Химический состав клетки. Углеводы и липиды

На этой странице вы узнаете

• Сахар vs сахарозаменители: стоит ли переплачивать? 
• Зачем верблюдам нужны горбы? 
• Почему тюлени такие толстые?

Белки, жиры и углеводы — названия этих химических соединений мы можем увидеть на упаковке любого продукта питания, который покупаем в магазине. Помните навязчивую рекламу про «1 белок, 1 жирок, 4 углевода»? В ней советуется соблюдать именно такое соотношение органических веществ в пище. В этой статье мы разберемся с тем, какие функции в живом организме выполняет каждое из этих соединений, и почему не стоит пренебрегать жиро- и углеводосодержащими продуктами даже на диете.

Органические соединения в составе клетки 

Органические соединения — вещества, имеющие в основе углеродный скелет. 

Большая часть органических соединений в клетке находится в состоянии биополимеров. Что это такое? 

Биополимеры — это сложные цепочки повторяющихся структурных звеньев. Эти звенья называются мономерами. 

Чтобы запомнить эти термины, посмотрим, как выглядит обычная металлическая цепочка на шее у Егора Крида — условно так и выглядят формулы полимеров. Каждое кольцо в составе этой цепочки — это ее мономер. 

• 

• 

Какие органические соединения входят в состав клетки? 

• Углеводы.
• Жиры.
• Белки. 
• Нуклеиновые кислоты. 

В этой статье мы подробно рассмотрим первые 2 класса этих соединений. 

Углеводы

Углеводы — это обширная группа природных органических соединений, химическая структура которых часто отвечает общей формуле C_m(H₂O)_n.

Обратите внимание: в состав молекулы углевода входят углерод и молекула воды, что и зашифровано в названии соединения «Угле-вод»! 

Чтобы узнать больше о химической структуре и свойствах этих соединений, читайте статью нашего учебника по химии на тему «Биологически важные вещества». Но в рамках биологии нам не потребуется много знаний о строении их молекул. Гораздо важнее для нас знать классификацию углеводов. 

Классификация углеводов 

Теперь давайте разбираться со сложными терминами из этой схемы. Посмотрим на первый столбик под названием «моносахариды». 

Моносахариды — это мономеры любых углеводов. То есть, вся их молекула состоит только из одного структурного звена. К моносахаридам относят триозы, тетрозы, пентозы и гексозы. Чтобы запомнить эти слова, нужно знать значения латинских приставок:

• три = 3,
• тетра = 4,
• пента = 5,
• гекса = 6.

В значении приставки зашифровано количество атомов углерода в моносахариде. То есть в триозе всего 3 атома углерода, в тетрозе — 4 и так далее. 

Моносахариды — это отдельные колечки, звенья будущей цепочки. Или это один маленький мальчик со двора, который учится набивать мяч ногой, но пока еще стесняется с кем-нибудь играть.

Разберем следующий класс углеводов — дисахариды. Приставка «ди» в переводе с латыни означает «два», а значит, дисахариды состоят из двух молекул моносахаридов. Их еще нельзя назвать полимерами, потому что в цепочке всего 2 звена, но и к моносахаридам они не относятся. 

Дисахариды — это два звена, которые объединились, чтобы стать цепочкой, но пока еще малы. Как два друга, которые пока что учатся в школе, но мечтают в будущем стать частью футбольной команды.

Моносахариды и дисахариды хорошо растворимы в воде и имеют сладкий вкус. Вспомните, каковы на вкус типичные представители этих классов: глюкоза и сахароза, — и сразу сможете сделать вывод о том, какими свойствами обладают остальные представители группы. 

Сахар vs сахарозаменители: стоит ли переплачивать?  Считается, что сахарозаменители могут удовлетворить потребность человека в сладостях и при этом никак не повлияют на вес. Однако большинство диетологов с этим не согласны. Все сахарозаменители по химической природе тоже являются углеводами, а значит, их калорийность примерно равна калорийности сахара.

Остался последний класс углеводов — полисахариды. Приставка «поли» говорит о том, что в составе полисахаридов много структурных звеньев. 

Это уже целая футбольная команда, а то и целый футбольный клуб, в который наконец-то попали подросшие уже два друга с одного двора. 

Вернемся к полисахаридам, они нерастворимы в воде и не имеют вкуса. Если вы разводили когда-нибудь крахмал в воде для приготовления киселя, тогда знаете, что растворение его — дело не из легких! Кроме того, сколько крахмала в кисель ни добавляй — вкус не изменится. Так и запомним физические свойства полисахаридов. 

Структурный вид самых распространенных полисахаридов 

Зачем углеводы нужны клетке? 

Предположим, что вы очень сильно голодны, и наконец-то пришло время обеда. У вас есть выбор, чем перекусить: кусок жареного мяса, пирожок с малиной или салат из капусты. Что вы выберете? 

Большая часть людей выберет именно сладкий пирожок, и не случайно! Углеводы — это источник быстрой энергии. В организме человека они начинают расщепляться уже в ротовой полости, в то время как белкам нужно еще добраться до желудка. 

Углеводы формируют целые структуры в живых организмах. Например, клеточная стенка растительной клетки состоит из целлюлозы, а панцирь членистоногих образован хитином. Подробнее об этом соединении можно прочитать в статье «Тип Членистоногие. Класс Ракообразные».

Уже известный нам крахмал запасается клетками растений, чтобы расходоваться в «голодные времена». У животных клеток есть аналог крахмала — гликоген, который откладывается у человека в печени как запасное вещество. И он тоже относится к углеводам. Таким образом, моносахариды идут в расход, а полисахариды — длинные цепочки соединенных моносахаридов — в запас. 

