Lektsii

Глюкоза, или виноградный сахар (С6Н12О6), относится к группе гексоз, может существовать в виде α-глюкозы или β-глюкозы. Отличие между этими пространственными изомерами заключается в том, что при первом атоме углерода у α-глюкозы гидроксильная группа расположена под плоскостью кольца, а у β-глюкозы — над плоскостью.

Глюкоза — это:

один из самых распространенных моносахаридов,

важнейший источник энергии для всех видов работ, происходящих в клетке (эта энергия выделяется при окислении глюкозы в процессе дыхания),

мономер многих олигосахаридов и полисахаридов,

необходимый компонент крови.

Фруктоза, или фруктовый сахар, относится к группе гексоз, слаще глюкозы, в свободном виде содержится в меде (более 50%) и фруктах. Является мономером многих олигосахаридов и полисахаридов.

Олигосахариды — углеводы, образующиеся в результате реакции конденсации между несколькими (от двух до десяти) молекулами моносахаридов. В зависимости от числа остатков моносахаридов различают дисахариды, трисахариды и т. д. Наиболее распространены дисахариды. Свойства олигосахаридов — растворяются в воде, кристаллизуются, сладкий вкус уменьшается по мере увеличения числа остатков моносахаридов. Связь, образующаяся между двумя моносахаридами, называется гликозидной.

Сахароза, или тростниковый, или свекловичный сахар, — дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и фруктозы. Содержится в тканях растений. Является продуктом питания (бытовое название — сахар). В промышленности сахарозу вырабатывают из сахарного тростника (стебли содержат 10–18%) или сахарной свеклы (корнеплоды содержат до 20% сахарозы).

Мальтоза, или солодовый сахар, — дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Присутствует в прорастающих семенах злаков.

Лактоза, или молочный сахар, — дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы. Присутствует в молоке всех млекопитающих (2–8,5%).

Полисахариды — это углеводы, образующиеся в результате реакции поликонденсации множества (несколько десятков и более) молекул моносахаридов. Свойства полисахаридов — не растворяются или плохо растворяются в воде, не образуют ясно оформленных кристаллов, не имеют сладкого вкуса.

Крахмал (С₆Н₁₀О₅)n — полимер, мономером которого является α-глюкоза. Полимерные цепочки крахмала содержат разветвленные (амилопектин, 1,6-гликозидные связи) и неразветвленные (амилоза, 1,4-гликозидные связи) участки. Крахмал — основной резервный углевод растений, является одним из продуктов фотосинтеза, накапливается в семенах, клубнях, корневищах, луковицах. Содержание крахмала в зерновках риса — до 86%, пшеницы — до 75%, кукурузы — до 72%, в клубнях картофеля — до 25%. Крахмал — основной углевод пищи человека (пищеварительный фермент — амилаза).

Гликоген (С₆Н₁₀О₅)n — полимер, мономером которого также является α-глюкоза. Полимерные цепочки гликогена напоминают амилопектиновые участки крахмала, но в отличие от них ветвятся еще сильнее. Гликоген — основной резервный углевод животных, в частности, человека. Накапливается в печени (содержание — до 20%) и мышцах (до 4%), является источником глюкозы.

Целлюлоза (С₆Н₁₀О₅)n — полимер, мономером которого является β-глюкоза. Полимерные цепочки целлюлозы не ветвятся (β-1,4-гликозидные связи). Основной структурный полисахарид клеточных стенок растений. Содержание целлюлозы в древесине — до 50%, в волокнах семян хлопчатника — до 98%. Целлюлоза не расщепляется пищеварительными соками человека, т.к. у него отсутствует фермент целлюлаза, разрывающий связи между β-глюкозами.

Инулин — полимер, мономером которого является фруктоза. Резервный углевод растений семейства Сложноцветные.

Гликолипиды — комплексные вещества, образующиеся в результате соединения углеводов и липидов.

Гликопротеины — комплексные вещества, образующиеся в результате соединения углеводов и белков.

Важнейшими представителями моноз являются рибоза, глюкоза, манноза, галактоза и фруктоза. D-рибоза входит в состав нуклеиновых кислот. При восстановлении рибозы получается пятиатомный спирт - рибит, принимающий участие в построении многих биоактивных соединений. D-глюкоза – один из наиболее распространенных природных сахаров. Входит в состав тростникового (свекловичного) сахара, крахмала, клетчатки. D-галактоза входит всостав сложных углеводов, в том числе и молочного сахара (лактозы). D-манноза образует природные сложные углеводы, называемые маннанами и являющиеся часто углеводными компонентами гликопротеидов и слизей, а также оболочек растительных клеток. D-фруктоза встречается как в свободном (например, в составе меда), так и в связанном (например, в составе тростникового сахара и некоторых высокомолекулярных природных углеводов – фруктозанов) виде. Она значительно слаще глюкозы (в 2,5 раза) и обыкновенного сахара (в 1,7 раза). Среди сложных углеводов (общая формула CmH₂nOn) выделяют две группы: 1. Олигосахариды – сахароподобные сложные углеводы, характеризующиеся сравнительно невысоким (несколько сот) молекулярным весом, хорошей растворимостью в воде, легкой кристаллизацией и, как правило, сладким вкусом. 2. Полисахариды – высокомолекулярные сложные углеводы, составленные из многих сотен остатков простых углеводов. Их молекулярный вес составляет обычно сотни тысяч. В зависимости от количества остатков моносахаридов, входящих в молекулы олигосахаридов, последние делят на дисахариды, трисахариды и т.д. Наибольший интерес из олигосахаридов представляет группа дисахаридов – соединений, которые широко распространены в природе; многие из них имеют огромное практическое значение. К дисахаридам относятся сахароза (свекловичный или тростниковый сахар), лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар) и целлобиоза. Эти дисахариды имеют общую формулу C₁₂H₂₂O₁₁. Общая формула полисахаридов (C₆H₁₀O₅). К числу наиболее важных природных полисахаридов принадлежат крахмал, гликоген (животный крахмал), клетчатка, декстран и хитин. Многие из полисахаридов (крахмал, гликоген, инулин) являются запасными питательными веществами, Другие (клетчатка) несут исключительно опорные и защитные функции.

Функция	Примеры и пояснения
Энергетическая	Основной источник энергии для всех видов работ, происходящих в клетках. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж.
Структурная	Из целлюлозы состоит клеточная стенка растений, из муреина — клеточная стенка бактерий, из хитина — клеточная стенка грибов и покровы членистоногих.
Запасающая	Резервным углеводом у животных и грибов является гликоген, у растений — крахмал, инулин.
Защитная	Слизи предохраняют кишечник, бронхи от механических повреждений. Гепарин предотвращает свертывание крови у животных и человека.

Лекция № 4. Липиды.

План

1. Общая характеристика и классификация липидов

2. Простые липиды: жиры, воски, стериды.

3. Сложные эфиры: фосфолипиды, гликолипиды.

4. Свойства и функции липидов.

1. К липидам относятся природные органические соединения, не растворимые в воде, но растворимые в жирорастворителях (бензоле, бензине, ацетоне, хлороформе, этиловом спирте и т.д.), являющиеся производными высших жирных кислот и способные утилизироваться живыми организмами. Одна из главных групп липидов – жиры, греческое название которых (липос – жир) взято для обозначения класса в целом. Класс липидов в целом представлен жирами и липоидами. В химическом отношении липиды являются сборной группой органических соединений и поэтому не имеют единой функциональной характеристики. Их можно рассматривать как класс органических соединений, большинство из которых принадлежит к сложным эфирам многоатомных или специфически построенных спиртов с высшими жирными кислотами. Таким образом, в зависимости от состава, строения и роли в организме, складывается следующая классификация липидов:

1. Простые липиды – это сложные эфиры высших жирных кислот с глицерином, высшими или полициклическими спиртами. К ним относятся: а) жиры – триглицериды – сложные эфиры высших- жирных кислот и трехатомного спирта - глицерина; б) воски – сложные эфиры высших жирных кислот и высших спиртов; в) стериды – сложные эфиры высших жирных кислот полициклических спиртов – стеролов.

