1.1.3. Вуглеводи.

Будова вуглеводів. Вуглеводи здатні утворювати полімери. Мономерами таких полімерів є прості цукри, або моноцукри. Це сполуки із загальною хімічною формулою (СН₂О)_n, де n – будь-яке число від 1 до 7. Найпростішими з них є тріози, які містять три атоми вуглецю, тобто n дорівнює 3. Як приклад можна назвати гліцеральдегід (альдоза), дигідроксиацетон (кетоза), фосфогліцеринова кислота (ФГК), фосфогліцериновий альдегід (ФГА) тощо (рис.5).

Рис.5. Найбільш прості цукри, до складу яких входить три вуглецевих атоми.

Тріози зустрічаються як проміжні продукти в процесах клітинного дихання, фотосинтезу, беруть участь у синтезі ліпідів.

Відповідно, якщо цукри містять чотири вуглецевих атоми, то їх називають тетрози, 5 – пентози, 6 – гексози, 7 – гептози (рис.6) . Так тетрози (С₄Н₈О₄) зустрічаються в природі дуже рідко і переважно у бактерій. Пентози (С₅Н₁₀О₅), наприклад рибоза, рибульоза, є складовими частинами нуклеїнових кислот, ферментів, поліцукрів.

Рис. 6. Хімічна будова моноцукрів: пентоз (рибоза) та гексоз (глюкоза і фруктоза).

Гексози найбільш поширені і відомі майже кожній людині. Такий відомий цукор, як глюкоза є джерелом енергії в клітині, є вихідною речовиною при синтезі поліцукрів.

Також пентози та гексози можуть утворювати кільця.

Полімерні цукри. Гексози можуть з’єднуватися одне з одним, утворюючи дицукри, тобто цукри, що складаються з двох мономерів. Дві молекули глюкози дають мальтозу, а глюкоза і галактоза – лактозу. Найвідомішим дицукром є сахароза, яка складається з глюкози і фруктози. Її формула має такий вигляд: С₁₂Н₂₂О₁₁.

Рис. 7. Розпад сахарози на молекулу глюкози та фруктози (наприклад, цей процес відбувається при травленні цукрів під дією ферменту мальтази).

Солодкий смак цукрів з’являється у гексоз, а найбільше виражений у сахарози. На Україні сахарозу отримують з цукрового буряка, після чого вона потрапляє на наш стіл. Звичайно важливість цього харчового продукту неможливо переоцінити.

Подальше приєднання молекул гексози, а саме глюкози, утворює полімерні молекули – поліцукри (рис.8).

Рис.8. З’єднання моноцукрів у молекули поліцукрів: целюлоза, крохмаль і глікоген утворені глюкозою, але мають різну ступінь галуження.

Серед поліцукрів слід в першу чергу відзначити крохмаль. Ця речовина – головний запас енергії у рослин. У тварин таку ж функцію виконує глікоген. Крохмаль запасається у вигляді крохмальних зерен. Їх можна легко побачити під мікроскопом, розглянувши м’якуш бульби картоплі.

Глікоген міститься переважно в клітинах печінки і м’язів, де є джерелом глюкози для забезпечення клітинного дихання. Цей поліцукор, окрім клітин тварин, зустрічається в клітинах грибів.

Целюлоза є рослинним полімером. За загальною масою це найпоширеніша органічна сполука на нашій планеті. З целюлози побудована клітинна стінка рослин, що надає міцності механічним тканинам, сприяє транспорту речовин. Крім того целюлозою живляться бактерії, гриби, тварини, але фермент целюлаза, який розщеплює цей поліцукор до глюкози зустрічається в природі нечасто. Тому тварини і людина не здатні перетравлювати целюлозу. Лише у жуйних тварин симбіотичні бактерії кишечнику здатні отримувати глюкозу. Целюлоза відіграє значну екологічну роль в екосистемах, створюючи запас вуглецю внаслідок повільного розпаду. З целюлози людство отримує бавовняну тканину та папір.

Такий поліцукор, як калоза утворюються в рослинних організмах, нагромаджуючись у ситовидних трубках флоеми.

До поліцукрів можуть приєднуватися інші речовини, зокрема цукристі спирти та кислоти. В цих випадках вони утворюють особливі речовини – мукополіцукри. До них належить хітин, який схожий з целюлозою. Цей мукополіцукор міститься у клітинній стінці грибів та утворює зовнішній скелет членистоногих.

Функції цукрів в клітині найрізноманітніші, але головними є: енергетична – як джерело енергії при клітинному диханні (глюкоза); запасаюча – у вигляді запасаючих речовин крохмалю та глікогену; структурна – входять до складу клітинних стінок рослин та грибів (целюлоза і хітин), нуклеїнових кислот (пентози).

Рис. 9. Функції цукрів у клітинах прокаріотів та еукаріотів.

1.1.4. Ліпіди.

Ліпіди або жири більш різноманітні за складом і будовою ніж вуглеводи. Але для них характерне одне – їх молекули неполярні і, відповідно, нерозчинні у воді. Тобто вони гідрофобні (гр. hydor - вода + гр. phobos – страх, лякливість), тобто відштовхують воду і розчиняються лише в неполярних рідинах – ефірах, спиртах, хлороформі тощо. На відміну від гідрофобності про полярні молекули, які розчинні у воді, кажуть, що вони гідрофільні (гр. hydor - вода + гр. phileo – люблю), тобто полюбляють воду.

Будова ліпідів.Переважна більшість ліпідів складається з жирних кислот та триатомного спирту гліцеролу. Молекули жирних кислот невеликі і являють собою довгий ланцюг, що складається з атомів вуглецю та водню. На одному з кінців такого ланцюга розташована карбоксильна група ( СООН) (рис.9). Жирні кислоти бувають насиченими та ненасиченими. В насичених жирних кислотах всі зв’язки між атомами вуглецю одинарні, а у ненасичених може бути один або кілька подвійних зв’язків. Тому ці кислоти і називають ненасиченими, оскільки по місцю подвійних зв’язків можуть приєднуватися додаткові атоми водню.

Жирні кислоти неполярні і при взаємодії з водою розташовуються на її поверхні. Ця властивість використовується в живій клітині при утворенні мембран, які поділяють її вміст на окремі відсіки або компартменти.

Р ис. 9. Хімічна будова жирних кислот. Стеаринова та пальмітинова кислоти – насичені, а олеїнова – ненасичена, оскільки має подвійний зв’язок. По місцю подвійного зв’язку молекули жирних кислот вигинаються.

Іншою складовою частиною ліпідів є гліцерол. До нього приєднуються три залишки жирних кислот з утворенням так званого триацилгліцеролу (рис.10). Такі сполуки спирту з кислотами називають складними ефірами, тому ліпіди ще називають складними ефірами жирних кислот. Гліцерольну частину молекули називають “голівкою”, а залишки жирних кислот – “хвостами”.

В залежності від молекулярної маси ліпіди мають різний агрегатний стан. Так ліпіди з низькою молекулярною масою при кімнатній температурі рідкі і їх називають оліями. Олії складаються переважно з ненасичених жирних кислот і утворюються в рослинних організмах. З рослинних ліпідів ”найважчим” є жир з плодів какао, який нам відомий як шоколад. Високомолекулярні ліпіди тверді і тоді про них кажуть, що це жири. Природні жири мають тваринне походження і складаються з насичених жирних кислот.

Рис.10. Будова ліпідів. Більшість ліпідів є похідними триатомного спирту гліцеролу та жирних кислот, які з’єднуються за допомогою ефірних зв’язків.

Інші ліпіди. Схожі з триацилгліцеролами фосфоліпіди. В молекулах цих сполук один із залишків жирних кислот замінений на залишок фосфорної кислоти. Завдяки цьому така молекула набуває негативного заряду (рис.11).

Рис.11. Схема будови фосфоліпіду: “голівка” фосфоліпіду стає гідрофільною, оскільки негативні заряди фосфатного залишку заряджені, а “хвости” залишаються гідрофобними.

Молекула фосфоліпіду поєднує дві протилежні властивості – гідрофільність і гідрофобність. Надалі, при знайомстві з будовою та функціями клітинних мембран, стане зрозумілим біологічне значення цього явища.

Іншою похідною сполукою ліпідів є стероїди (рис.12).

Рис. 12. Різні похідні ліпідів: гормони, стероїди, вітаміни.

