§ 8. Строение и функции липидов и углеводов

Определения и обозначения

Липиды — разнообразные органические вещества, к которым относятся жиры. Они содержат углерод, водород и кислород, а некоторые виды липидов — также фосфор и другие элементы. Общая особенность многих липидов — плохая растворимость в воде. Она связана с тем, что в их молекулах преобладают части, которые не взаимодействуют с водой.

Углеводы — органические вещества, включающие сахара и сложные полимеры. Их основные группы — моносахариды, дисахариды и полисахариды; последние две группы состоят из соединённых между собой более простых звеньев. Углеводы важны как источник энергии, запас питательных веществ и материал для клеточных структур. По тому, из каких звеньев построена молекула, можно предположить её свойства и роль.

Моносахариды — простые углеводы, которые при гидролизе не распадаются на более простые углеводы. Гидролиз — расщепление вещества с участием воды. К моносахаридам относятся глюкоза и фруктоза. Такие небольшие молекулы могут быстро включаться в процессы обмена веществ, поэтому глюкоза служит важным источником энергии для клеток.

Полисахариды — сложные углеводы, молекулы которых построены из множества остатков моносахаридов. К ним относятся крахмал, гликоген и целлюлоза. Хотя все они состоят из повторяющихся углеводных звеньев, их строение и функции различаются. Это помогает одним полисахаридам хранить запас глюкозы, а другим — создавать прочные структуры.

Как это устроено

Молекула жира обычно построена из глицерина и трёх жирных кислот. Глицерин — небольшая молекула, к которой присоединяются длинные цепи жирных кислот. Сами кислоты могут различаться длиной цепи и наличием в ней двойных связей. Поэтому одни жиры при комнатной температуре твёрдые, а другие, например многие растительные масла, жидкие: особенности цепей влияют на то, насколько плотно молекулы укладываются друг рядом с другом.

Липиды плохо растворяются в воде, потому что их молекулы в основном не имеют участков, способных хорошо взаимодействовать с водой. В клеточных мембранах некоторые липиды располагаются так, что их части, взаимодействующие с водой, обращены к водной среде, а нерастворимые части скрыты внутри слоя. Такое устройство помогает отделять содержимое клетки от внешней среды. Нерастворимость в воде также позволяет жиру накапливаться в тканях, не растворяясь в клеточной жидкости.

Липиды выполняют несколько функций, и каждая связана с их свойствами. При расщеплении жиров выделяется энергия, поэтому они могут быть её источником; кроме того, жировая ткань служит запасом питательных веществ. Некоторые липиды входят в состав клеточных мембран, то есть выполняют строительную функцию. Жировые отложения также смягчают механические воздействия и уменьшают потерю тепла, поэтому липиды участвуют в защите организма и теплоизоляции.

Моносахариды могут соединяться друг с другом, образуя более сложные углеводы. Если соединены два моносахарида, получается дисахарид; если повторяется множество звеньев — полисахарид. Так выстраивается переход от небольших молекул к длинным цепям: моносахариды становятся составными частями сложных углеводов. Число и соединение звеньев влияют на свойства вещества, поэтому дисахариды и полисахариды ведут себя не так, как простые сахара.

Разные углеводы выполняют разные задачи. Глюкоза может поступать в клеточные реакции и использоваться для получения энергии. Крахмал у растений и гликоген у животных и грибов состоят из запасаемых углеводных звеньев, поэтому при необходимости из них можно получить глюкозу. Целлюлоза образует клеточные стенки растений: её прочные волокна поддерживают форму клеток, а не служат основным запасом энергии.

Группы липидов и углеводов: строение и функции

Сначала определите, к какой группе относится вещество, а затем сопоставьте строение с функцией. Например, длинная цепь из множества звеньев может быть запасным полисахаридом или материалом клеточной стенки. Чтобы различить их, учитывайте не только общую принадлежность к полисахаридам, но и конкретную роль.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему капля растительного масла не смешивается с водой. Нужно связать наблюдение с устройством молекул, а не только назвать масло жиром. Сравните свойства воды и основной части молекул липидов.