2. Сложные липиды имеют многокомпонентные молекулы, компоненты которых соединены химическими связями различного типа. К ним принадлежат: а) фосфолипиды, составленные из остатков высших жирных кислот, глицерина или других многоатомных спиртов, фосфорной кислоты и азотистого основания той или иной природы; б) гликолипиды, включающие в свой состав наряду с многоатомным спиртом и высшей жирной кислотой также углеводы. Простые и сложные липиды легко омыляются. Жиры, стериды и фосфолипиды распространены повсеместно, и их участие в построении клеточных структур и в биохимических процессах весьма велико. Липиды обладают способностью образовывать с белками и углеводами комплексы, которым придают большое значение в осуществлении ряда важнейших функций. Широко известно также значение липидов, особенно жиров, как субстрата для окисления и обеспечения организма энергией: при распаде 1 г жира до углекислого газа и воды выделяется 9,3 ккал тепла, тогда как при распаде 1 г углеводов или белков – всего 4,1 ккал.

2. Простые липиды: жиры. Жиры исключительно широко распространены в природе: они входят в состав организма человека, животных, растений, микробов и даже некоторых вирусов. Содержание их в некоторых биологических объектах, тканях и органах достигает до 90 %. Термин «жиры» употребляют в двух смыслах: технологическом – жир говяжий, сливочное масло. Но это не представляет химически определенных соединений и содержат триглицериды, свободные жирные кислоты, ароматические структуры. Растительные жиры принято называть маслами, а морфологически обособленные жиры животных – салом. С точки зрения состава, жиры – это сложные эфиры высших жирных кислот и глицерина. Их называют еще триглицеридами.

O

׀׀

CH₂ — O — C —R₁

O

׀ ׀ ׀

CH — O — C —R₂

O

׀ ׀׀

CH₂ — O — C — R ₃

Остаток Остаток высших

глицерина жирных кислот

Наиболее часто в составе жиров встречаются следующие высшие жирные кислоты: пальмитиновая C₁₅H₃₁COOH, стеариновая C₁₇H₃₅COOH, олеиновая C₁₇H₃₃COOH. Животные и растительные жиры отличаются некоторыми особенностями. В состав животных жиров входят насыщенные высшие жирные кислоты, а растительных ненасыщенные кислоты (содержат в молекулах двойные связи). Поэтому при комнатной температуре животные жиры твердые, а растительные жиры – жидкие (низкая температура плавления). Среди глицеридов различают простые и смешанные. Первые являются сложными эфирами глицерина и какой – то одной высшей кислоты, например трипальмитин:

O

׀׀

CH₂ — O — C —C₁₅H₃₁

O

׀ ׀ ׀

CH — O — C —C₁₅H₃₁

O

׀ ׀׀

CH₂ — O — C — C₁₅H₃₁

Вторые построены из остатка глицерина и остатков разных высших жирных кислот:

O

׀׀

CH₂ — O — C —C₁₅H₃₁

O

׀ ׀ ׀

CH — O — C —C₁₇H₃₅

O

׀ ׀׀

CH₂ — O — C — C₁₇H₃₅

Триглицериды образуют оптические и геометрические изомеры, т. к. во многих случаях обладают асимметрическим атомом углерода в остатке глицерина и одной или несколькими двойными связями в радикалах кислотных остатков. Важным химическим свойством жиров является их способность омыляться под действием водных растворов щелочей:

