение широко используется в промышленности для производства вин и этилового спирта.

Человек научился использовать не только спиртовое брожение, но и нашел применение молочнокислому брожению, например, для получения молочнокислых продуктов и квашения овощей.

В организме человека и животных нет ферментов, способных гидролизовать целлюлозу, тем не менее целлюлоза является основным компонентом пищи для многих животных, в частности, для жвачных. В желудке этих животных в больших количествах содержатся бактерии и простейшие, продуцирующие фермент целлюлазу , катализирующий гидролиз целлюлозы до глюкозы. Последняя может подвергаться дальнейшим превращениям, в результате которых образуются масляная, уксусная, пропионовая кислоты, способные всасываться в кровь жвачных.

Углеводы выполняют и запасную функцию. Так, крахмал, сахароза, глюкоза у растений и гликоген у животных являются энергетическим резервом их клеток.

Структурная, опорная и защитная функции

Целлюлоза у растений и хитин у беспозвоночных и в грибах выполняют опорную и защитную функции. Полисахариды образуют капсулу у микроорганизмов, укрепляя тем самым мембрану. Липополисахариды бактерий и гликопротеины поверхности животных клеток обеспечивают избирательность межклеточного взаимодействия и иммунологических реакций организма. Рибоза служит строительным материалом для РНК, а дезоксирибоза – для ДНК.

Защитную функцию выполняет гепарин . Этот углевод, являясь ингибитором свертывания крови, предотвращает образование тромбов. Он содержится в крови и соединительной ткани млекопитающих. Клеточные стенки бактерий, образованные полисахаридами, скреплены короткими аминокислотными цепочками, защищают бактериальные клетки от неблагоприятных воздействий. Углеводы участвуют у ракообразных и насекомых в построение наружного скелета, выполняющего защитную функцию.

Регуляторная функция

Клетчатка усиливает перистальтику кишечника, улучшая этим пищеварение.

Интересна возможность использования углеводов в качестве источника жидкого топлива – этанола. С давних пор использовали древесину для обогрева жилищ и приготовления пищи. В современном обществе этот вид топлива вытесняется другими видами – нефтью и углем, более дешевыми и удобными в использовании. Однако растительное сырье, несмотря на некоторые неудобства в использовании, в отличие от нефти и угля является возобновляемым источником энергии. Но его применение в двигателях внутреннего сгорания затруднено. Для этих целей предпочтительнее использовать жидкое топливо или газ. Из низкосортной древесины, соломы или другого растительного сырья, содержащих целлюлозу или крахмал, можно получить жидкое топливо – этиловый спирт. Для этого необходимо вначале гидролизовать целлюлозу или крахмал и получить глюкозу:

а затем полученную глюкозу подвергнуть спиртовому брожению и получить этиловый спирт. После очистки его можно использовать в виде топлива в двигателях внутреннего сгорания. Надо отметить, что в Бразилии с этой целью ежегодно из сахарного тростника, сорго и маниока получают миллиарды литров спирта и используют его в двигателях внутреннего сгорания.

Углеводы, или сахара, - это органические соединения, которые содержат в молекуле одновременно карбонильную (альдегидную или кетонную) и несколько гидроксильных (спиртовых) групп . Другими словами, углеводы - это альдегидоспирты (полиоксиальдегиды) или кетоноспирты (полиоксикетоны). Углеводы являются неотъемлемым компонентом клеток и тканей всех живых организмов представителей растительного и животного мира, составляя (по массе) основную часть органического вещества на Земле. Источником углеводов для всех живых организмов является процесс фотосинтеза, осуществляемый растениями. Углеводы играют чрезвычайно важную роль в живой природе, и являются самыми распространенными веществами в растительном мире, составляя до 80 % сухой массы растений. Важное значение углеводы имеют и для промышленности, поскольку они в составе древесины широко используются в строительстве, производстве бумаги, мебели и других товаров.