1. Определите, что растительное масло состоит преимущественно из липидов, в частности жиров.
2. Вспомните, что значительная часть молекул жира — длинные цепи жирных кислот, которые плохо взаимодействуют с водой.
3. Сделайте вывод: вода не может равномерно окружить и растворить молекулы масла, поэтому капля сохраняется отдельно и не смешивается с водой.

Ответ. Молекулы липидов плохо растворяются в воде из-за особенностей своего строения, поэтому масло образует отдельную каплю. При встряхивании капля может временно разделиться на мелкие капли, но затем они снова соединяются.

Задача 2. В клетках печени обнаружен запасной углевод. Определите, какое это вещество, и объясните его роль. Для решения важно учесть, что речь идёт о животном организме, и отличить запасной полисахарид от источника энергии, используемого клеткой непосредственно.

1. Установите, что печень принадлежит животному организму.
2. Вспомните распределение запасных углеводов: у растений запасается главным образом крахмал, у животных и грибов — гликоген.
3. Определите, что обнаруженный полисахарид — гликоген; при необходимости он расщепляется, и образовавшаяся глюкоза используется клетками.

Ответ. В печени запасается гликоген. Его роль — служить резервом углеводов, из которого организм может получать глюкозу для клеточного обмена веществ.

Задача 3. У растения повреждена ткань, образующая прочные клеточные стенки. Какой углевод важен для этой ткани и чем его функция отличается от функции крахмала? Здесь нужно различить два растительных полисахарида по их назначению, а не только по принадлежности к одной группе.

1. Свяжите прочность клеточной стенки с веществом, которое образует её структурную основу.
2. Определите, что таким углеводом является целлюлоза: её волокна укрепляют стенки растительных клеток.
3. Сравните её с крахмалом, который не строит стенки, а используется растением для запаса углеводов.

Ответ. Для прочных клеточных стенок важна целлюлоза. Она выполняет строительную функцию, тогда как крахмал служит запасным питательным веществом.

Типичные ошибки

Считать все углеводы сладкими — ошибка: такой вывод возникает, если судить о целой группе по знакомым сахарам. Крахмал и целлюлоза не имеют сладкого вкуса, хотя тоже относятся к углеводам. Проверьте себя: не определяйте группу вещества только по вкусу, а учитывайте его строение и свойства.

Путать крахмал и целлюлозу можно потому, что оба вещества — полисахариды растений. Но крахмал запасает углеводы, а целлюлоза укрепляет клеточные стенки; различаются и свойства их молекул. Проверяйте себя вопросом: вещество хранит запас или формирует прочную структуру?

Называть гликоген запасным веществом растений неверно, хотя он, как крахмал, является полисахаридом. Ошибку допускают, если запомнить только общую функцию запасания и не связать вещество с организмом. У растений главным образом запасается крахмал, у животных и грибов — гликоген; перед ответом уточните, о каком организме говорится.

Считать, что жиры нужны только для получения энергии, значит упустить другие их роли. Такое представление возникает из-за того, что жир часто называют энергетическим запасом. Однако липиды также входят в состав мембран, защищают ткани и уменьшают потерю тепла. Для проверки перечислите функции: энергетическая, запасающая, строительная и защитная.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что органические вещества содержат углерод и входят в состав клеток. Эти общие сведения помогают увидеть, что липиды и углеводы — не отдельные от клетки вещества, а участники её строения и обмена. Различия между их молекулами объясняют, почему они выполняют неодинаковые задачи.

Знания о липидах и углеводах пригодятся при изучении клеточных мембран, обмена веществ, питания и запасания энергии организмом. Например, особенности липидов помогают объяснить устройство мембран, а превращения глюкозы и запасных полисахаридов — откуда клетки получают энергию. Сопоставление крахмала, гликогена и целлюлозы также показывает, как сходные вещества могут выполнять разные функции.

Что запомнить

• Жиры относятся к липидам и состоят из глицерина и жирных кислот.
• Липиды плохо растворяются в воде.
• Глюкоза — моносахарид и важный источник энергии для клеток.
• Крахмал — запасной полисахарид растений.
• Гликоген запасается у животных и грибов.
• Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений.