Углеводы

Конспект урока по биологии «Углеводы» (углубленное изучение) в 10 классе (УМК Высоцкая, Дымшиц, Рувинский и др). Основные темы: Моносахариды. Олигосахариды. Полисахариды. Гликопротеиды. Протеогликаны. .

Углеводы

УГЛЕВОДЫ широко распространены в живой природе. К углеводам относят такие соединения, как глюкоза, сахароза, крахмал, целлюлоза и др. В состав молекул этих органических веществ входят углерод, кислород и водород. При этом соотношение двух последних элементов обычно совпадает с соотношением их в молекуле воды, т. е. на два атома водорода приходится один атом кислорода; отсюда и название «углеводы». Общая формула подавляющего большинства углеводов С_n(Н₂O)_m (где n не меньше трёх). В животной клетке углеводы обычно находятся в количестве, не превышающем 2—5%. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание в некоторых случаях достигает 90% сухой массы (например, в клетках клубней картофеля, семенах и т. д.).

Все углеводы разделяют на моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Молекулы моносахаридов, соединяясь друг с другом, образуют олиго– или полисахариды.

МОНОСАХАРИДЫ

(их называют также простыми сахарами) представляют собой твёрдые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус. В зависимости от числа углеродных атомов, входящих в молекулу углевода, различают моносахариды, содержащие 3 атома углерода, — триозы, 4 атома углерода, — тетрозы, 5 атомов углерода, — пентозы, 6 атомов углерода, — гексозы.

Из тетроз в процессах жизнедеятельности наиболее важна эритроза. Этот сахар — один из промежуточных продуктов фотосинтеза в растениях. Уже на уровне тетроз происходит образование кольцевых форм молекул углеводов. В водных растворах линейные и циклические формы молекул моносахаридов находятся в равновесии.

Пентозы рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеотидов — мономеров нуклеиновых кислот: РНК и ДНК. В дезоксирибозе около второго атома углерода отсутствует кислород, отсюда и название этого углевода («дезокси» означает «без кислорода»).

Из гексоз наиболее широко распространены глюкоза, фруктоза и галактоза. Их общая формула С₆Н₁₂О₆. Гексозы также могут существовать как в открытой, так и в циклической форме.

Глюкоза (виноградный сахар) в свободном состоянии встречается как в растениях, так и в животных организмах. Она входит в состав важнейших ди– и полисахаридов. Глюкоза — первичный и главный источник энергии для клеток. Она обязательно находится в крови человека. Снижение её содержания в крови влечёт за собой немедленное нарушение жизнедеятельности нервных и мышечных клеток, иногда сопровождаемое судорогами или обморочным состоянием. Уровень глюкозы в крови регулируется сложным взаимодействием работы нервной системы и желёз внутренней секреции.

Глюкоза входит в состав цитоплазмы почти всех клеток организма, регулирует осмотическое давление (осморегуляция — процесс, обеспечивающий относительное постоянство концентрации растворённых веществ во внутренней среде организма). У животных и грибов глюкоза запасается в виде гликогена, у растений — в виде крахмала.

В живых организмах встречается преимущественно D-глюкоза. Циклические молекулы D-глюкозы могут существовать в двух вариантах — в виде α-глюкозы и β-глюкозы (они различаются положением ОН–группы при первом углеродном атоме по отношению к плоскости цикла):

Фруктоза в большом количестве в свободном виде встречается в плодах, поэтому её часто называют плодовым сахаром. Особенно много фруктозы в мёде, сахарной свёкле, фруктах. Путь распада фруктозы в организме короче, чем глюкозы, что имеет значение при питании больного сахарным диабетом, когда глюкоза в отсутствие инсулина не может попасть из крови в клетки. Для попадания в клетки фруктозы инсулин не нужен.

Галактоза, пространственный изомер глюкозы, отличается от неё только расположением гидроксильной группы и водорода у четвёртого углеродного атома. Она входит в состав дисахарида лактозы (молочного сахара), а также некоторых полисахаридов. Галактоза в печени и других органах превращается в глюкозу.

ОЛИГОСАХАРИДЫ.