O

׀׀

CH₂ — O — C —C₁₇H₃₅

O

׀ ׀׀

CH — O — C —C₁₇H₃₅ + 3 NaOH →

O

׀ ׀׀

CH₂ — O — C — C₁₇H₃₅

CH₂ — O H

+ 3 C₁₇H₃₅COONa

CH — O H стеарат натрия

׀

CH₂ — O H

глицерин

Получающиеся соли высших жирных кислот называются мылами, отсюда и название процесса. Тоже самое, но без образования мыла, а образуются глицерин и высшая жирная кислота, происходит в организме под действием ферментов. Второе химическое свойство: реакция гидрогенизации жиров, т. е оно заключается в восстановлении непредельных кислотных остатков:

O

׀׀

CH₂ — O — C —C₁₇H₃₃

O

׀ ׀׀

CH — O — C —C₁₇H₃₃ + 3 H₂ →

O

׀ ׀׀

CH₂ — O — C — C₁₇H₃₃

триолеин

O

׀׀

CH₂ — O — C —C₁₇H₃₅

O

׀ ׀׀

CH — O — C —C₁₇H₃₅

O

׀ ׀׀

CH₂ — O — C — C₁₇H₃₅

тристеарин

Жидкие жиры при этом переходя в твердые. Из непищевых жидких жиров (и масел) получают пищевые жиры (производство маргарина).

Воски (пчелиный воск, воск листьев, фруктов, спермацет, ланолин и другие) выполняют в основном защитные функции. Все воски представляют собой твердые вещества разнообразной окраски – чаще всего желтого или зеленоватого цвета (взависимости от происхождения), температура их плавления – от 30 до 90 º C. Основным стеролом человека является холестерол, находится в печени. В организме стеролы окисляются и дают начало стероидам. Наиболее важные: холевые кислоты – важнейшие инградиенты печени, обеспечивающие нормальный ход всасывания жирных кислот в кишечнике человека и животных. Эстрадиол и тестостерон – соответственно женский и мужской гормоны, оказывающие огромное влияние на процессы жизнедеятельности. Представителем сложных липидов, в частности фосфолипидов является ацетилхолин, который имеет большое значение для деятельности нервной системы – участвует в передачи нервных импульсов. Большинство фосфолипидов содержится в нервной ткани. В комплексе с белками участвуют в образовании клеточной оболочки и внутриклеточных мембран. Вторую группу сложных липидов образуют гликолипиды. В качестве углеводного компонента в состав молекулы входит галактоза, или ее производные (N – ацетилгалактозамин, лактоза). Гликолипиды обнаружены в мозге и хлоропластах.

Функция	Примеры и пояснения
Энергетическая	Основная функция триглицеридов. При расщеплении 1 г липидов выделяется 38,9 кДж.
Структурная	Фосфолипиды, гликолипиды и липопротеины принимают участие в образовании клеточных мембран.
Запасающая	Жиры и масла являются резервным пищевым веществом у животных и растений. Важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные переходы через местность, где нет источников питания. Масла семян растений необходимы для обеспечения энергией проростка.
Защитная	Прослойки жира и жировые капсулы обеспечивают амортизацию внутренних органов. Слои воска используются в качестве водоотталкивающего покрытия у растений и животных.
Теплоизоляционная	Подкожная жировая клетчатка препятствует оттоку тепла в окружающее пространство. Важно для водных млекопитающих или млекопитающих, обитающих в холодном климате.
Регуляторная	Гиббереллины регулируют рост растений. Половой гормон тестостерон отвечает за развитие мужских вторичных половых признаков. Половой гормон эстроген отвечает за развитие женских вторичных половых признаков, регулирует менструальный цикл. Минералокортикоиды (альдостерон и др.) контролируют водно-солевой обмен. Глюкокортикоиды (кортизол и др.) принимают участие в регуляции углеводного и белкового обменов.
Источник метаболической воды	При окислении 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды. Важно для обитателей пустынь.
Каталитическая	Жирорастворимые витамины A, D, E, K являются кофакторами ферментов, т.е. сами по себе эти витамины не обладают каталитической активностью, но без них ферменты не могут выполнять свои функции.

Лекция № 5. Витамины.

План

1. Понятие о витаминах. Биологическая роль витаминов.

2. Классификация и номенклатура витаминов.

3. Гипо- и гипервитаминозы.

