§ 7. Углеводы и липиды — строительный материал и источник энергии клетки

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, состоящие главным образом из углерода, водорода и кислорода. К ним относят моносахариды, дисахариды и полисахариды. Такое деление показывает, сколько простых звеньев входит в молекулу и как она может использоваться клеткой.

Моносахариды — простые углеводы, которые при гидролизе не распадаются на более простые углеводы. Пример моносахарида — глюкоза. Она нужна как удобное исходное вещество для получения энергии и построения более крупных углеводов.

Полисахариды — сложные углеводы, состоящие из множества остатков моносахаридов. К ним относятся крахмал, гликоген и целлюлоза. Их крупные молекулы подходят для запаса веществ или создания прочных клеточных структур.

Липиды — разнообразные гидрофобные органические вещества, то есть вещества, плохо смешивающиеся с водой; к ним относятся жиры. В их состав входят главным образом углерод, водород и кислород, а некоторые липиды содержат также фосфор или азот. Благодаря такому строению липиды формируют водоотталкивающие участки мембран и могут накапливать много энергии.

Как это устроено

Моносахариды могут соединяться химическими связями в цепи и образовывать более крупные углеводы. При таком соединении меняются размер, форма и пространственное расположение молекулы. Поэтому вещества с одинаковыми исходными звеньями способны иметь разные свойства: одни запасают энергию, а другие образуют прочные волокна.

Глюкоза служит доступным источником энергии, потому что её молекулы сравнительно легко расщепляются в ходе клеточного дыхания. Высвобождаемая энергия используется для синтеза веществ, активного транспорта и работы клеточных структур. Если глюкозы становится больше, чем нужно немедленно, клетка соединяет её остатки в полисахарид и уменьшает содержание свободного сахара.

У растений запасным полисахаридом является крахмал, у животных и грибов — гликоген. Эти вещества можно постепенно расщеплять и получать из них глюкозу, когда возникает потребность в энергии. Целлюлоза устроена иначе: её длинные цепи образуют прочные волокна, поэтому она укрепляет клеточные стенки растений, а не служит обычным запасом.

Жир образуется из глицерина и жирных кислот. Углеводородные части жирных кислот содержат много связей, при окислении которых высвобождается значительное количество энергии. Поэтому жиры удобны для длительного хранения: они дают больше энергии при окислении равной массы и откладываются почти без связанной воды.

Липиды выполняют не только энергетическую и запасную функции. Особые липиды входят в состав клеточных мембран и помогают отделять внутреннюю среду клетки от внешней. Жировые отложения также уменьшают потерю тепла и смягчают механические воздействия, защищая органы.

Сравнение углеводов и липидов

Сначала определите, из каких частей состоит вещество, затем сопоставьте строение с функцией. Отдельно проверяйте, является ли полисахарид запасным или структурным, а липид — энергетическим или мембранным.

Разбор задач

Растительная клетка запасла избыток глюкозы. Нужно определить, какое вещество образуется и почему оно удобно для хранения.

1. Глюкоза является моносахаридом, поэтому её остатки могут соединяться в длинные цепи.
2. У растений такие цепи образуют крахмал — крупный полисахарид.
3. Крахмал не расходуется сразу и при необходимости расщепляется с образованием глюкозы.

Ответ: образуется крахмал, потому что он позволяет запасать много остатков глюкозы и при необходимости использовать их как источник энергии.

В образце обнаружен полисахарид, выполняющий структурную функцию в клеточной стенке растения. Требуется назвать его и сравнить с запасным углеводом растения.

1. Клеточные стенки растений укрепляет целлюлоза, а не крахмал.
2. Целлюлоза образует прочные длинные волокна и сохраняет форму клетки.
3. Крахмал также состоит из остатков глюкозы, но его строение позволяет использовать его как запас питательных веществ.

Ответ: это целлюлоза; в отличие от крахмала, она выполняет структурную, а не запасную функцию.

При окислении равных масс углеводов и жиров клетка получает разное количество энергии. Нужно выбрать более выгодное вещество для длительного запаса.

1. Сравниваем одинаковые массы, поэтому решающим признаком становится энергетическая ценность при окислении.
2. Жиры выделяют больше энергии, чем углеводы, и запасаются почти без воды.
3. Значит, одинаковый по массе жировой запас компактнее и энергетически выгоднее.

Ответ: для длительного запаса выгоднее жиры, поскольку при окислении равной массы они дают больше энергии и занимают меньше места.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все углеводы сладкими и растворимыми. Такую мысль переносят с глюкозы и других простых сахаров на весь класс веществ, но целлюлоза не является сладкой и практически не растворяется в воде. Проверяйте себя по группе углевода: свойства полисахаридов могут сильно отличаться.

Ошибка — путать запасную и структурную функции полисахаридов. Крахмал и гликоген хранят питательные вещества, а целлюлоза образует прочные структуры клеточной стенки. Если вещество укрепляет клетку, это признак структурной, а не запасной роли.

Ошибка — считать жиры единственным видом липидов. Липиды включают также вещества мембран, например фосфолипиды, которые отличаются от обычных жиров строением и функцией. Проверяйте, идёт ли речь о запасе энергии или о построении мембраны.

Ошибка — отождествлять энергетическую функцию с запасной. И углеводы, и жиры могут окисляться с выделением энергии, но жиры особенно удобны для длительного хранения, тогда как глюкоза быстрее используется клеткой. Разделяйте вопрос о немедленном источнике энергии и вопрос о форме запаса.

Связь с другими темами

До изучения темы нужно знать, что органические вещества клетки содержат углерод и что строение молекулы связано с её свойствами. Это помогает понять, почему похожие по составу вещества выполняют разные функции.

Знания об углеводах и липидах понадобятся при изучении клеточных мембран, пищеварения, обмена веществ и энергетического обмена. Через эти темы становится понятно, как пищевые вещества превращаются в строительный материал и энергию.

Тема связывает биологию растений и животных. У растений крахмал запасает питательные вещества, целлюлоза укрепляет клетки, а у животных гликоген и жиры служат резервами, необходимыми для жизнедеятельности.

Что запомнить

• Глюкоза — моносахарид и важный источник энергии клетки.
• Крахмал и гликоген — запасные полисахариды.
• Целлюлоза выполняет структурную функцию в клеточных стенках растений.
• Жиры состоят из глицерина и жирных кислот.
• Липиды входят в состав мембран и выполняют запасную, защитную и теплоизоляционную функции.
• При окислении равной массы жиры дают больше энергии, чем углеводы.