Основные функции :

• Энергетическая. При распаде углеводов высвобождаемая энергия рассеивается в виде тепла или накапливается в молекулах АТФ. Углеводы обеспечивают около 50 – 60 % суточного энергопотребления организма, а при мышечной деятельности на выносливость - до 70 %.
• Пластическая. Углеводы (рибоза, дезоксирибоза) используются для построения АТФ, АДФ и других нуклеотидов, а также нуклеиновых кислот. Они входят в состав некоторых ферментов. Отдельные углеводы являются структурными компонентами клеточных мембранУглеводы накапливаются (запасаются) в скелетных мышцах, печени и других тканях в виде гликогена.
• Специфическая. Отдельные углеводы участвуют в обеспечении специфичности групп крови, исполняют роль антикоагулянтов (вызывающие свертывание), являясь рецепторами цепочки гормонов или фармакологических веществ, оказывая противоопухолевое действие.
• Защитная . Сложные углеводы входят в состав компонентов иммунной системы; мукополисахариды находятся в слизистых веществах, которые покрывают поверхность сосудов носа, бронхов, пищеварительного тракта, мочеполовых путей и защищают от проникновения бактерий и вирусов, а также от механических повреждений.
• Регуляторная . Клетчатка пищи не поддается процессу расщепления в кишечнике, однако активирует перистальтику кишечного тракта, ферменты, использующиеся в пищеварительном тракте, улучшая пищеварение и усвоение питательных веществ.

Классификация углеводов . Все углеводы можно разделить на две большие группы:

• простые углеводы (моносахариды, или монозы),
• сложные углеводы (полисахариды, или полиозы).

Простые углеводы не подвергаются гидролизу с образованием других, еще более простых углеводов. При разрушении молекул моносахаридов можно получить молекулы лишь других классов химических соединений. В зависимости от числа атомов углерода в молекуле, различают тетрозы (четыре атома), пентозы (пять атомов), гексозы (шесть атомов), и т.д. Если моносахариды содержат альдегидную группу, то они относятся к классу альдоз (альдегидоспиртов), если кетонную - к классу кетоз (кетоноспиртов).

Сложные углеводы, или полисахариды , при гидролизе распадаются на молекулы простых углеводов. Сложные углеводы, в свою очередь, делятся на:

• олигосахариды,
• полисахариды.

Олигосахариды - это низкомолекулярные сложные углеводы, растворимые в воде и сладкие на вкус. Полисахариды - это высокомолекулярные углеводы, образованные более чем из 20 остатков моносахаридов, нерастворимые в воде и не сладкие на вкус.

В зависимости от состава , сложные углеводы можно разделить на две группы:

• гомополисахариды, состоящие из остатков одного и того же моносахарида;
• гетерополисахариды, состоящие из остатков различных моносахаридов.

Моносахариды. Общая формула моносахаридов - СпН2пОп. Названия моносахаридов образуют из греческого числительного, соответствующего числу углеродных атомов в данной молекуле, и окончания -оза. Чаще всего в живой природе встречаются моносахариды с пятью и шестью углеродными атомами - пентозы и гексозы. В зависимости от характера карбонильной группы, входящей в состав моносахаридов (альдегидная или кетонная), моносахариды делятся на:

• альдозы (альдегидоспирты),
• кетозы (кетоноспирты).

Из гексоз наиболее широко распространены глюкоза (виноградный сахар) и фруктоза (фруктовый сахар). Глюкоза - это представитель альдоз, а фруктоза - кетоз. Глюкоза и фруктоза являются изомерами , т.е. они имеют один и тот же атомарный состав и их молекулярная формула одинакова (С6Н12О6). Однако пространственное строение их молекул различается:
СН2ОН-СНОН-СНОН-СНОН-СНОН-СНО Глюкоза (альдогексоза)

СН2ОН-СНОН-СНОН-СНОН-СО-СН2ОН Фруктоза (кетогексоза).