1. Витамины представляют сборную в химическом отношении группу органических соединений, поэтому с точки зрения химического строения им нельзя дать общего определения. Более того, физические свойства веществ, относящихся к витаминам, столь же разнообразны, как и их химическая природа, и витамины нельзя определить как группу веществ со сходными физическими качествами. Физиологическое действие витаминов на животных, на растительные ткани и микроорганизмы тоже весьма различно, и отдельные витамины в этом отношении совершенно не похожи друг на друга. Витамины были объединены в отдельную группу природных органических соединений по признаку абсолютной необходимости их для гетеротрофного организма в качестве дополнительной к белкам, жирам, углеводам и минеральным веществам составной части пищи. При недостаточном поступлении в организм витаминов развиваются патологические явления. В количественном отношении потребность в витаминах ничтожна: так, например, человек в среднем должен потреблять ежедневно около 600 грамм (в пересчете на сухое вещество) основных питательных веществ и только 0,1-0,2 грамм дополнительных факторов питания – витаминов. Отсюда ясно, что витамины в организме выполняют каталитические функции. Во многих случаях витамины являются составными частями специфических биологических катализаторов – ферментов и необходимы для их новообразования. Таким образом, витамины могут быть охарактеризованы как группа органических веществ, обладающих разнообразным строением и физико – химическими свойствами, абсолютно необходимых для нормальной жизнедеятельности любого организма и выполняющих в нем непосредственно или в составе более сложных соединений каталитические функции.

2. Витамины были открыты в 1880 году нашим соотечественником Н.И.Луниным. Они привлекли внимание именно как дополнительные факторы питания животных. В 1912 году польский исследователь К. Функ предложил называть эти неизвестные вещества витаминами, т.е. аминами жизни (от лат. вита – жизнь), так как одно из них, выделенное и изученное им, содержало аминогруппу. Термин этот стал затем применяться ко всем дополнительным пищевым факторам. И хотя многие из них не содержат аминогрупп и азота вообще, название «витамины» прочно удерживается в биологии и медицине. При изучении витаминов сначала каждому из них давали название по имени того заболевания, которое развивалось при отсутствии витамина в пище. При этом к названию соответствующей болезни добавлялась приставка анти, так как введение витамина в диету приводило к быстрому излечиванию. Заболевания же, развивающиеся при отсутствии витаминов в пище, стали обозначать как авитаминозы (или гиповитаминозы при недостаточном поступлении витаминов в организм). Позже, по предложению Мак-Коллума (1913 г.), отдельные витамины по мере их выделения условились обозначать буквами латинского алфавита: А,В,С и т.д. Наконец, когда была исследована химическая природа ряда витаминов, стали вводить и химические их названия. В настоящее время используют все три вида номенклатуры витаминов. По растворимости в воде и жировых растворителях витамины делят на две группы: водо- и жирорастворимые. Жирорастворимым и некоторым водорастворимым витаминам свойственна витамерия. Явление это состоит в том, что физиологическим действием, характерным для того или иного витамина, обладает не одно, а несколько сходных по химическому строению соединений. Они носят название витамеров. Так, витамин А имеет два витамера ( А1 и А2, не считая геометрических изомеров), витамин Д – пять (Д2, Д3, Д4, Д5, и Д6) и т.п. По физиологическому действию на организм человека витамины принято делить на следующие группы: 1) повышающие общую реактивность организма ( В1,В2, РР,А,С ), 2) антигеморрагические ( С, Р, К ), 3) антианемические ( В12, Вс, С ), 4) антиинфекционные ( С, А ), 5) регулирующие зрение ( А, В2, С ). Рассмотрим строение и свойства некоторых витаминов.