Молекулы олигосахаридов состоят из нескольких (от 2 до 10) остатков моносахаридов. Из олигосахаридов наиболее часто встречаются в живых организмах дисахариды сахароза и лактоза.

Сахароза — хорошо знакомый нам тростниковый или свекловичный сахар; формула сахарозы С₁₂Н₂₂О₁₁ Молекула сахарозы состоит из остатков глюкозы и фруктозы. Она чрезвычайно широко распространена в растениях (семена, ягоды, корни, клубни, плоды). Сахароза очень легко растворима в воде. Главные источники получения сахарозы (пищевого сахара) в пищевой промышленности — сахарная свёкла и сахарный тростник.

Лактоза — молочный сахар, имеет в составе молекулы остатки глюкозы и галактозы. Этот дисахарид входит в состав молока и является основным источником энергии для детёнышей млекопитающих.

Молекула мальтозы состоит из двух остатков глюкозы. Под действием фермента амилазы, содержащегося в слюне и вырабатываемого также поджелудочной железой, крахмал и гликоген расщепляются до мальтозы. В эпителиальных клетках тонкого кишечника под действием фермента мальтазы мальтоза гидролизуется до глюкозы, которая с кровью разносится по всему организму.

Большинство олигосахаридов, содержащих три и более моносахаридных остатка, встречаются не в свободной форме, а в виде небольших боковых цепей, присоединённых к полипептидам. Белки, содержащие ковалентно присоединённые углеводы, называют гликопротеидами, они входят в состав плазматической мембраны и часто выполняют рецепторные функции.

Массовая доля углеводного компонента в гликопротеидах составляет не более 40 % .

ПОЛИСАХАРИДЫ.

Это высокомолекулярные углеводы, молекулы которых состоят из большого числа остатков моносахаридов. Их молекулярная масса составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов атомных единиц массы (дальтонов). Как и олигосахариды, полисахариды могут гидролизоваться в конечном счёте до моносахаридов.

В функциональном отношении различают полисахариды резервного, структурного и защитного назначения. Типичные резервные полисахариды — крахмал и гликоген. К структурным полисахаридам относят целлюлозу (клетчатку) и хитин. В состав ткани хрящей входит гиалуроновая кислота, ковалентно связанная с белками. Защитную функцию у животных обеспечивает, например, гепарин. Он предотвращает свёртывание крови в кровеносных сосудах. Гиалуроновая кислота и гепарин — углеводные компоненты протеогликанов. В протеогликанах на долю полисахаридов приходится до 95% от общей массы, на долю белков — до 5%.

Крахмал представляет собой смесь двух полисахаридов: амилозы (10—20%) и амилопектина (80—90%).

Амилоза состоит из остатков глюкозы, соединённых в линейную цепь. Связь образуется между первым и четвёртым углеродными атомами соседних моносахаридов через кислородный мостик.

В составе амилозы обнаруживают от 50 до 5000 остатков а–глюкозы. Она способна растворяться в горячей воде и в присутствии иода окрашивается в синий цвет.

Амилопектин состоит как из линейных, так и из разветвлённых цепей. Ветвление молекулы возникает в результате образования связей между первым углеродным атомом одной молекулы глюкозы и шестым углеродным атомом другой. Точки ветвления располагаются через каждые 25—30 остатков глюкозы (рис. 12). В молекулу амилопектина входит до миллиона остатков глюкозы. Амилопектин окрашивается иодом в красно–фиолетовый цвет.

Крахмал — резервный полисахарид растений; он содержится в большом количестве в клетках клубней картофеля, плодов, семян в виде зёрнышек слоистого строения, нерастворимых в холодной воде.

В горячей воде крахмал образует коллоидный раствор, называемый в быту крахмальным клейстером.

Гликоген — полисахарид, содержащийся в клетках животных, а также в клетках грибов, в том числе дрожжей. Гликоген играет важную роль в обмене углеводов в животном организме. В значительных количествах накапливается в клетках печени, мышцах, сердце и других органах. Молекула гликогена состоит примерно из 50 000 остатков a-глюкозы; при расщеплении молекулы гликогена образующаяся глюкоза поступает в кровь. По структуре напоминает крахмал, но разветвлён сильнее (точки ветвления встречаются через каждые 8—12 остатков глюкозы). В отличие от крахмала, гликоген растворим при комнатной температуре.