Э.Фишер разработал пространственные формулы , названные его именем. В этих формулах углеродные атомы нумеруют с того конца цепи, к которому ближе карбонильная группа. В частности, в альдозах первый номер присваивается углероду альдегидной группы.
Однако моносахариды существуют не только в виде открытых форм, но и в виде циклов. Эти две формы - цепная и циклическая - являются таутомерными и способны самопроизвольно переходить одна в другую в водных растворах. Представители моносахаридов:

• D-рибоза - компонент РНК и коферментов нуклеотидной природы.
• D-глюкоза (виноградный сахар) - кристаллическое белое вещество, хорошо растворимое в воде, температура плавления равна 146°С. Полимеры глюкозы, прежде всего
• D-галактоза - кристаллическое вещество, составная часть молочного сахара, важнейший компонент пищевого рациона. Достаточно хорошо растворяется в воде, сладкое на вкус, температура плавления равна 165°С. Наряду с D-маннозой, этот моносахарид входит в состав многих гликолипидов и гликопротеинов.
• D-манноза - кристаллическое вещество, сладкое на вкус, хорошо растворимое в воде, температура плавления равна 132°С. Встречается в природе в виде полисахаридов - маннанов, из которых может быть получено гидролизом.
• D-фруктоза (фруктовый сахар) - кристаллическое вещество, температура плавления равна 132°С. Хорошо растворима в воде, сладкая на вкус, сладость превосходит сладость сахарозы в два раза. В свободной форме содержится во фруктовых соках (фруктовый сахар) и меде. В связанной форме фруктоза присутствует в сахарозе и растительных полисахаридах (например, в инулине).

При окислении альдоз образуется три класса кислот: альдоновые, альдаровые и альдуроновые.

Наиболее важными полисахаридами являются следующие:

• Целлюлоза - линейный полисахарид, состоящий из нескольких прямых параллельных цепей, соединенных между собой водородными связями. Каждая цепь образована остатками β-D-глюкозы. Такая структура препятствует проникновению воды, очень прочна на разрыв, что обеспечивает устойчивость оболочек клеток растений, в составе которых 26-40 % целлюлозы. Целлюлоза служит пищей для многих животных, бактерий и грибов. Однако большинство животных, в том числе и человек, не могут усваивать целлюлозу, поскольку в их желудочно-кишечном тракте отсутствует фермент целлюлаза, расщепляющий целлюлозу до глюкозы. В то же время целлюлозные волокна играют важную роль в питании, поскольку они придают пище объемность и грубую консистенцию, стимулируют перистальтику кишечника.
• Крахмал и гликоген. Эти полисахариды являются основными формами запасания глюкозы у растений (крахмал), животных, человека и грибов (гликоген). При их гидролизе в организмах образуется глюкоза, необходимая для процессов жизнедеятельности.
• Хитин образован молекулами β-глюкозы, в которой спиртовая группа при втором атоме углерода замещена азотсодержащей группой NHCOCH3. Его длинные параллельные цепи так же, как и цепи целлюлозы, собраны в пучки. Хитин - основной структурный элемент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов.

Классификация углеводов.

Углеводы

Моносахариды Дисахариды Полисахариды

Глюкоза Сахароза Целлюлоза

Фруктоза Мальтоза Крахмал

Рибоза Лактоза Гликоген

Дезоксирибоза

I . Моносахариды – простые углеводы, с формулой ( O) n .

В зависимости от количества атомов углерода в молекуле моносахариды называются триозами (3 атома), тетрозами (4 атома); пентозами (5 атомов) – рибоза, дезоксирибоза; и гексозами (6 атомов С) – глюкоза, фруктоза, галактоза.

Глюкоза содержится в крови (0,1-0,12%) и служит основным источником энергии для клеток и тканей организма. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеиновых кислот и АТФ.

II. Дисахариды (олигосахариды) – сахара, образующиеся в результате объединения двух моносахаридов (гексоз), с потерей молекулы воды.

Наиболее важными из этой группы являются: сахароза (свекловичный сахар) и мальтоза (солодовый сахар) у растений, и лактоза – у животных (молочный сахар).

К дисахаридам относится пищевой сахар, получаемый из тростника свеклы. Он состоит из1 молекулы глюкозы и 1 молекулы фруктозы.

Моносахариды и дисахариды хорошо растворимы в воде, обладают сладким вкусом.

III. Полисахариды – сложные углеводы, образованные многими моносахаридами.

Общая формула ()n. Наибольшее биологическое значение имеют: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Полисахариды биополимеры, нерастворимы в воде, не имеют сладкого вкуса.

Кроме полисахаридов, состоящих из гексоз, существуют значительно более сложные длинные молекулы, содержащие аминный N (например: глюкозамин), который может быть ацетилирован (ацетилглюкозамин) или замещен на остатки серной или фосфорной кислоты.

Эти сложные полисахариды представляют следующие соединения:

ü нейтральные полисахариды , содержащие только ацетилглюкозамин. Пример: хитин – опорное вещество насекомых и ракообразных.

ü кислые мукополисахариды , содержащие в молекулах остатки серной и др. кислот. Пример: гепарин.

ü мукопротеиды (мукоиды) и гликопротеиды, представляют собой комплексы ацетилглюкозамина и др. углеводов с белками. Пример: вещества входящие в состав слюны и секрета слизистой желудка, также к гликопротеидам относятся яичный и сывороточный альбумины.

Свойства и функции углеводов:

1. Строительная (структурная) –

ü входят в состав оболочек растительных клеток (целлюлоза образует стенки растительных клеток) и формируют опорный скелет растений;

ü хитин – главный структурный компонент наружного скелета членистоногих. Строительную функцию хитин выполняет и у грибов.

2. Энергетическая функция (запасающая) –

ü углеводы являются основным источником энергии в клетках. При окислении 1 г глюкозы выделяет 17,6 кДж энергии;

ü крахмал является основным запасным веществом у растений, гликоген – у животных; служат энергетическим резервом.

Липиды.

Липиды – это сложные эфиры, образующиеся в результате реакции конденсации между жирными кислотами и каким-нибудь спиртом.

Реакция конденсации – это реакция, при которой происходит соединение двух веществ с выделением молекулы воды.

Липиды иногда называют жирами и жироподобные органические соединения, которые наряду с белками и углеводами обязательно присутствуют в клетках. Все они являются гидрофобными соединениями, т.е. нерастворимые в воде, но растворимы в неполярных органических растворителях (хлороформ, бензол, эфир, бензин, ацетон и др.)

Поступление липидов в клетку:

ü у растений синтезируются в каналах ЭПС.

ü у животных поступают с пищей, расщепляются и вновь синтезируются в собственные жиры.

Рис. Строение простого липида

Жир содержится в молоке всех млекопитающих животных, у некоторых до 40% (у самки дельфина). У некоторых растений большое количество жира находится в семенах и плодах (подсолнечник, грецкий орех).

Рис. Строение олеиновой кислоты

Липиды не являются полимерами , т.к. они не состоят из повторяющихся звеньев (мономеров).

Компоненты липидов.

Жирные кислоты называют «жирными» потому, что некоторые члены этого ряда входят в состав жиров. Общая формула имеет вид R-СООН, где R – атом водорода или радикал типа – СН 3 , –С 2 Н 5 и др.

Длинная цепь из атомов углерода и водорода составляет гидрофобный углеводородный хвост .

Иногда в жирных кислотах имеется одна или несколько двойных связей (С = С). В этом случае жирные кислоты называются ненасыщенными . Если двойных связей нет, кислоты называются насыщенными .

Ненасыщенные жирные кислоты плавятся при низких температурах. Олеиновая кислота – основной компонент оливкового масла – при обычных температурах бывает жидкой (Т пл = 13,4 о С), тогда как пальмитиновая и стеариновая кислоты (Т пл = 63,1 о С и Т пл = 69,6 о С) при таких температурах остаются твердыми.

Спирты. Большая часть липидов представляет собой триглицериды. В их состав входит спирт глицерол.

Кроме жира, в клетках присутствуют вещества, обладающие, как и жиры, гидрофобными свойствами. Это – липоиды.

Липоиды (греч. «липос» - жир, «эйдос» - вид) – жироподобные вещества, у которых 1 молекула жирной кислоты заменена на .