Витамин А ( ретинол ). Изучение этого витамина начато в 1909 году, а синтез осуществлен в 1933 году. Витамин А состоит из смеси циклических ненасыщенных спиртов характерного химического строения с большим числом сопряженных двойных связей. Хорошо растворим в жирах и жирорастворителях. Запасается в печени в виде сложных эфиров с уксусной и пальмитиновой кислотами. При отсутствии в пище развивается А-авитаминоз: ослабление зрения (сумеречная, или «куриная» слепота), поражение эпителиальных тканей(сухость, слущивание эпителия), в том числе и роговицы глаза(сухость ее и воспаление называются ксерофтальмией, отсюда и название витамина А (антиксерофтальмический) Так же наблюдается задержка роста, падение в весе и общее истощение организма. Суточная потребность 2,5 мг, содержится в рыбьем жире, сливочном масле и красно – мякотных овощах (морковь, перец, томаты и др.). В овощах в виде провитамина, которым является β-каротин, который распадается в кишечной стенке с образованием двух молекул витамина А1. Витамин Д (кальциферол). Изучение этого витамина начато в 1916 году, а синтез осуществлен в 1931 году. Наиболее распространены витамеры Д 2 и Д 3; их можно рассматривать как производные стеролов – эргостерола и холестерола соответственно. Под действием солнечной радиации и при наличии в организме холестерола, витамин Д 3 может синтезироваться в организме, и поступление его с пищей не обязательно. Жирорастворим. При отсутствии в рационе детей развивается заболевание – рахит. Причина его состоит в расстройстве фосфорно – кальциевого обмена и нарушении нормального отложения фосфорнокислого кальция в костной ткани. Суточная потребность составляет 0,025 мг. Источником Витами Д являются рыбий жир, сливочное масло, желток яйца, печень животных, молоко. Витамин Е (токоферол). Первые сведения о существовании витамина, регулирующего процесс размножения, появились в 1925 году. Является производным бензопирана, три витамера – α-, β-, и γ- токоферолы. Жирорастворимы. Участвует в фундаментальном процессе запасания энергии, высвобожденной в результате реакций окисления ( как переносчик электронов в окислительно – восстановительных реакциях ) и является одним из самых сильных природных антиоксидантов ( предохраняет от окисления жиры и другие легкоокисляемые соединения). Суточная потребность – 5 мг. Источники это растительные масла, салат, капуста, зерновые культуры. Откладывается в организме в жировой ткани. Витамин К ( филлохинон ). Открыт в 1929 году, синтезирован в 1939 году. Два витамера ( К 1 и К 2 ), производные нафтохинона. Жирорастворимы. Витамин К способствует синтезу компонентов, участвующих в свертывании крови, и положительно влияет на состояние эндотелиальной оболочки кровеносных сосудов, принимает участие в реакциях окисления органических соединений, сопряженного с запасанием энергии у животных. Суточная потребность составляет 0,015 мг. Источники – томаты, зеленые части растений, печень животных. Синтезируется кишечной микрофлорой. Витамин В 1 (тиамин). Первый кристаллический витамин, полученный в лаборатории. Водорастворим. Принимает участие в различных процессах, является активной группой ферментов, ускоряющих распад в организме пировиноградной кислоты путем ее декарбоксилирования ( пировиноградная кислота является сильным ядом для нервной системы). При недостатки развивается заболевание, получившее название полиневрита (болезнь «бери-бери»). Источником являются хлеб и крупы, а также много витамина В 1 в пекарских и пивных дрожжах. В сутки надо 3 мг. Витамин В 2 ( рибофлавин ). В 2 – авитаминоз у человека проявляется в остановке роста, выпадении волос, поражении слизистых оболочек (особенно в уголках рта), быстрой утомляемости зрения, понижении работоспособности, нарушении нормального синтеза гемоглобина; патологические изменения возникают и в нервной системе. В сутки надо 3 мг. Источником являются молоко и зеленые овощи, печень и почки животных, а также пивные и пекарские дрожжи. Витамин С (аскорбиновая кислота). В 1932 году осуществлен синтез. Является участником окислительно – восстановительных процессов в организме. Суточная потребность 100 мг. Источником являются разнообразные продукты растительного происхождения, но особенно много его содержат черная смородина, плоды шиповника, лимоны, капуста…