§ 21. ВУГЛЕВОДИ, ЛІПІДИ: ОГЛЯД БУДОВИ Й БІОЛОГІЧНОЇ РОЛІ
Основні поняття й ключові терміни: ВУГЛЕВОДИ. ЛІПІДИ.
Пригадайте! Що таке органічні речовини?
Вступна вправа
Перед вами структурні формули аланіну, рибози, жиру й аденілового нуклеотиду. Яка із цих формул ілюструє групу вуглеводів? Поясніть свій вибір.
Яке значення вуглеводів для обміну речовин і перетворення енергії?
ВУГЛЕВОДИ (цукри) — органічні сполуки, до складу яких входять Карбон, Гідроген та Оксиген. Їхня загальна формула — Сn(Н2nО)n, звідки й вихідна назва вуглеводів (вуглець і вода). Структура вуглеводів не закодована безпосередньо генетично, а утворюється внаслідок серії ферментативних реакцій фотосинтезу з низькомолекулярних сполук або глюконеогенезу із піровиноградної кислоти, яка є проміжною сполукою метаболізму клітин.
Вуглеводи за хімічним складом можуть бути простими і складними. Прості вуглеводи утворені відповідно до загальної формули Сn(Н2О)n. Складні вуглеводи утворюються внаслідок взаємодії молекул простих вуглеводів між собою.
Вуглеводи здатні до безкисневого й кисневого розщеплення, що зумовлює їх провідну енергетичну функцію в метаболізмі живого (глюкоза, фруктоза). Понад 2 /3 енергетичних потреб організму забезпечується завдяки використанню вуглеводів. Структурну функцію виконують нерозчинні й стійкі вуглеводи клітинних оболонок грибів (хітин), рослин (целюлоза), бактерій (муреїн), прості вуглеводи слугують «будівельними блоками» для утворення нуклеотидів (рибоза і дезоксирибоза), оліго- чи полісахаридів (глюкоза, галактоза). Резервна функція вуглеводів полягає в запасанні крохмалю в зелених рослин й водоростей. Основною формою запасання глюкози в клітинах тварин, більшості грибів, багатьох бактерій та архей є глікоген, що має компактну розгалужену структуру (іл. 58). Зв’язування й видалення з організму людини радіонуклідів за участі пектинів ілюструє захисну функцію вуглеводів.
Іл. 58. Схема молекули глікогену
Отже, вуглеводи в обміні речовин спеціалізуються на виконанні енергетичної, структурної, резервної та захисної функцій.
Які особливості будови й роль ліпідів у метаболізмі?
ЛІПІДИ (від грец. ліпос — жир) — це різноманітні за хімічним складом біоорганічні сполуки живого, спільною ознакою яких є їхня неполярність, через що вони розчиняються лише в неполярних розчинниках. Молекули ліпідів можуть містити залишки спиртів, жирних кислот, сульфатної кислоти, вуглеводів, білків та ін. Властивості багатьох ліпідів значною мірою визначаються насиченими (не мають подвійних зв’язків) жирними кислотами (іл. 59). Більшість ліпідів (воски, жири) характеризуються нерозчинністю у воді (гідрофобністю) та розчинністю в неполярних розчинниках: естерах, ацетоні, хлороформі, бензені та ін. Такі властивості зумовлені відсутністю полярних груп у їхніх молекулах. Інші групи ліпідів (фосфоліпіди, гліколіпіди) виявляють подвійні амфіфільні властивості, тому що містять полярні (гідрофільні головки ортофосфатної кислоти чи спирту) і неполярні (ланцюжок жирної кислоти) групи (іл. 60).
Іл. 59. Пальмітинова кислота (С15Н31СООН) — насичена жирна кислота
Іл. 60. Будова молекули фосфоліпіду
За структурними особливостями ліпіди класифікують на прості й складні. Прості ліпіди є похідними жирних кислот і спиртів. Найвідоміші з них — воски (бджолиний віск, спермацет, ланолін, суберин, кутин) й жири (рослинні — соняшникова, трояндова олії, масло какао; тваринні — китовий жир, свинячий жир, риб’ячий жир). Основними функціями восків є захисна, а жирів — енергетична, резервна, водоутворювальна. Біологічне значення простих ліпідів зумовлене тим, що серед них є такі необхідні для життя речовини, як ненасичені жирні кислоти, жиророзчинні вітаміни, фосфоліпіди, стерини.
