Підручники з Біології / Біологія 9 клас / Шаламов Біологія 9 клас 2017

§ 4. Вуглеводи

Багато що в довкіллі складається переважно з вуглеводів

У попередньому параграфі ми зазначили, що найбільша різноманітність біологічних молекул властива білкам. Проте вони не є єдиними органічними речовинами, що входять до складу живих організмів. Якщо білки і є найрізноманітнішими біомолекулами, то найпоширеніші в біосфері представники іншого класу сполук — вуглеводи. З вуглеводами ви стикаєтеся щодня. Папір, на якому надрукований цей текст, майже повністю складається з вуглеводу целюлози. Цукор, який отримують із цукрової тростини чи цукрового буряка, є кристалами іншого вуглеводу — сахарози. Панцир рака значною мірою складається з вуглеводу хітину. Коли ви читаєте цей текст, фотони, відбиті від паперу, фокусуються кришталиком вашого ока на сітківці, але перед цим вони проходять крізь склисте тіло ока, що складається в основному з обводненої гіалуронової кислоти, теж вуглеводу. Вуглеводи становлять найбільшучасткусухоїмасиорганізмурослин,такожів організмітваринвиконують життєво важливіфункції.Перетвореннявуглеводівєосновоюхімічногойенергетичногообміну всіх живих організмів.

Склад молекул вуглеводів визначив їхню назву

влінійний ланцюжок; 2) у молекулі міститься багато гідроксильних груп (-ОН); 3) молекулу увінчує група -СНО2.

Ця група надто реакційноздатна та реагує з однією з гідроксильних груп, утворюючи

врезультаті циклічну структуру (схожу на змію, що кусає власний хвіст). У розчині

єобидваваріантиструктур.Ціструктуриможутьперетворюватисяоднаводну,проте рівновага значно зміщена в бік циклічної (на одну молекулу лінійної глюкози припадає приблизно 5000 молекул циклічної глюкози).

Монота полісахариди — поширені в живій природі сполуки

Молекула глюкози є невеликою розчинною молекулою. Проте такі молекули можуть об’єднуватися одна з одною, утворюючи полімерні молекули. Якщо з’єднати молекули глюкози послідовно в лінійний ланцюжок, то вийде молекула целюлози — основного компонента клітинних стінок рослин і найпоширенішого органічного полімеру в біосфері. Таку молекулу називають полісахаридом, а поодиноку

1У багатьох джерелах вуглеводи визначають як сполуки з формулою СnН2nОn. Це визначення некоректне, оскільки йому не відповідають полісахариди (див. далі), а також вуглеводи, що містять Нітроген, Сульфур і Фосфор.

2Ця група має назву карбонільна.

21

молекулу — моносахаридом. На відміну від білків, до складу амінокислотних ланцюжків яких входять різноманітні амінокислотні залишки, значна кількість вуглеводів (як, наприклад, уже згадувана целюлоза) побудовані з мономерних ланок одного типу.

Особливу роль у живих організмах відіграють також вуглеводи, молекули яких утворені з двох моносахаридних ланок, — дисахариди. Нижче наведено приклади деяких вуглеводів, що трапляються в живих організмах.

Глюкоза — моносахарид, дуже поширений у природі. Є основою для побудови більшості дита полісахаридів. У хребетних тварин транспортується кров’ю і є основним джерелом енергії для клітин мозку.

Фруктоза — моносахарид, що має ту саму загальну формулу, що й глюкоза, але іншу послідовність з’єднання атомів. Входить до складу деяких дита полісахаридів.

Сахароза — дисахарид, що складається із залишків глюкози та фруктози, з’єднаних між собою. Транспортується у флоемному соці рослин. Цукор є кристалічною формою сахарози.

Лактоза — дисахарид, що надає солодкого смаку молоку.

Целюлоза — лінійний полімер глюкози (рис. 4.2, А). Основний компонент клітинних стінок рослин і найпоширеніший органічний полімер у біосфері. Тварини не можуть розщеплювати целюлозу самостійно, проте травоїдні містять мікроорганіз- ми-симбіонти, які здатні її розщеплювати.

