§ 4. Органические вещества клетки. Углеводы. Липиды

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, состоящие преимущественно из углерода, водорода и кислорода. Они встречаются в клетках растений, животных и других организмов, хотя их виды и количество различаются. Углеводы могут обеспечивать клетку энергией, запасать её или выполнять строительную роль. Поэтому значение вещества зависит от его строения.

Моносахариды — простые углеводы, молекулы которых не распадаются гидролизом на более простые углеводы. Гидролиз — расщепление вещества при участии воды. К моносахаридам относятся глюкоза и рибоза. Глюкоза может использоваться клеткой для получения энергии, а рибоза входит в состав важных молекул клетки.

Полисахариды — углеводы, образованные множеством соединённых остатков моносахаридов. К ним относятся крахмал, гликоген и целлюлоза. Их цепи устроены неодинаково, поэтому одни полисахариды подходят для хранения запаса, а другие — для создания прочных структур. Само число остатков ещё не определяет функцию: важно и то, как они соединены.

Липиды — разнообразные гидрофобные органические вещества, плохо растворимые в воде. Гидрофобность означает, что вещество слабо смешивается с водой; это свойство характерно, например, для жиров. К липидам также относятся фосфолипиды, воски и стероиды. Такое объединение важно для понимания состава мембран, защитных покрытий и других структур организма.

Как это устроено

Моносахариды могут соединяться друг с другом и образовывать более крупные углеводы. При этом способ соединения остатков влияет на форму цепи и её свойства. Цепи крахмала могут быть разветвлёнными, а цепи гликогена разветвлены особенно сильно; целлюлоза образует длинные прочные цепи. Поэтому одинаковые исходные остатки не означают одинаковое строение готового вещества.

Различия в строении объясняют функции углеводов. Глюкоза — небольшая молекула, которую клетка может использовать в энергетических процессах. Крахмал у растений и гликоген у животных служат запасными веществами: при необходимости их можно расщеплять до более простых соединений. Целлюлоза, напротив, образует прочные структуры клеточных стенок растений, потому что её цепи подходят для строительной роли.

Молекула жира состоит из глицерина и жирных кислот. Такое строение позволяет организму накапливать жиры в виде запаса, который можно использовать при потребности в энергии. При расщеплении жиры дают много энергии, поэтому они эффективны для длительного хранения энергетических ресурсов. Запасающая функция связана не только с энергетической ценностью, но и со способностью отложений сохраняться в тканях.

Липиды плохо смешиваются с водой, потому что большая часть их молекул не образует с ней устойчивых взаимодействий. Однако свойства отдельных частей молекулы могут различаться: у фосфолипида есть часть, взаимодействующая с водой, и часть, избегающая её. Благодаря этому фосфолипиды упорядочиваются в мембранный слой, обращая водолюбивые части к водной среде. Та же слабая растворимость многих липидов позволяет создавать водоотталкивающие покрытия.

Работа липидов не сводится к запасанию энергии и участию в мембранах. Жировой слой уменьшает потерю тепла, а отложения вокруг некоторых органов смягчают удары и помогают защитить их. Воски препятствуют смачиванию поверхностей, например растительных покровов. Некоторые стероиды и другие липидные соединения участвуют в регуляции процессов в организме, то есть влияют на согласованную работу клеток и органов.

Углеводы и липиды: строение, свойства и функции

Сравнивайте вещества по нескольким признакам: из чего они построены, как ведут себя в воде и какую роль выполняют. В таблице указаны типичные примеры, но свойства конкретных веществ могут отличаться. Особенно полезно сопоставлять строение и функцию, а не заучивать названия отдельно.

Разбор задач

Задача 1. Распределите глюкозу, сахарозу, крахмал и целлюлозу на моносахариды, дисахариды и полисахариды. Чтобы решить задачу, нужно определить, сколько остатков простых углеводов образуют молекулы каждого вещества. Не следует ориентироваться только на знакомость названия или сладкий вкус.

1. Сначала выделим глюкозу: это простая молекула углевода, которая не расщепляется гидролизом на более простые сахара. Значит, она относится к моносахаридам. Этот критерий применим и к другим простым сахарам.
2. Сахароза образована двумя остатками моносахаридов. Поэтому её относят к дисахаридам, то есть углеводам из двух сахарных остатков. Это не полисахарид, хотя молекула сахарозы сложнее молекулы глюкозы.
3. Крахмал и целлюлоза состоят из множества соединённых остатков глюкозы. Значит, оба вещества относятся к полисахаридам, несмотря на то что выполняют разные функции. Составим итоговую классификацию по числу остатков.

Ответ: глюкоза — моносахарид, сахароза — дисахарид, крахмал и целлюлоза — полисахариды.

Задача 2. В клетке обнаружены вещества, которые не растворяются в воде и входят в состав мембраны. Определите группу веществ и назовите подходящий пример. Здесь нужно совместить два признака: низкую растворимость в воде и участие в мембранной структуре. Один признак сам по себе может встречаться у разных веществ, поэтому важны оба.

1. Плохая растворимость в воде характерна для гидрофобных веществ, в том числе для липидов. Следовательно, искомую группу следует искать среди липидов. Это пока предварительное определение по свойству.
2. Далее сопоставим второй признак: в основу клеточных мембран входят фосфолипиды. Их части по-разному взаимодействуют с водой, благодаря чему молекулы могут организовать мембранный слой. Это и связывает свойства липидов с их строительной ролью.
3. Проверим, подходит ли ответ обоим условиям. Фосфолипиды относятся к липидам и участвуют в строении мембран, поэтому оба признака задачи соблюдены. Жиры тоже липиды, но они не являются наиболее подходящим примером для основы мембраны.

Ответ: это липиды; подходящий пример — фосфолипиды.

Задача 3. В образце содержится 8 г углеводов и 5 г жиров. Используя значения энергетической ценности, приведённые в условии, сравните вклад этих веществ в запас энергии. Числовые значения энергетической ценности здесь не указаны, поэтому обозначим их отдельно и подставим данные задачи. Такой способ не позволяет случайно принять массу вещества за количество запасённой энергии.

1. Обозначим энергетическую ценность углеводов через Eу, а жиров — через Eж, например в кДж/г. Вклад каждого вещества рассчитывается умножением его массы на энергетическую ценность одного грамма. Значит, для сравнения понадобятся оба значения из условия.
2. Для углеводов получим 8 × Eу кДж, а для жиров — 5 × Eж кДж. Эти выражения показывают энергию, соответствующую указанным массам. Если в условии даны другие единицы, сначала нужно привести результаты к одной единице измерения.
3. Сравним два результата: больше энергии даёт вещество с большим произведением массы на энергетическую ценность. Нельзя решить, что вклад жиров больше, только потому, что энергетическая ценность грамма жира обычно выше: массы веществ тоже различаются. Окончательное сравнение зависит от чисел, указанных в условии.

Ответ: вклад углеводов равен 8 × Eу, вклад жиров — 5 × Eж; сравните полученные значения. Без чисел энергетической ценности из условия нельзя выбрать большее значение.

Типичные ошибки

Считать все углеводы сладкими и растворимыми в воде — неверно. Такое представление возникает из повседневного опыта с сахаром, но оно не подходит для всей группы. Многие полисахариды не сладкие и плохо растворяются в воде. Проверяйте свойства конкретного вещества, а не переносите их с одного примера на все углеводы.

Называть крахмал, гликоген и целлюлозу взаимозаменяемыми запасными веществами — ошибка. Их объединяет принадлежность к полисахаридам, но функции и строение различаются: целлюлоза у растений выполняет строительную роль. Путаница появляется, если запомнить только слово «полисахарид». Проверьте себя вопросом, где и для чего используется каждое вещество.

Сводить липиды только к жирам — значит упускать другие группы. Жиры часто приводят в качестве примера, потому что они знакомы и связаны с запасанием энергии. Однако липидами являются также фосфолипиды, воски и стероиды. Чтобы проверить ответ, спросите себя, не относится ли названное вещество к одной из этих групп.

Считать, что липиды вообще не взаимодействуют с водой, тоже неточно. Плохая растворимость не означает абсолютного отсутствия взаимодействия, а у фосфолипидов разные части молекулы имеют разные свойства. Ошибка возникает, когда гидрофобность всей группы понимают слишком буквально. При разборе мембраны учитывайте, что именно части молекул определяют их расположение в водной среде.

Связь с другими темами

Для понимания углеводов и липидов нужны знания о составе органических веществ, углеродном скелете и химических связях: они помогают объяснить форму и свойства молекул. Роль углеводов и липидов проявляется в обмене веществ и энергетическом обмене, когда клетка получает или запасает энергию. Строение липидов пригодится при изучении клеточных мембран: особенности их взаимодействия с водой объясняют устройство мембранного слоя.

Что запомнить

• Углеводы и липиды — важные органические вещества клетки.
• Глюкоза — моносахарид и источник энергии для клетки.
• Крахмал и гликоген служат запасными углеводами.
• Целлюлоза выполняет строительную функцию у растений.
• Жиры состоят из глицерина и жирных кислот.
• Липиды входят в состав мембран и плохо растворяются в воде.