Классификация липидов

Эфиры жирных кислот и глицерина Стероиды

(входит спирт холестерол)

Простые Сложные

Триглицериды Воска Фосфолипиды

Гликолипиды

Триглицериды – самые распространённые из липидов, встречающихся в природе. Их принято делить на жиры и масла, в зависимости от того, остаются ли они твердыми при комнатной температуре (жиры) или находятся в жидком состояние (масла). Температура плавления липида тем ниже, чем выше в нем доля ненасыщенных жирных кислот.

В организме животных, живущих в холодном климате, например у рыб арктических морей, обычно содержится больше ненасыщенных триацилглицералов, чем у обитателей южных широт. Поэтому тело их остается гибким и при понижении температуры среды.

Воска – сложные эфиры жирных кислот и многоатомных спиртов. Кожные железы животных способны вырабатывать воска, предохраняющие шерсть и перья от намокания. Пчелы строят соты из воска. У растений воска образуют защитный слой на поверхности плодов и листьев.

Фосфолипиды – соединения глицерина, жирных кислот и остатка фосфорной кислоты.

Рис. Строение фосфолипида.

Фосфатная голова – гидрофильна. Хвост не растворим в воде.

Гликолипиды – соединения липидов и углеводов. Гликолипиды и фосфолипиды входят в состав мембран.

Стероиды не содержат жирных кислот, и имеют в своем составе спирт холестерол.

К этой группе липидов (стеролы)относятся желчные кислоты, гормоны коры надпочечников (адренокортикотропные гормоны), половые гормоны, витамин D. Предшественником в синтезе этих веществ является холестерин. Как структурный компонент он входит в состав всех мембран.

К стеролам близки терпены, представителями которых являются гибереллины (ростовые вещества растений), каротиноиды (пигменты*), ментол и камфора (эфирные масла растений).

*Пигменты – разнообразные по химической структуре органические вещества, способные избирательно поглощать свет определенной длины волны.

ü Красящая: придают окраску клеткам тканей и органов (антоцианы у растений, меланин у животных).

ü Защита от ультрафиолета (каротиноиды у растений, меланин у животных).

ü Участие в фотосинтезе (хлорофилл и фикобиллины).

ü Транспорт и депонирование кислорода (гемоглобин крови и миоглобин мышц).

ü Участие в зрительном поцессе (родопсин и йодопсин).

Свойства и функции липидов:

1. Энергетическая функция. Липиды обеспечивают 25-30% всей энергии, необходимой организму. При расщеплении 1г. жиров до и освобождается 38,9 кДж энергии.

2. Запасающая функция. Запасными питательными веществами могут быть капли жира вне клетки. Накапливаясь в клетках жировой ткани животных, в семенах и плодах растений, жиры служат запасным источником энергии.

Пример: животные, впадающие в спячку, и растения накапливающие жиры и масла и расходуют их в процессе жизнедеятельности.

3. Строительная функция (структурная) – липиды образуют бимолекулярный слой служащий основой наружной клеточной мембраны, из них 75-95% фосфлипиды; гликолипиды входят в состав клеток мозга и нервных клеток.

4. Функция термоизоляции. Жиры плохо проводят тепло. У некоторых животных (тюлени, киты) он откладывается в подкожной жировой ткани, которая у китов образует слой толщиной до 1 м.

5. Защитная функция: термо- и гидроизоляция, защита от ударов. Пример: воск предохраняет перья и шерсть животных от смачивания.

6. Регуляторная функция (гормональная)

ü связана с тем, что многие жиры – компоненты витаминов (А, Д, Е и К) следовательно часть липидов принимают участие в обмене веществ.

ü Стероидные гормоны регулируют ряд процессов обмена веществ и размножения.

7. Функция источника воды.

ü При окислении 100 г жира образуется ≈105 г воды. Эта метаболическая вода очень важна для обитателей пустыни, в частности для верблюда, способного обходится без воды 10-12 дней; жир запасаемый в его горбе, используется для этой цели.

ü Необходимую для жизнедеятельности воду медведи, сурки и др. животные в спячке также получают в результате окисления жира.

Белки.

Белки – сложные органические соединения (биополимеры), состоящие из С, Н, О и N (иногда и S), мономерами которых являются аминокислоты.

Белки высокомолекулярны.

