Углеводы

Сегодня продолжаем путешествие по молекулярному уровню организации жизни на Земле.

Как вы знаете, изучением органических веществ занимается наука органическая химия. А изучением органических веществ в живых организмах – биологическая химия, или биохимия. Которой на протяжении нескольких уроков вы и будете заниматься на биологии.

Почему один и тот же предмет изучения рассматривается двумя разными подходами и двумя разными науками, мы с вами уяснили – потому что органические вещества внутри живых организмов обладают совершенно неповторимыми для неживой природы свойствами.

Более подробное знакомство с первым уровнем организации начнём с углеводов. Почему с них? Ну, давайте предположим, потому, что некоторые из них приносят удовольствие в нашу жизнь. Дело в том, что часть из них сладкая на вкус. Хотя, наверняка среди вас есть не только сладкоежки, но и большие любители мяса с салом, однако белки и жиры, из которых состоят эти продукты питания мы рассмотрим на следующих уроках.

Вспомните содержание химических элементов в клетке. Мы говорили, что более 90% от всего количества составляют четыре элемента: углерод, кислород, водород и азот. Это объясняется тем, что органические вещества в обязательном порядке содержат в себе эти элементы.  Углерод, кислород и водород – углеводы и жиры, а в состав белков и нуклеиновых кислот входит также и азот.

Таким образом, рассматриваемые сегодня углеводы состоят из атомов трёх химических элементов. И их можно представить общей формулой Сn(H₂O)m, где n и m равны трём и более. Из формулы видно, что соотношение водорода и кислорода в молекулах углеводов (2:1) такое же, как и в молекуле воды – нашей главной носительнице жизни. Из-за такой особенности строения молекул углеводы и получили своё название. Правда, существуют углеводы с иным соотношением элементов, а некоторые могут содержать атомы азота, серы или фосфора.

Как расположены атомы в молекулах органических веществ и углеводов, в частности.

Углерод способен образовывать цепочки, соединяясь с соседними атомами. Это так называемый углеродный скелет. К углеродному скелету присоединяются атомы водорода и кислорода.

Водород и кислород, соединяясь между собой и углеродным скелетом, могут образовывать так называемые функциональные группы. Эти группы имеют свои названия, а функциональные потому, что каждая из них придаёт молекуле органического вещества определённые свойства, и само вещество может выполнять в живом организме определённые функции.

Вот основные функциональные группы органических веществ: OH – гидроксильная, CO – карбонильная, COOH – карбоксильная. Азот с водородом может образовывать аминогруппу – NH₂.

Что из вышеперечисленного можно увидеть в молекулах углеводов?

Это обязательно карбонильная группа. И несколько гидроксильных групп. Дополним формулу остальными атомами и получим молекулу сладенькой глюкозы С₆Н₁₂О₆. Это так называемая линейная формула.

В клетках живых организмов органические вещества находятся в водном растворе. А в воде глюкоза принимает уже несколько другую конфигурацию. Циклическую. И это первый пример того, что органические вещества живой и неживой природы различаются.

Углеводы входят в состав абсолютно всех живых организмов не Земле. Но содержание их может быть различным у разных организмов. У представителей царства Животных, а значит, и у нас с вами содержание в клетках углеводов не превышает 10 % сухой массы. А вот в клетках организмов из другого царства – Растения – их уже до 90 %.

В зависимости от строения углеводы делятся на три класса: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Познакомимся с ними подробнее.

Моносахариды – бесцветные кристаллические вещества. Они хорошо растворяются в воде и имеют сладкий вкус. Но этот класс углеводов также неоднороден. Внутри класса моносахаридов выделяют группы. В основе разделения на группы лежит количество атомов углерода в молекуле. Важнейшими для биологов являются молекулы, которые имеют пять атомов углерода (С₅) – пентозы и шесть (С₆) – гексозы. Названия этих групп пришли к нам также их греческого языка.

Какие же молекулы к каким группам относятся. Наибольшее значение для живых организмов имеют такие пентозы, как рибоза и дезоксирибоза. Не пугайтесь второго названия, если среди вас есть пугливые. Посмотрите внимательно на молекулы этих веществ.

Нашли различие? Правильно. Рибоза имеет всего на один кислород больше. А у «страшной» дезоксирибозы его нет. Приставка дезокси- об этом нам и говорит. Получается рибоза без одного атома кислорода. Ничего сложного.

Почему мы выделили именно рибозу и дезоксирибозу? Потому что рибоза входит в состав РНК (рибонуклеиновой кислоты), АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты), витамина В₁₂, различных ферментов.

Ну а дезоксирибоза вообще вне конкуренции. Она входит в состав самой важной биологической молекулы. Понятно, что это не вода, но из названия вы уже, верно, догадались. Дезоксирибоза входит в состав ДНК (дезоксирибонуклениновой кислоты).

Перейдём к гексозам. Посчитайте количество атомов углерода у глюкозы, которую мы недавно видели. Ага. 6. Значит, к гексозам относится глюкоза. А ещё фруктоза и галактоза.

Глюкоза является основным источником энергии для клеток живых организмов. У нас с вами она всегда присутствует в крови в неизменной концентрации.

Фруктозу мы встречаем в вакуолях клеток растений. Поэтому с удовольствием употребляем в пищу ягоды, фрукты. Также фруктоза придаёт сладкий вкус мёду.

