Углеводы: общая характеристика

Углеводы - органические вещества, в состав которых входят углерод, кислород и водород. При этом соотношение двух последних элементов аналогично соотношению их в молекуле воды, т. е. на два атома водорода приходится один атом кислорода. Общая формула углеводов такая: Сn (Н20) (где n - не меньше трех); отсюда и название соединений - углеводы. Впервые в 1844 г. этот термин ввел отечественный ученый К. Шмид (1822-1894). В животной клетке углеводы находятся в количестве, не превышающем 2 - 5%. Наиболее богаты углеводами растительные клетки, где их содержание в некоторых случаях достигает 90% сухой массы (например, в клубнях картофеля, семенах и т.д.). Все углеводы разделяются на две группы: монозы, или моносахариды, и полиозы, или полисахариды. Несколько молекул моносахаридов, соединяясь между собой с выделением воды, образуют молекулу полисахарида. Поэтому полисахариды относятся к полимерам. Ди-, три- и тетра-сахариды составляют группу полисахаридов первого порядка, или олигосахаридов. Более сложные углеводы, содержащие в молекуле значительно большее количество остатков простых сахаров, называются полисахаридами второго порядка. Они представляют собой сложные вещества с очень большой молекулярной массой.

Этот класс органических соединений, охватывает моносахариды (простые сахара - такие, как глюкоза и фруктоза), олигосахариды и полисахариды, состоящие из связанных между собой моносахаридов. Вплоть до конца 1960-х годов считалось, что углеводы служат только источником энергии (в форме моносахаридов и таких запасных полисахаридов, как крахмал и гликоген) и структурным материалом (такие полисахариды, как целлюлоза у растений и хитин у насекомых). Два других больших класса биологических веществ - нуклеиновые кислоты, несущие генетическую информацию, и белки - казались более разнообразными. По сравнению с ними углеводы представлялись как бы второстепенными.

Интерес к углеводам сдерживался еще и чрезвычайной сложностью их структуры. В отличие от мономеров нуклеиновых кислот (нуклеотидов) и белков (аминокислот), которые способны связываться между собой только одним определенным путем, моносахаридные единицы в олигосахаридах и полисахаридах могут соединяться между собой несколькими путями по множеству разных положений. Например, из двух идентичных моносахаридов могут образоваться одиннадцать различных дисахаридов, тогда как две аминокислоты могут дать лишь один дипептид. В результате даже небольшое число моносахаридов может породить ошеломляющее разнообразие углеводов, включая разветвленные структуры. Если из четырех разных нуклеотидов могут получиться только 24 тетрануклеотида, то из четырех разных моносахаридов возможны 35 560 уникальных тетрасахаридов.