Крохмаль — полімер глюкози, що містить як лінійну (амілоза), так і розгалужену (амілопектин) фракції (рис. 4.2, Б). Крохмаль є основним запасним вуглеводом у рослин. Він відкладається в хлоропластах або в безбарвних видозмінених хлоропластах — амілопластах у вигляді крохмальних зерен. Найбагатші на крохмаль зерна злаків і бульби картоплі.

Крохмаль

Б

Глікоген

В

А

Рис. 4.2. Полісахариди

А. Целюлоза в клітинних стінках рослинних клітин. Б. Крохмаль у бульбах картоплі. В. Гранули глікогену в клітинах печінки.

22

Глікоген — дуже розгалужений полімер глюкози (рис. 4.2, В). Є основним запасним полісахаридом у тварин. Найбагатші на глікоген печінка та м’язи, у цитоплазмі яких він відкладається у вигляді гранул. Під дією таких гормонів, як адреналін і глюкагон, клітини печінки розщеплюють глікоген до глюкози та виділяють її в кров. Натомість інсулін — стимулює поглинання глюкози клітинами печінки та її перетворення на глікоген.

Хітин — полісахарид, що входить до складу кутикули членистоногих, а також клітинної стінки грибів. На відміну від вуглеводів, описаних вище, хітин, крім Карбону, Гідрогену та Оксигену, містить Нітроген.

Гіалуронова кислота — лінійний полісахарид, що є основою міжклітинної речовини тварин. Це величезна молекула, що складається в середньому з 50000 моносахаридних ланок. Найбагатші на гіалуронову кислоту хрящі, склисте тіло ока та дерма шкіри.

Біологічна роль вуглеводів не обмежується запасанням енергії

Стисло перелічимо основні функції вуглеводів.

Енергетична. Обмін вуглеводів — основа енергетичного обміну клітини. Саме вуглеводи утворюються під час фотосинтезу у зелених рослин і потім слугують основою для побудови інших органічних молекул. Окиснення вуглеводів у процесі дихання чи бродіння супроводжується виділенням енергії, яку потім може використати організм.

Структурна. Багато полісахаридів формують міцні каркаси: наприклад, целюлоза є основою клітинних стінок рослин, а з хітину побудовані клітинні стінки багатьох грибів і кутикули членистоногих.

Транспортна та запасна функція вуглеводів. Вуглеводи розносяться по багатоклітинному організму в транспортних формах. У хребетних тварин транспортною формою є глюкоза, у вищих рослин — сахароза. Запасні вуглеводи — це полісахариди, що накопичуються в клітинах1 і можуть бути розщеплені пізніше з утворенням моносахаридів. У тварин типовим запасним вуглеводом є глікоген, а в рослин — крохмаль.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1Запасним полісахаридом є

2Клітинні стінки печериці утворені

А целюлозою Б крохмалем В глікогеном Г хітином Д муреїном

3Розгалуженим полісахаридом є

А амілоза Б амілопектин В целюлоза Г хітин Д гіалуронова кислота

4Найпоширеніший полісахарид у природі — це

5У разі непереносимості лактози в їжу не можна вживати

1Зрідка — поза клітинами, як, наприклад, геміцелюлоза у клітинних стінках ендосперма хурми.

23

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Опишіть біологічну роль полісахаридів. Назвіть структурні полісахариди. Які з-поміж них найпоширеніші в природі?

7Які властивості мусить мати речовина, щоб живі організми могли використовувати її як структурний матеріал?

8Які полісахариди використовуються як запасний матеріал? Поясніть зв’я- зок будови молекул запасних полісахаридів з їхньою роллю.

9Як пов’язані будова молекул глікогену та регуляція рівня цукру в крові?

10У чому принципова відмінність транспортних і запасних вуглеводів? Чому ті самі речовини, як правило, не можуть бути водночас і транспортними, і запасними?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11Целюлоза — найпоширеніший біополімер на планеті. Спробуй відповісти на запитання: чому в організмах тварин немає ферментів, потрібних для розщеплення целюлози, тобто чому вона не може слугувати для нас їжею?

12Чому в печінці та м’язах тварин утворюються запаси вуглеводів у вигляді глікогену, незважаючи на те, що тваринний організм зберігає більшу частину енергії у вигляді запасів жирів?

13Зазвичай рослини роблять запаси вуглеводів у вигляді полімерних речовин (крохмаль, інулін1), проте деякі рослини запасають низькомолекулярні сполуки (сахарозу). Оціни переваги та недоліки таких різних стратегій запасання вуглеводів. Як ти гадаєш, чим зумволене запасання тих чи інших форм вуглеводів?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

14Чому тварини та рослини використовують різні речовини як запас вуглеводів? У чому принципова відмінність тваринних і рослинних запасних вуглеводів і чим вона зумовлена?

15Які ще вуглеводи, окрім запасних, мають розгалужену будову? Поясни біологічний сенс цієї розгалуженості.

Доповнення ІІ

1Подібнодокрохмалю,інулінслугуєзапаснимвуглеводом,єубагатьохрослинах,переважнородиниСкладноцвіті (топінамбур, цикорій, артишок, кульбаба). Складається із залишків фруктози.

24

§ 5. Ліпіди

Спільна властивість ліпідів — їхня гідрофобність

Ми вже звертали увагу на те, що біомолекули вирізняються величезним різноманіттям. У попередніх параграфах ми розглянули білки, що є полімерами амінокислот, і вуглеводи, молекули яких містять по кілька гідроксильних та по одній карбонільній групі, а також їхні похідні. У цьому параграфі ми зосередимося на групі біомолекул, які об’єднані не стільки за хімічною структурою, скільки за фізико-хімічними властивостями. Вуглеводи, амінокислоти та більшість білків (як мінімум частково) існують у водному оточенні. Молекули цих сполук мають полярні та заряджені групи, що чудово взаємодіють із полярними розчинниками. Проте в живих організмах є й інший клас різноманітних переважно неполярних сполук. Це ліпіди. Незважаючи на доволі широкий спектр хімічних структур ліпідів, їхньою спільною властивістю є гідрофобність: ліпіди нерозчинні у воді, але добре розчинні в неполярних розчинниках (бензен, хлороформ, петролейний етер).

Нейтральні жири — похідні гліцеролу й жирних кислот

Основою для багатьох ліпідів живих організмів є жирні кислоти. Жирні кислоти — це сполуки, що містять карбоксильну групу (-СООН) та довгий вуглеводневий хвіст (табл. 5.1). Вуглеводневий хвіст забезпечує неполярні властивості жирних кислот, натомістькарбоксильнагрупаможевступитивконтактізводнимоточенням. Жирні кислоти є типовими амфіфільними молекулами1 — сполуками, що містять полярну та неполярну частини. Така молекула може контактувати однією частиною з полярним, а другою — з неполярним оточенням. Солі жирних кислот — усім відомі мила. Їхню здатність оточувати неполярні фрагменти бруду, а потім переходити разом із ними у воду ми використовуємо в повсякденному житті.

Температура плавлення жирної кислоти залежить прямо пропорційновід кількості атомів Карбону в молекулі, й обернено пропорційно — від ступеня насиченості (кількості подвійних зв’язків).

Таблиця 5.1. Деякі природні жирні кислоти

1Молекули, що мають у своєму складі гідрофільні та гідрофобні групи атомів, називають амфіфільними (від грец. amphy — подвійний і philia — любов). Водночас речовини з подібними властивостями однаково погано розчиняються як у воді, так і в неполярних сполуках.

2Перше число вказує кількість атомів Карбону в молекулі жирної кислоти, а друге — кількість подвійних зв’язків.

26

Такі ліпіди називають фосфоліпідами. Варто зауважити, що до складу біологічних мембран входять не тільки фосфоліпіди, хоча вони утворюють основу мембран тварин.

Стероїди — і цеглинки, і регулятори

Основоюжирівімембраннихліпідівбактерійтаеукаріотівєжирнікислоти.Проте серед ліпідів є сполуки, що значно відрізняються від жирних кислот. Одна з таких — холестерол — життєво важливий ліпід. Холестерол надає мембрані жорсткості, тому найбагатша на нього плазматична мембрана тваринних клітин, що позбавлені клітинної стінки (рис. 5.3).

Холестерол не тільки важливий як незамінний компонент біологічних мембран, він також є основою класу надзвичайно різноманітних сполук — стероїдів. Стероїди різняться за структурою та функціями, але всі є похідними холестеролу1. Ось лише деякі з них.