Так и мы храним сосиски в холодильнике длинной цепочкой, а на еду отрезаем по одной.

Углеводы образуют рецепторы на поверхности клеточной мембраны. Эти рецепторы, как радиоприемники, торчат из мембраны и ловят сигнал о том, родственные клетки находятся рядом или вредоносные. Они же участвуют в узнавании химических веществ, окружающих клетку. Только благодаря им клетка может принять решение, стоит ли впускать вещество внутрь или лучше «убегать» от него подальше. 

Давайте подытожим все вышесказанное и назовем функции углеводов:

• энергетическая, 
• структурная, 
• запасающая, 
• рецепторная. 

Липиды

Липиды (или жиры) — обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества.

Молекула липида состоит из глицерина и трех остатков высших карбоновых кислот. Подробнее обо всем этом вы можете прочитать в статье по химии «Сложные эфиры и жиры». 

Разберем физические свойства липидов. 

Все липиды гидрофобны. Это значит, что они боятся воды и стараются держаться от нее подальше. Так и запомним: фобия — это боязнь, гидро — вода, а гидрофобность — боязнь воды. 

Какими бывают липиды? 

К липидам относятся:

• жиры, 
• стероиды, 
• воска, 
• сложные липиды. 

Самый распространенный класс липидов — это жиры. Они часто встречаются нам в кулинарии: к жирам относятся сало и масло. 

Триглицериды (жиры) — это сложные эфиры глицерина и жирных кислот. Приставка «три» означает, что все три гидроксогруппы глицерина связаны остатками карбоновых кислот. По происхождению жиры могут быть растительными или животными. 

Вы когда-нибудь жарили блинчики на растительном масле? Растительные масла — это жидкие жиры. Животные жиры — напротив, твердые. Чтобы использовать их в кулинарии, их нужно сначала растопить. 

Следующий класс липидов, который мы разберем, — это стероиды. Стероиды — это не обязательно ускорители роста мышц, как мы привыкли думать. Это липиды со структурой, в основе которой расположены 4 бензольных кольца. К стероидам относятся холестерин, тестостерон, желчные кислоты. 

Замечали тонкую пленочку на листьях растений, которая покрывает и защищает их? Ее образует воск, который вырабатывают растения. Воски — это сложные эфиры жирных кислот и высокомолекулярных спиртов. Они содержатся в кутикуле растений, в секрете копчиковой железы, и даже в секрете сальных желез. Наша кожа тоже покрыта микроскопической пленкой, которая не пропускает в поры патогенные бактерии и другие вредные частицы. 

Сложные липиды имеют нелипидный компонент. Например, фосфорную кислоту, белок или углевод. К сложным липидам относятся фосфолипиды, которые составляют основу клеточных мембран. 

Зачем липиды нужны в клетках? 

Помимо перечисленных выше функций, жиры являются самыми энергетически ценными веществами. 

Почему тюлени такие толстые? При окислении одной молекулы жира образуется целых 38,9 кДж энергии. А при окислении молекулы глюкозы — всего 17,6. Продукты с высоким содержанием жиров являются основой рациона народов, живущих на севере. Там очень холодно, и чтобы согреться, нужно кушать максимально калорийную пищу. Именно поэтому тюлени такие пухлые — под их кожей много жиров, сохраняющих тепло.

Жиры входят в состав подкожной жировой клетчатки, которая, как подушка безопасности, защищает наши внутренние органы от повреждений и переохлаждения. 

Жирами по химической структуре являются многие гормоны. Например, кортикостероиды, которые вырабатываются в надпочечниках, и половые гормоны. 

Зачем верблюдам нужны горбы?  Горбы верблюдов состоят из жировой ткани. Кроме того, что в ней можно запасти много энергии, жир является источником эндогенной воды. При расщеплении жира образуется вода, которую можно использовать в метаболических реакциях. Это очень полезно в засушливых условиях: на 10 километров пустыни может не встретиться ни одного оазиса!

Фактчек

• Органические соединения — вещества, имеющие в основе углеродный скелет. 
• Биополимеры — это сложные цепочки повторяющихся структурных звеньев — мономеров.
• Углеводы — это обширная группа природных органических соединений, химическая структура которых часто отвечает общей формуле C_m(H₂O)_n.
• К углеводам относятся моно-, ди- и полисахариды.
• Липиды — обширная группа природных органических соединений, включающая жиры и жироподобные вещества.
• К липидам относятся жиры, стероиды, воска и сложные липиды.

Проверь себя

Задание 1.
Из всего перечисленного выберите органическое вещество:

1. глюкоза
2. сульфат натрия
3. вода
4. соляная кислота

Задание 2.
При расщеплении одной молекулы жира выделяется 38,9 кДж энергии. Какая функция липидов описывается в предложении?

1. энергетическая
2. запасающая
3. структурная
4. гормональная

Задание 3.
Какую функцию выполняют углеводные цепочки на поверхности биологических мембран?

1. транспортную
2. запасающую
3. рецепторную
4. энергетическую

Задание 4.
Мономер — это…

1. высокомолекулярное вещество
2. структурный компонент биополимера
3. белок
4. липид

Задание 5.
Хитин образует наружный скелет членистоногих. Какая функция углевода описывается в предложении?

1. транспортная
2. структурная
3. рецепторная
4. гормональная

Ответы: 1. — 1; 2. — 1; 3. — 3; 4. — 2; 5. — 2.