§ 5. Углеводы. Липиды. Нуклеиновые кислоты

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, включающие моносахариды и их производные. К ним относятся простые сахара, например глюкоза, а также ди- и полисахариды: сахароза, крахмал, целлюлоза. Такое деление помогает понять, почему одни углеводы быстро дают энергию, а другие запасают её или образуют прочные структуры.

Липиды — гидрофобные органические вещества, не растворяющиеся в воде и растворяющиеся в органических растворителях. К ним относят жиры, фосфолипиды, воски и некоторые другие соединения. Их свойства объясняют участие липидов в мембранах, защите от воды и накоплении энергии.

Нуклеиновые кислоты — биополимеры, которые хранят, передают и помогают реализовать наследственную информацию. Основные виды — ДНК и РНК, различающиеся составом, строением и функциями. Благодаря им клетка сохраняет программу работы и передаёт её дочерним клеткам.

Нуклеотид — структурная единица нуклеиновых кислот, состоящая из азотистого основания, сахара и остатка фосфорной кислоты. В ДНК сахаром служит дезоксирибоза, а в РНК — рибоза. Порядок нуклеотидов образует запись наследственной информации.

Как это устроено

Моносахариды соединяются в ди- и полисахариды химическими связями между их группами. При таком соединении от двух соседних молекул отщепляются части, из которых образуется вода, поэтому процесс называют реакцией конденсации. При гидролизе вода, наоборот, расходуется и разрывает связь, возвращая полимер к более простым углеводам.

Строение углевода определяет его функцию. Небольшие растворимые молекулы сахаров легко перемещаются по клетке и быстро включаются в реакции получения энергии, тогда как длинные цепи полисахаридов неудобны для быстрого использования. Поэтому крахмал и гликоген служат запасом, а целлюлоза благодаря прочным цепям образует клеточные стенки.

Липиды плохо смешиваются с водой, потому что значительная часть их молекул неполярна и не образует с водой устойчивых взаимодействий. В длинных углеводородных цепях жиров много связей, при расщеплении которых выделяется энергия, поэтому жиры энергоёмки. Фосфолипиды имеют водолюбивую «головку» и водоотталкивающие «хвосты», из-за чего самостоятельно образуют двойной слой клеточной мембраны.

Нуклеотиды соединяются в цепь связями между сахаром одного звена и фосфатом другого. Повторяющийся сахарофосфатный остов обеспечивает прочность цепи, а основания выступают в определённом порядке. Именно последовательность оснований служит кодом: её можно копировать, считывать и передавать при делении клетки.

ДНК содержит дезоксирибозу, основания аденин, тимин, гуанин и цитозин и обычно состоит из двух взаимодополняющих цепей. РНК содержит рибозу, урацил вместо тимина и чаще всего представлена одной цепью; она бывает информационной, транспортной и рибосомной. ДНК главным образом хранит наследственную программу, а РНК переносит и помогает использовать сведения для синтеза белка.

Сравнение углеводов, липидов и нуклеиновых кислот

Таблицу удобно читать по строкам, если нужно сравнить одну характеристику у трёх групп веществ. По столбцам можно быстро повторить свойства конкретной группы. При ответе сначала назовите строение, а затем связывайте его с функцией.

Разбор задач

Задача 1

Распределите глюкозу, крахмал, целлюлозу, жир, фосфолипид, ДНК и РНК по группам органических веществ. Для каждой группы назовите одну функцию.

1. Глюкоза, крахмал и целлюлоза относятся к углеводам: это простое соединение и два полисахарида.
2. Жир и фосфолипид являются липидами, поскольку обладают гидрофобными свойствами.
3. ДНК и РНК — нуклеиновые кислоты, построенные из нуклеотидов.

Ответ: углеводы дают энергию и могут запасать её; липиды образуют мембраны и служат энергетическим резервом; нуклеиновые кислоты хранят и передают наследственную информацию.

Задача 2

Объясните, почему крахмал запасает вещества у растений, целлюлоза образует клеточную стенку, а глюкоза быстро используется клеткой. Нужно связать свойства каждого вещества с его строением.

1. Глюкоза — небольшая растворимая молекула, поэтому легко перемещается и быстро вступает в реакции клеточного дыхания.
2. Крахмал состоит из множества остатков глюкозы и может откладываться в клетках в компактном виде, постепенно расщепляясь при необходимости.
3. Целлюлоза образует длинные прочные цепи, которые соединяются в волокна и придают клеточной стенке прочность.

Ответ: различия функций объясняются размером молекул, растворимостью и способом соединения остатков глюкозы.

Задача 3

Сравните ДНК и РНК по составу нуклеотидов, числу цепей, месту нахождения и функциям. Объясните, почему изменение последовательности ДНК может повлиять на признаки организма.

1. У ДНК сахар — дезоксирибоза, основание тимин и обычно две цепи; у РНК сахар — рибоза, урацил и чаще одна цепь.
2. ДНК находится преимущественно в ядре, а РНК образуется в ядре и работает также в цитоплазме и рибосомах.
3. ДНК хранит информацию, РНК помогает переносить и реализовывать её в синтезе белка.
4. Изменение порядка оснований ДНК может изменить участок программы, а значит, состав или работу белка и связанный с ним признак.

Ответ: ДНК — более стабильное хранилище наследственной информации, РНК — её рабочий посредник; изменение последовательности ДНК иногда меняет признак организма.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что все углеводы сладкие и растворимые. Так думают из-за знакомых моносахаридов, но крахмал и целлюлоза — полисахариды с другими свойствами. Проверяйте себя по размеру молекулы и примеру: сладкий растворимый сахар не равен любому углеводу.

Ошибка: путать липиды с жирами. Жиры — только одна группа липидов, тогда как фосфолипиды и воски тоже относятся к липидам. Для проверки перечислите несколько видов, а затем определите, является ли названное вещество жиром или более широким классом липидов.

Ошибка: называть белки структурными единицами ДНК и РНК. Белки могут связываться с ДНК и участвовать в её работе, но мономеры нуклеиновых кислот — нуклеотиды. Проверьте ответ вопросом: входит ли в состав звена азотистое основание, сахар и фосфат?

Ошибка: считать ДНК и РНК полностью одинаковыми. Они различаются сахаром, одним азотистым основанием, числом цепей и функциями. Если сомневаетесь, сравните дезоксирибозу с рибозой и тимин с урацилом.

Связь с другими темами

До изучения темы нужны знания о строении клетки, химических элементах живого организма, органических веществах, мономерах и полимерах. Это позволяет связать свойства молекул с их строением.

С белками тему объединяет понятие биополимера, но мономеры различны: белки построены из аминокислот, а нуклеиновые кислоты — из нуклеотидов. Поэтому их функции также не совпадают.

Дальше эти знания пригодятся при изучении клеточного обмена веществ, мембран, репликации ДНК, синтеза белка и наследственности. Без понимания состава ДНК и РНК трудно объяснить передачу признаков.

Что запомнить

• Моносахариды — простые углеводы, а полисахариды состоят из множества связанных мономеров.
• Углеводы выполняют энергетическую, запасную и структурную функции.
• Липиды гидрофобны, энергоёмки и входят в состав клеточных мембран.
• Нуклеотид состоит из азотистого основания, сахара и фосфатного остатка.
• ДНК хранит наследственную информацию, а РНК участвует в её реализации.
• Свойства и функции органических веществ зависят от их химического строения.
• Соединение мономеров сопровождается образованием полимера, а гидролиз разрушает полимер до более простых соединений.