Целлюлоза (клетчатка) — главный структурный полисахарид клеточных оболочек растений. В ней аккумулировано около 50% всего углерода биосферы. Клетчатка нерастворима в воде, она лишь набухает в ней. По структуре это линейный полимер. Молекула целлюлозы представляет собой вытянутую цепочку, состоящую из 10 000—15 000 остатков β-глюкозы. Множество линейных молекул целлюлозы уложено параллельно; они связаны в пучки водородными связями. Этим определяется прочность растительных волокон. Некоторые бактерии вырабатывают ферменты, способные расщепить целлюлозу на множество молекул глюкозы. Жвачные животные культивируют такие бактерии в рубце желудка, что позволяет им питаться сеном и соломой. Фермент целлюлазу, расщепляющий связи между структурными звеньями целлюлозы, содержат все древесные грибы. Поэтому древесина может служить для этих грибов источником глюкозы.

Полисахариды можно подразделить на гомо– и гетерополисахариды. В состав гомополисахаридов входят остатки какого–то одного моносахарида. Например, крахмал, гликоген и целлюлоза построены только из остатков глюкозы. Соединённые друг с другом остатки аминосахара N–ацетилглюкозамина образуют молекулу линейного полисахарида хитина. Хитин входит в качестве структурного компонента в клеточные стенки грибов и составляет основу наружного скелета членистоногих. Дополнительную прочность хитиновому панцирю раков и крабов придаёт наличие в нём карбоната кальция.

Гетерополисахариды представляют собой полимеры, построенные из остатков разных моносахаридов и их производных. Так, молекула гепарина — ингибитора свёртывания крови состоит из чередующихся остатков двух разных серосодержащих моносахаридов. Гепарин — составная часть протеогликана; он образуется главным образом клетками, выстилающими стенки артерий.

ФУНКЦИИ УГЛЕВОДОВ.

С некоторыми функциями углеродов мы уже познакомились. Подчеркнём основные функции углеводов.

• Энергетическая функция. Углеводы служат основным источником энергии для организма.
• Структурная функция. Во всех без исключения клетках обнаружены углеводы и их производные. Они входят в состав оболочек клеток и субклеточных образований. В растениях и у членистоногих полисахариды выполняют опорную функцию.
• Функция запасания питательных веществ. В клетке резервные (запасные) углеводы накапливаются в виде крахмала у растений и гликогена у животных и грибов. Они расходуются по мере возникновения потребности в энергии. В печени при полноценном питании может накапливаться до 10% гликогена, а при голодании его содержание может снижаться до 0,2% от массы печени.
• Защитная функция. Вязкие секреты (слизи), выделяемые различными железами, богаты углеводами и их производными, в частности протеогликанами. Они предохраняют стенки полых органов (пищевод, кишечник, желудок, бронхи) от механических повреждений, проникновения вредных бактерий и вирусов.

Вопросы и упражнения.

1. Опираясь на какие данные, можно сказать, что углеводы — самые распространённые органические вещества на Земле?
2. Почему в организмах растений содержание углеводов значительно выше, чем в организмах животных?
3. Сопоставьте защитную функцию углеводов и белков.
4. Исходя из текста параграфа, составьте в тетради схему «Классификация углеводов».
5. Найдите в тексте ошибочные высказывания и исправьте их. Запишите в тетради правильные варианты этих утверждений.
   Крахмал является гомополимером a-глюкозы, а гликоген — β-глюкозы. И крахмал, и гликоген — разветвлённые полисахариды, состоящие из a-глюкозы, а мономером целлюлозы глюкоза не является. У растений запасающую функцию выполняют крахмал и целлюлоза; у грибов — гликоген и хитин. Дисахарид лактоза служит источником энергии для детёнышей млекопитающих. Некоторые взрослые люди не могут пить молоко из-за отсутствия фермента лактатдегидрогеназы, расщепляющего лактозу.

Это конспект по биологии (углубленное изучение) для 10-класса по теме «Углеводы» (УМК Высоцкая, Дымшиц, Рувинский и др). Выберите дальнейшее действие:

• Вернуться к Списку конспектов по Биологии.