Складні ліпіди окрім ліпідної частини містять й інші речовини. У ліпопротеїнів такими сполуками є білки, у фосфоліпідів — залишок ортофосфатної кислоти, у гліколіпідів — вуглеводи. Ці сполуки виконують здебільшого структурну функцію. До ліпідів відносять й жироподібні сполуки (ліпоїди), що є їхніми попередниками або похідними. Більшість із них здійснюють в організмі регуляторну функцію. Прикладом подібних речовин є стероїди (холестерин, жовчні кислоти, статеві гормони та гормони надниркових залоз — кортикостероїди). До жироподібних сполук належать жиророзчинні вітаміни А, D, Е і K.
Отже, ліпіди в біосистемах здійснюють енергетичну, структурну, захисну, регуляторну, водоутворювальну, резервну функції.
У чому суть ієрархії молекулярного рівня організації життя?
Ієрархія молекулярного рівня організації життя — порядок підпорядкованості простих хімічних структурних елементів й молекул складнішим. Стаючи частиною складнішого цілого, прості структури втрачають свою індивідуальність, проте нове ціле набуває нових властивостей.
Для молекулярного рівня організації життя характерна певна ієрархія біомолекул, що входять до його складу (іл. 61). Усі біоорганічні речовини походять від дуже простих низькомолекулярних попередників, що надходять у біосистеми із навколишнього середовища: СО2, Н2О, N2. У живому, взаємодіючи між собою, вони утворюють проміжні сполуки (наприклад, ацетати, кетокислоти), які й утворюють прості органічні речовини, або малі біомолекули. Це передусім чотири класи молекул — жирні кислоти, моносахариди, амінокислоти та нуклеотиди. Їх називають будівельними блоками, оскільки з них утворюються молекули наступного ієрархічного підрівня. Розміри, форма і хімічні властивості біомолекул дають їм змогу не тільки слугувати будівельними блоками при створенні складної структури клітин, а й брати участь у безперервних процесах перетворення речовини і енергії. Прості біомолекули сполучаються між собою різноманітними ковалентними зв’язками, утворюючи макромолекули (білки, полісахариди і нуклеїнові кислоти) та молекулярні комплекси (ліпіди).
Іл. 61. Схема ієрархії молекулярного рівня організації життя
Великі молекули можуть сполучатися між собою за допомогою нековалентних взаємодій у надмолекулярні комплекси, або молекулярні ансамблі. Це рибосоми (комплекси рРНК і білків), хроматин (ДНК й білки), ферментні комплекси (білкова й небілкова частини складних ферментів) та ін. Надмолекулярні комплекси об’єднуються в клітинні структури: мембрани, ядро, мітохондрії тощо. А вже ці структурні компоненти визначають форму, розміри й функції клітин.
Отже, для молекулярного рівня організації життя характерна певна структурна ієрархія: хімічні елементи — прості та складні неорганічні сполуки — проміжні сполуки — малі біомолекули — великі біомолекули — надмолекулярні комплекси — органели — клітина.
Завдання на порівняння
За допомогою таблиці порівняйте вуглеводи й ліпіди. Зробіть висновок про енергетичне й пластичне значення вуглеводів й ліпідів у метаболізмі.
§ 32. Біологічне значення хімічних елементів
Неметалічні елементи і живі організми. Основу всіх живих організмів становлять вода і органічні речовини, насамперед білки, жири, вуглеводи, нуклеїнові кислоти. Молекули води містять атоми Гідрогену й Оксигену, молекули жирів і вуглеводів — атоми Карбону, Гідрогену й Оксигену, а білків і нуклеїнових кислот — ще й атоми Нітрогену, Сульфуру, Фосфору. Ці шість хімічних елементів називають «органогенами». Сума їх масових часток у живих організмах може сягати 97—98 % (табл. 12).
Вміст деяких хімічних елементів у рослинах і організмах тварин (за О. П. Виноградовим*)
Середня масова частка, %
в організмах тварин
* О. П. Виноградов (1895—1975) — відомий учений-геохімік.
Відомості, наведені в таблиці 12, свідчать про те, що розподіл елементів у рослинах і організмах тварин дуже схожий.
У § 29 йшлося про елементи, яких потребують рослини для свого розвитку. Ви дізналися, що розрізняють макро- та мікроелементи. Макроелементи необхідні рослинам у значно більшій кількості; вони містяться в мінеральних добривах. Серед трьох макроелементів два неметалічних — Нітроген і Фосфор, а серед мікроелементів — Бор, Хлор. Сульфур за його потребою для рослин «перебуває» між цими двома групами елементів.