Молекулярная масса (Mm) = от 5 тыс. до 1 млн. дальтон и более. Так например: Mm этилового спирта = 46 Д; Mm одного из белков яйца = 36000 Д; Mm одного из белков мышц = 1500000 Д. Глобулин молока имеет Mm 42000 Д. Его формула –

Поступление белков в клетку:

ü у растений синтезируется на рибосомах из аминокислот которые образуются в клетках, из и карбоксильной группы, соединенных с различными радикалами.

ü у животных поступают с пищей, расщепляются до аминокислот, которые идут на синтез собственных белков.

В образовании белков участвуют 20 различных аминокислот.

Аминокислоты – низкомолекулярные органические соединения, в состав которых входят 1 или 2 аминогруппы (- ) и 1 или 2 карбоксильные группы (-COOH), обладающие щелочными (основными) и кислотными свойствами соответственно. Этим объясняются амфотерные свойства аминокислот, благодаря чему в клетках они играют роль буферных соединений.

Классификация аминокислот:

1) Моноаминомонокарбоновые: Глицин (Гли), Аланин (Ала), Валин (Вал), Лейцин (Лей), Изолейцин (Иле).

2) Моноаминодикарбоновые: Глютаминовая кислота (Глу), Аспаролиновая кислота (Асп)

3) Диаминомонокарбоновые: Аргинин (Арг), Лизин (Лиз), Оксилизин (Оли).

4) Гидроксилсодержащие: Треонин (Тре), Серин (Сер).

6) Ароматические: Фенилаланин (Фен), Пирозин (Пер).

7) Гетероциклические: Триптофан (Три), Пролин (Про), Оксипролин (Опр), Гистидин (Гис).

Поступление аминокислот в клетку:

ü у растений все необходимые аминокислоты синтезируются из , воды и аммиака.

ü у животных и человека утрачена способность синтезировать ряд протеиногенных аминокислот, которые стали для них незаменимыми – они должны поступать с пищей и кормом. [в классификации отмечены курсивом]. Заменимые аминокислоты – синтезируются в организме человека и животных в процессе биосинтеза.

Общая формула аминокислоты :

- CH - COOH

Все аминокислоты различаются только радикалами.

В настоящее время известно более 150 природных аминокислот с известными строением и функциями. Пример: γ-аминомасляная кислота обеспечивает процессы торможения в нервной системе. Многие аминокислоты являются предшественниками витаминов, а/б, гормонов и др. биологически-активных соединений.

Большинство аминокислот находятся в организме в свободном виде и только 20 из них входят в состав белков. Эти аминокислоты называются белковые или протеиногенные (образующие протеины). Им присуще свойство – способность при участии ферментов соединятся по аминным и карбоксильным группам и образовывать полипептидные цепи.

В живой природе широко распространены многие вещества, значение которых сложно переоценить. К примеру, к таковым относятся углеводы. Они чрезвычайно важны в качестве источника энергии для животных и человека, а некоторые свойства углеводов делают их незаменимым сырьем для промышленности.

Что это такое?

Краткие сведения о химическом строении

Если посмотреть на линейную формулу, то в составе этого углевода хорошо заметна одна альдегидная и пять гидроксильных групп. Когда вещество находится в кристаллическом состоянии, то молекулы его могут находиться в одной из двух возможных форм (α- или β-глюкоза). Дело в том, что гидроксильная группа, сцепленная с пятым атомом углерода, может вступать во взаимодействие с карбонильным остатком.

Распространенность в природных условиях

Так как ее исключительно много в виноградном соке, глюкозу нередко называют «виноградным сахаром». Под таким именем ее знали еще наши далекие предки. Впрочем, отыскать ее можно в любом другом сладком овоще или фрукте, в мягких тканях растения. В животном мире ее распространенность ничуть не ниже: приблизительно 0,1% нашей крови - это именно глюкоза. Кроме того, найти можно эти углеводы в клетке практически любого внутреннего органа. Но особенно их много в печени, так как именно там осуществляется переработка глюкозы в гликоген.