Їх характерною ознакою є наявність системи з 4-х вуглеводневих кілець замість жирних кислот. Стероїди є основою для побудови, наприклад кортизону та статевих гормонів. Часто такі гормони використовуються як допінгові речовини, оскільки вони різко підсилюють метаболізм клітин. Але треба мати на увазі, що така штучна стимуляція метаболізму має побічні дії і підчас не передбачуваних напрямків, особливо стосовно статевої сфери життєдіяльності організму. Важливим тваринним стероїдом є холестерол, який входить до складу клітинних мембран. Але його надлишок призводить до утворення жовчних каменів, відкладання так званих склеротичних “бляшок” на стінках кровоносних судин, що зумовлює виникнення серцево-судинних захворювань.

Завдяки нерозчинності ліпідів у воді вони є головними складовими клітинних мембран (рис. 13).

Рис. 13. Схема будови фосфоліпідної структури клітинної мембрани.

Такі мембрани поділяють вміст клітини на окремі відділи, або компартменти (від чеської – квартира). Компартменти відокремлюють ділянки цитоплазми, забезпечуючи їх не змішуваність. Таким чином клітина являє собою набір окремих ізольованих “ємностей” з окремими наборами ферментів. Це дозволяє здійснювати різні метаболічні процеси в різних ділянках цитоплазми одночасно.

До ліпідів відносять воски, які притаманні рослинним та тваринним організмам. Ці речовини мають водовідштовхуючу властивість і ними утворені різні захисні кутикулярні покриття – вкривають листки, плоди, насіння, шкіру тварин, пір’я, вовну. З воску бджоли будують стільники. Можна відзначити наступні воски:

Віск - складний ефір жирних кислот і довголанцюгових| спиртів. У тварин і рослин віск використовуються як водовідштовхувальне покриття. Амбра – воскоподібна речовина, що утворюється в травному тракті кашалота. Амбра використовують в парфюмерії в якості закріплювачу аромату духів. Кутин – воскоподібна речовина, що виділяється епідермісом листя рослин. Кутин перешкоджає втраті води поверхнею листа. За хімічною природою кутин - суміш вищих жирних кислот і їх ефірів. Ланолін (від лат. Lana – вовна + Oleum – олія) – тваринний віск, що є в'язкою білою або ясно-жовтою масою. Ланолін отримують очищенням вовняного воску, який екстрагують органічними розчинниками з шерсті овець. Ланолін служить основою мазей і косметичних кремів. Бджолиний віск – жироподібна речовина, що виділяється восковими залозами робочих бджіл і вживане ними для побудови стільників. Бджолиний віск використовується в медицині і косметиці для виготовлення вощини.Начало формыСпермацет Спермацет – воскоподібна речовина, що знаходиться в особливому фіброзному мішку в голові кашалота.У парфюмерії і косметиці сперматоцит використовують як основу кремів і мазей. У медицині сперматоцит застосовують при лікуванні шкірних захворювань.Шелак Шелак (голл|. Schellak) – воскоподібна речовина, що виділяється тропічними комахами з родини лакових червеців. Шелак застосовується для виготовлення спиртових лаків і політур.

Терпени – речовини, які зумовлюють аромат ефірних олій, наприклад, ментол у м’яти, камфора тощо. Крім того існують сполуки ліпідів з вуглеводами – гліколіпіди, які входять до складу клітинних мембран, мембран хлоропластів. Сполуки ліпідів з білками – ліпопротеїни – також є складовою частиною клітинних мембран. У такому вигляді ліпіди транспортуються в нашому організмі кров’ю та лімфою.

Функції ліпідів. Ліпіди – це головна форма запасу енергії в тваринних організмах. Головна їх перевага полягає в здатності зберігатися в концентрованому вигляді без води. Необхідно взяти до уваги, що будь-який надлишок цукрів в організмі і який не використаний для отримання енергії, швидко перетворюється у жир. Частина ліпідів використовується для синтезу гормонів та вітамінів.

Особливо важливе нагромадження жирів у тварин, що зимують та впадають у сплячку. У водних ссавців жир утворює товстий теплоізоляційний прошарок. Крім того жири легші за воду і надають тваринам більшої плавучості. Деякі мешканці пустель, наприклад верблюди, отримують воду завдяки утворенню метаболічної води при окисленні запасних жирів.