Більшість неметалічних елементів засвоюється рослинами із ґрунтового розчину в складі оксигеновмісних аніонів — NO – 3, НРО 2- 4, Н2РО – 4, SO 2- 4, а Нітроген — ще й у складі катіонів ΝΗ + 4. Карбон потрапляє в рослини завдяки поглинанню вуглекислого газу під час фотосинтезу, Гідроген — переважно з молекулами води, Оксиген — з молекулами вуглекислого газу і води.
Для організмів тварин і людини важливі майже всі згадані неметалічні елементи, а також деякі інші. Атоми Сульфуру є в білках. Йони Сl – містяться в біологічних рідинах, зокрема в шлунковому соку, крові. Йони РО 3- 4 наявні в сполуці Са5(РО4)3ОН, a PO 3- 4 і F – — в сполуці Ca5(PO4)3F; обидві речовини є неорганічною основою кісток, зубів. Для зміцнення зубної емалі в пасту вносять добавки сполук Флуору. Певна кількість Йоду в організмі людини забезпечує нормальне функціонування щитовидної залози. За дуже малого вмісту цього елементу в природній воді рекомендують використовувати в харчуванні йодовану кухонну сіль (мал. 92); у ній є домішка солі КІ або КІО3, масова частка якої становить від 0,001 до 0,01 %.
Мал. 92. Йодована кухонна сіль
Металічні елементи і живі організми. Металічні елементи містяться в живих організмах у значно меншій кількості, ніж неметалічні, але в більшому «асортименті».
Калій — один із трьох макроелементів для рослин. Йони Натрію і Калію є в усіх клітинах, а йони Магнію входять до складу хлорофілу — сполуки, яка регулює процес фотосинтезу. Серед мікроелементів — Цинк, Манган, Ферум, Нікель, Купрум, Молібден, деякі інші. Рослини засвоюють металічні елементи, як правило, у формі катіонів — К + , Mg 2+ , Zn 2+ тощо.
В організмах тварин і людини міститься більше металічних елементів, ніж у рослинах. Катіони Fe 2+ забезпечують перенесення кисню гемоглобіном в організмі. Кальцій є в кістках, зубах, яєчній шкаралупі, черепашках. Катіони Са 2+ у крові зумовлюють її згортання при порізах або травмах. Баланс йонів Na + і К + важливий для роботи серця, функціонування м’язів, процесів обміну речовин. Металічні мікроелементи містяться в різних ферментах.
Потреба організму в Кальції задовольняється переважно за рахунок молока і молочних продуктів. Для поповнення організму Натрієм потрібно щодня споживати з їжею 3—4 г солі. Найбільше Калію міститься в бобах, куразі, винограді, а Феруму — в яблуках, гречці, буряку, зелених овочах.
Для організму людини виділяють 15 елементів, які називають «життєво необхідними». Серед них — 10 металічних елементів (Na, К, Mg, Са, Fe, Zn, Μn, Cu, Co, Mo) і 5 неметалічних (P, S, Cl, I, Se). Ці елементи постійно перебувають в організмі в певній кількості — істотній або досить малій.
Слід зважити на те, що не лише нестача, а й надлишок певного елемента в організмі може негативно вплинути на його розвиток.
Усі живі організми складаються здебільшого з органічних речовин і води. В них переважають неметалічні елементи — Карбон, Гідроген, Оксиген, Нітроген, Сульфур і Фосфор. Це — елементи-органогени.
Неметалічні елементи надходять у живі організми у складі аніонів, а металічні — у формі катіонів.
Кожний макро- чи мікроелемент виконує одну або кілька важливих функцій у живому організмі.
- 255. Чому, на вашу думку, Силіцій посідає друге місце за поширеністю в літосфері, а в рослинах, організмах тварин і людини цього елемента дуже мало?
- 256. Які хімічні перетворення нітрогеновмісних органічних сполук відбуваються в організмі людини?
- 257. За матеріалами з інтернету та інших джерел інформації підготуйте повідомлення:
а) про вплив нестачі Нітрогену в ґрунті на розвиток овочевих культур;
б) про вміст мікроелементів у харчових продуктах — дарах морів і океанів.
- 258. Використовуючи наведені в таблиці 12 відомості з поширеності Карбону і Гідрогену в рослинах, визначте, атомів якого елемента в рослинах більше й у скільки разів.
- 259. За масовими частками Калію і Натрію в організмах тварин (табл. 12) визначте, скільки йонів К + припадає в них на кожні 10 йонів Na + .
- 260. Масова частка Кальцію в організмі людини становить 1,5 %. Які маса і кількість речовини цього елемента містяться у вашому організмі?