Она (как мы уже и говорили) является ценным источником энергии для нашего организма, входит в состав практически всех сложных углеводов. Как и прочие простые углеводы, в природе она возникает после реакции фотосинтеза, которая протекает исключительно в клетках растительных организмов:

6СО 2 + 6Н 2 О хлорофилл С 6 Н 12 О 6 + 6О 2 - Q

Растения при этом выполняют невероятно важную для биосферы функцию, аккумулируя энергию, которая получается ими от солнца. Что касается промышленных условий, то издревле получали из крахмала, производя его гидролиз, причем катализатором реакции является концентрированная серная кислота:

(С 6 Н 10 О 5)n + nH 2 О H 2 SO 4 , t nC 6 H 12 О 6

Химические свойства

Каковы химические свойства углеводов этого вида? Обладают все теми же характеристиками, которые свойственны сугубо спиртам и альдегидам. Кроме того, имеются у них и некоторые специфические особенности. Впервые синтез простых углеводов (в том числе и глюкозы) был произведен талантливейшим химиком А. М. Бутлеровым в 1861 году, причем в качестве сырья он использовал формальдегид, расщепляя его в присутствии гидроксида кальция. Вот формула этого процесса:

6НСОН ------->С6Н 12 О 6

А сейчас рассмотрим некоторые свойства двух других представителей группы, природное значение которых не менее велико, а потому их изучает биология. Углеводы этих видов играют в нашей повседневной жизни весьма важную роль.

Фруктоза

Формула этого глюкозного изомера - СеН 12 О б. Наподобие «прародителя» может существовать в линейной и циклической форме. Вступает во все реакции, которые характерны для многоатомных спиртов, но, тем самым отличаясь от глюкозы, никак не взаимодействует с аммиачным раствором оксида серебра.

Рибоза

Чрезвычайно большой интерес представляет рибоза и дезоксирибоза. Если вы хоть немного помните программу биологии, то и сами прекрасно знаете о том, что именно эти углеводы в организме входят в состав ДНК и РНК, без которых само существование жизни на планете невозможно. Название «дезоксирибоза» означает, что в ее молекуле на один атом кислорода меньше (если ее сравнивать с обычной рибозой). Будучи сходными в этом отношении с глюкозой, также могут иметь линейное и циклическое строение.

Дисахариды

В принципе, эти вещества по своему строению и функциям во многом повторяют предыдущий класс, а потому нет смысла останавливаться на этом более подробно. Каковы химические свойства углеводов, относящихся к этой группе? Важнейшими представителями семейства являются сахароза, мальтоза и лактоза. Все они могут быть описаны формулой С 12 Н 22 О 11 , так как являются изомерами, но это не отменяет огромных различий в их строении. Так чем характерны сложные углеводы, список и описание которых вы можете увидеть ниже?

Сахароза

Ее молекула имеет в своем составе сразу два цикла: один из них является шестичленным (остаток α-глюкозы), а другой - пятичленный (остаток β-фруктозы). Соединяется все эта конструкция за счет гликозидного гидроксила глюкозы.

Получение и общее значение

Согласно сохранившимся историческим сведениям, еще за три века до Рождества Христова сахар из научились получать в Древней Индии. Только в середине 19-го века оказалось, что куда больше сахарозы с меньшими для этого усилиями можно добыть из сахарной свеклы. В некоторых ее сортах содержится до 22% этого углевода, тогда как в тростнике содержание может быть в пределах 26%, но такое возможно только при идеальных условиях выращивания и благоприятном климате.

Мы уже говорили, что углеводы хорошо растворяются в воде. Именно на этом принципе основано получение сахарозы, когда для этой цели используют аппараты-диффузоры. Чтобы осадить возможные примеси, раствор фильтруют через фильтры, в состав которых входит известь. Чтобы удалить из полученного раствора гидроксид кальция, через него пропускают обычный углекислый газ. Осадок отфильтровывают, а сахарный сироп упаривают в специальных печах, получая на выходе уже знакомый нам сахар.

Лактоза

Этот углевод в промышленных условиях выделяется из обычного молока, в котором в избытке содержатся жиры и углеводы. В нем этого вещества содержится довольно много: так, коровье молоко содержит приблизительно 4-5,5% лактозы, а в молоке женщин ее объемная доля доходит до 5,5-8,4%.