Следующий класс углеводов – олигосахариды. От греческого ὀλίγος – немногий.

Олигосахариды построены по принципу полимеров, о которых мы также говорили на прошлом уроке. Но отличаются тем, что повторяющихся звеньев содержат небольшое количество. От двух до десяти. Мономерами олигосахаридов являются, в свою очередь, моносахариды. Либо одинаковые, либо разные.

По физическим свойствам олигосахариды близки к моносахаридам. Так как они имеют также относительно небольшую молекулу, все олигосахариды обладают кристаллическим строением, хорошо растворимы в воде и сладкие на вкус.

Если в состав олигосахаридов входит два остатка моносахаридов, они называются дисахаридами. Это наверняка хорошо известная вам сахароза, потому что вы употребляете её в пищу несколько раз в день, если не на диете. Сахароза ещё называется тростниковым или свекловичным сахаром.

Также к дисахаридам относится мальтоза (солодовый сахар) и сахар, который содержится в молоке – лактоза или молочный сахар.

Для чего олигосахариды живым организмам? Ну, например, сахароза является растворимым резервным углеводом для растений, а также в форме сахарозы по растениям транспортируются продукты фотосинтеза.

Мальтозы много в прорастающих семенах злаковых растений. А о лактозе мы уже упоминали.

И нам с вами осталось сделать всего один шажок по миру углеводов. Рассмотрим последнюю группу – полисахариды.

Приставка поли- сразу всё объясняет. Перед нами вещества - полимеры. В состав полисахаридов может входить до нескольких тысяч остатков моносахаридов.

С изменением длины молекулы изменяются и физические свойства этих углеводов. Они нерастворимы в воде, а соответственно, и не имеют сладкого вкуса.

При образовании полисахаридов моносахариды соединяются в цепочки. Это понятно. Но эти цепочки могут выглядеть по-разному. У целлюлозы и хитина структура линейная, неразветвлённая.

А вот гликоген имеет разветвлённую структуру.

Всем нам известный крахмал представляет собой смесь полисахаридов. Примерно 80% по массе он состоит из разветвлённого амилопектина и на 20% из линейного полисахарида амилозы.

Какую роль играют полисахариды в живых организмах.

Давайте начнём с целлюлозы. Во-первых, все оболочки клеток растений состоят из целлюлозы. Она прочная и волокнистая. Тем самым идеально подходит для защиты клеток и придаёт им форму, как экзоскелет у членистоногих. Использует уникальные свойства целлюлозы и человек. Из неё изготавливают бумагу, на которой вы сейчас пишите, если ещё не перешли на планшеты, а также ткани, пластмассы и даже порох.

Значит, целлюлоза защищает клетки растений. Но мы знаем, что и клетки грибов имеют клеточную оболочку. И она тоже прочная. Ведь не зря грибы считаются тяжёлой пищей для человека. Так вот в клеточной оболочке грибов, а также в покровах членистоногих животных и некоторых протистов содержится похожее на целлюлозу вещество. Посмотрите. Похоже на целлюлозу. Но есть и различие. Как мы видим, в состав хитина входят ещё и атомы азота.

Итак, целлюлоза и хитин служат в основном для защиты.

Идём дальше. Следующие два важнейших полисахарида служат запасным питательным веществом для живых организмов. Если традиционно начинать с растений, то они накапливают крахмал. При приготовлении любимых драников можно на дне ёмкости с тёртым картофелем обнаружить плотный слой белого вещества. Это и будет крахмал, который выпал из повреждённых клеток клубней картофеля.

А уже у нас в организме при запасе питательных веществ мономеры крахмала – а это всё та же глюкоза - перестраиваются и образуют сходное вещество – гликоген. Цепи гликогена сильнее разветвлены, чем у крахмала, а откладывается он в виде гранул в печени и мышцах.

Вот таким у нас получилось первое путешествие по молекулярному уровню живого на Земле. Мы познакомились с углеводами.

А теперь давайте ещё раз обозначим функции углеводов и тем самым соберём вместе части нашего урока.

Итак, можно выделить три основные функции углеводов в клетке. Это структурная, энергетическая и запасающая.

Структурная – это когда углеводы используются как строительный материал. Мы говорили об оболочках клеток. Поэтому основные действующие лица здесь целлюлоза и хитин.

Далее – энергетическая. Безусловный лидер здесь глюкоза. При этом нужно отметить, что все более сложные углеводы можно назвать источниками энергии. Но, только если они расщепятся до глюкозы. Запомните также, что при окислении 1 г углеводов высвобождается 17.6 кДж энергии.

И осталась запасающая функция. Какие углеводы подходят здесь? Правильно. Крахмал и гликоген. Обратите внимание. Живым организмам выгоднее сохранять питательные вещества в форме полимеров. Эти молекулы нерастворимы в воде, не оказывают влияния на осмотическое давление в клетке и практически недоступны для разложения бактериями. Соединили молекулы глюкозы в цепи, положили на склад и можем быть уверены в завтрашнем дне.

Но чтобы включить завтра крахмал и гликоген в энергетический обмен, то есть получить из них запасённую энергию, живым организмам нужно, наоборот, разделить эти полимеры до мономеров – глюкозы. Что и происходит, например, в пищеварительном тракте животных.