Липиды: строение

Под термином липиды (греч. lipos - жир) объединяют жиры и жироподобные вещества. Липиды - органические соединения с различной структурой, но общими свойствами. Они нерастворимы в воде, но хорошо растворяются в органических растворителях: эфире, бензине, хлороформе и др. Липиды очень широко представлены в живой природе и играют чрезвычайно важную роль в клетке и организме. Они содержатся в любых клетках. Содержание жира в них обычно невелико и составляет 5 - 15% от сухой массы. Существуют, однако, клетки, содержание жира в которых достигает почти 90% от сухой массы. Эти буквально набитые жиром клетки имеются в жировой ткани. По химической структуре жиры представляют собой сложные соединения трехатомного спирта глицерина и высокомолекулярных жирных кислот: рис липид R1 R2 R3 - радикалы жирных кислот. Из них чаще всего встречаются пальмитиновая(СН3-(СН2)15-СООН), стеариновая (СН3-(СН2)16-СООН), олеиновая (СН3-(СН2)7-СН=СН?(СН2)-СООН) жирные кислоты. Все жирные кислоты делятся на две группы: насыщенные, т. е. не содержащие двойных связей, и ненасыщенные, или непредельные, содержащие двойные связи. Из приведенных выше формул видно, что к насыщенным кислотам принадлежат пальмитиновая и стеариновая кислоты, а к ненасыщенным - олеиновая. Свойства жиров определяются качественным составом жирных кислот и их количественным соотношением. Растительные жиры или масла богаты непредельными жирными кислотами, поэтому в подавляющем большинстве случаев они являются легкоплавкими - жидкими при комнатной температуре. Например, в оливковом масле глицерин связан с остатками олеиновой кислоты. Животные жиры при комнатной температуре твердые, так как содержат главным образом насыщенные жирные кислоты. Например, говяжье сало состоит из глицерина и пальмитиновой и стеариновой кислот (пальмитиновая кислота плавится при 43*С, а стеариновая при 60*С). Из формулы жира видно, что его молекула, с одной стороны, содержит остаток глицерина - вещества, хорошо растворимого в воде, а с другой стороны - остатки жирных кислот, углеводородные цепочки которых практически нерастворимы в воде. При нанесении капли жира на поверхность воды в сторону воды обращается глицериновая часть молекулы жира, а из воды "торчат" вверх цепочки жирных кислот. Такая ориентация по отношению к воде играет очень важную роль. Тончайший слой этих веществ, входящих в состав клеточных мембран, препятствует смешиванию содержимого клетки или отдельных ее частей с окружающей средой. Особенно биологически важными жироподобными веществами являются фосфолипиды. Это тоже сложные соединения глицерина и жирных кислот. От настоящих жиров они отличаются тем, что содержат остаток фосфорной кислоты. Они основные компоненты мембран клеток. Большое значение для жизнедеятельности клетки и организма имеют и такие сложные соединения, как гликолипиды, состоящие из углеводов и липидов. Особенно их много в составе ткани мозга и нервных волокон. Здесь же надо назвать и липопротеиды, представляющие собой комплексные соединения различных белков с жирами.

Липиды: функции

Структурная функция. Липиды принимают участие в построении мембран клеток всех органов и тканей. Они участвуют в образовании многих биологически важных соединений.

Энергетическая функция. Липиды обеспечивают 25-30% всей энергии, необходимой организму. При полном распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии, что примерно в 2 раза больше по сравнению с углеводами и белками.

Функция запасания питательных веществ. Жиры являются своего рода "энергетическими консервами". Жировыми депо могут быть и капля жира внутри клетки, и "жировое тело" у насекомых, и подкожная клетчатка, в которой накапливается жир у человека.

Функция терморегуляции. Жиры плохо проводят тепло. Они откладываются под кожей, образуя у некоторых животных огромные скопления. Например, у кита слой подкожного жира достигает 1 м. Это позволяет теплокровному животному жить в холодной воде полярного океана. У многих млекопитающих существует специальная жировая ткань, играющая в основном роль терморегулятора, своеобразного биологического "обогревателя". Эту ткань называют бурым жиром. Она имеет бурый цвет из-за того, что очень богата митохондриями красно-бурой окраски из-за находящихся в них железосодержащих белков. В этой ткани производится тепловая энергия, имеющая для млекопитающих важное значение в условиях жизни при низких температурах. Жиры выполняют еще множество различных функций в клетке и организме. Можно напомнить, что жир - поставщик так называемой эндогенной воды: при окислении 100 г жира выделяются 107 мл воды. Благодаря такой воде существуют многие пустынные животные, например песчанки, тушканчики, с этим связано и накопление жира в горбах у верблюда. Слой жира защищает нежные органы от ударов и сотрясений (например, околопочечная капсула, жировая подушка около глаза). Жироподобные соединения покрывают тонким слоем листья растений, не давая им намокать во время обильных дождей. Многие липиды являются предшественниками в биосинтезе гормонов. Например, к липидам относятся половые гормоны человека и животных: эстрадиол (женский) и тестостерон (мужской). Из ненасыщенных жирных кислот в клетках человека и животных синтезируются такие регуляторные вещества, как простагландины. Они обладают широким спектром биологической активности: регулируют сокращение мускулатуры внутренних органов; поддерживают тонус сосудов; регулируют функции различных отделов мозга, например центры теплорегуляции. Повышение температуры при ряде заболеваний связано с усилением синтеза простагландинов и возбуждением центра терморегуляции. Аспирин тормозит синтез простагландинов и таким образом понижает температуру тела.