Каждая молекула этого глицида состоит из остатков 3-галактозы и а-глюкозы в пиранозной форме, которые образуют связи посредством первого и четвертого атома углерода.

В отличие от других сахаров, у лактозы есть одно исключительное свойство. Речь идет о полном отсутствии гигроскопичности, так что даже во влажном помещении этот глицид совершенно не отсыревает. Это свойство активно используется в фармацевтике: если в состав какого-то лекарства в порошкообразной форме входит обычная сахароза, то к ней обязательно добавляют лактозу. Она совершенно натуральная и безвредна для человеческого организма, в отличие от многих искусственных добавках, которые препятствуют слеживанию и намоканию. Каковы функции и свойства углеводов этого типа?

Биологическое значение лактозы чрезвычайно велико, так как лактоза является важнейшим питательным компонентом молока всех животных и человека. Что же касается мальтозы, то ее свойства несколько отличны.

Мальтоза

Является промежуточным продуктом, который получается при гидролизе крахмала. Название «мальтоза» получил из-за того что образуется во многом под влиянием солода (по-латински солод - maltum). Широко распространен не только в растительных, но и в животных организмах. В больших количествах образуется в пищеварительном тракте жвачных животных.

и свойства

Молекула этого углевода состоит из двух частей α-глюкозы в пиранозной форме, которые соединены между собой посредством первого и четвертого атомов углерода. На вид представляет собой бесцветные, белые кристаллы. На вкус - сладковатая, прекрасно растворяется в воде.

Полисахариды

Следует помнить, что все полисахариды можно рассматривать с той точки зрения, что они представляют собой продукты поликонденсации моносахаридов. Их общая химическая формула - (С б Н 10 О 5)п. В рамках данной статьи мы рассмотрим крахмал, так как он является наиболее типичным представителем семейства.

Крахмал

Образуется в результате фотосинтеза, в больших количествах откладывается в корнях и семенах растительных организмов. Каковы физические свойства углеводов этого вида? На вид представляет собой белый порошок с плохо выраженной кристалличностью, нерастворимый в холодной воде. В горячей жидкости образует коллоидную структуру (клейстер, кисель). В пищеварительном тракте животных имеется много ферментов, которые способствуют его гидролизу с образованием глюкозы.

Является наиболее распространенным который образован из множества остатков а-глюкозы. В природе одновременно встречаются две его формы: амилоза и амшопектин. Амилоза, будучи линейным полимером, может быть растворена в воде. Молекула состоит из остатков альфа-глюкозы, которые связаны через первый и четвертый атом углерода.

Нужно помнить, что именно крахмал является первым видимым продуктом фотосинтеза растений. В пшенице и других злаковых его содержится до 60-80%, тогда как в клубнях картофеля - всего 15-20%. К слову говоря, по виду крахмальных зерен под микроскопом можно безошибочно определить видовую принадлежность растения, так как они у всех разные.

Если нагреть, его огромная молекула будет быстро разлагаться с образованием мелких полисахаридов, которые известны под названием декстринов. У них с крахмалом одна общая химическая формула (С 6 Н 12 О 5)х, но имеется разница в значении переменной «х», которое меньше значения «n» в крахмале.

Напоследок приведем таблицу, в которой отражены не только основные классы углеводов, но и их свойства.

Основные группы	Особенности молекулярного строения	Отличительные свойства углеводов
Моносахариды	Различаются по числу атомов углерода: Триозы (С3) Тетрозы (С4) Пентозы (С5) Гексозы (С6)	Бесцветные или белые кристаллы, отлично растворяются в воде, сладкие на вкус
Олигосахариды	Сложное строение. В зависимости от вида, содержат 2-10 остатков простых моносахаридов	Внешний вид тот же, чуть хуже растворяются в воде, менее сладкий вкус
Полисахариды	Состоят из очень большого количества остатков моносахаридов	Белый порошок, кристаллическая структура выражена слабо, в воде не растворяются, но имеют свойство в ней разбухать. На вкус нейтральные

Вот каковы функции и свойства углеводов основных классов.