Жовчні кислоти — похідні холестеролу, що містять велику кількість полярних і заряджених груп. Вони є амфіфільними молекулами та беруть участь в емульгуванні жирів у тонкому кишківнику. Синтезуються в печінці.

Стероїдні гормони. Багато гормонів є похідними холестеролу. У людини до них належать гормони статевих залоз, гормони кори наднирників.

Вітамін D також є похідним холестеролу. До організму людини він зазвичай потрапляє у вигляді провітаміну, а потім вже перетворюється на вітамін у шкірі під дією ультрафіолетового випромінювання Сонця.

Біологічна роль ліпідів несподівано багатоманітна

1Тут ідеться про тваринні організми. У рослинних організмах усі стероїди походять від ланостеролу. Хоча треба розуміти, що всі молекули тваринних організмів походять, урешті-решт, від рослинних.

28

і великої кількості метаболічної води. Це робить ліпіди (особливо жири) дуже зручними запасними речовинами. Так, жири накопичуються тваринами, які впадають у сплячку (бурий ведмідь), багатьма пустельними тваринами (верблюд, товстохвостий сцинк), відкладаються в насінні рослин (соняшник). Жири дуже погано проводять тепло, тому слугують чудовими теплоізоляторами. Важливою також є опорна роль жирів у жировій тканині: багато органів нашого тіла оточено жировою тканиною, що забезпечує зовнішній каркас (характерним прикладом є нирка: якщо жирова тканина, що її оточує, виснажується, може статися опущення нирки). Густина жирів нижча за густину води, тому морські тварини використовують їх для підтримання плавучості. Шар ліпідів є водонепроникним, тому ним вкриті поверхня листя та епідерміс шкіри для захисту від висихання. З тієї ж причини більшість водоплавних птахів змащує своє пір’я жировим секретом куприкової залози для захисту від намокання. Ми вже згадали, що багато похідних холестеролу є гормонами, що виконують регуляторну функцію, та вітамінами. Жовчні кислоти беруть участь в емульгуванні жирів у тонкому кишківнику для забезпечення їх перетравлювання. Насамкінець додамо, що багато ліпідів, про які не йшлося в цьому параграфі, надають світові запахів: більшість квіткових ароматів зумовлені естерними оліями, у яких містяться леткі гідрофобні сполуки.

Поміркуймо

29

5Молекула, що зображена на рисунку, утворена

А гліцеролом і трьома жирними кислотами Б холестеролом і жирною кислотою В гліцеролом і фосфоліпідом Г фосфоліпідом і жирною кислотою Д холестеролом і гліцеролом

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6Припустіть, як поводитимуться амфіфільні молекули в неполярній речовині, наприклад, у рослинній олії. Намалюйте розміщення молекул в описаній системі.

7Яка хімічна природа нейтральних жирів? Що це за речовини з погляду хімії? Як пов’язані будова молекул та біологічна роль нейтральних жирів?

8У клітинах холоднокровних тварин кількість ненасичених жирних кислот більша, ніж у теплокровних. Чим це можна пояснити?

9За якою ознакою хімічно різнорідні речовини об’єднують в одну групу ліпідів? Чи не можна, на вашу думку, так само об’єднати в одну групу всі гідрофільні речовини? Обґрунтуйте свої міркування.

10Опишіть біологічну роль фосфоліпідів. Які властивості цих молекул уміло використовують живі організми під час побудови біологічних мембран?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11Які стероїди трапляються в живих організмах? Яка роль стероїдів? Опиши, як стероїди беруть участь у гуморальній регуляції функцій.

12Відомо, що температура плавлення жирних кислот залежить від ступеня їхньої насиченості, а саме: що більше насичена жирна кислота, то вища її тугоплавкість. Відомо також, що всі біомембрани мають рідиннокристалічну (напіврозплавлену) структуру. Спираючись на ці два факти, визнач, яких жирних кислот (насичених чи ненасичених) більше у складі ліпідів у тва- рин-мешканців північних широт.

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

13Чому запас ліпідів концентрується в певних місцях організму, а не рівномірно розподілений по всьому організму?

14Чому є проблема транспорту ліпідів в організмі та як вона вирішується?

30