Органические вещества клетки — углеводы и липиды

Углеводы — органические вещества, состоящие из углерода, водорода и кислорода. Разделяются на три группы. Моносахариды — простые углеводы, не гидролизуются до более простых: глюкоза, фруктоза, галактоза, рибоза, дезоксирибоза. Дисахариды — состоят из двух моносахаридов, соединённых гликозидной связью: сахароза, лактоза, мальтоза. Полисахариды — состоят из многих сотен или тысяч моносахаридных единиц: крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Чем больше молекула углевода, тем хуже она растворяется в воде и тем дольше расщепляется.

Глюкоза — моносахарид с шестью атомами углерода (гексоза), формула которой состоит из шести атомов углерода, двенадцати водорода и шести кислорода. Это главный источник энергии для клеток: при полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 38 молекул АТФ. Глюкоза — мономер крахмала, гликогена и целлюлозы. Она свободно растворяется в воде, поэтому легко транспортируется кровью. Нормальный уровень глюкозы в крови человека — от 3,5 до 5,5 миллимоль на литр. Внимание! На ЕГЭ задают вопросы о роли глюкозы как источника энергии и мономера полисахаридов — знай оба аспекта.

Рибоза и дезоксирибоза — пятиуглеродные моносахариды (пентозы). Рибоза содержит гидроксильную группу при втором углероде. Дезоксирибоза содержит при том же втором углероде только водород (то есть лишена одного атома кислорода — отсюда и название «дезокси», что значит «лишённая кислорода»). Рибоза входит в состав РНК и АТФ. Дезоксирибоза входит в состав ДНК. Это одно из ключевых структурных различий между ДНК и РНК, которое проверяется на каждом ЕГЭ.

Сахароза — дисахарид из глюкозы и фруктозы. Это обычный сахар, который мы используем в пище. Содержится в сахарном тростнике и сахарной свёкле. При гидролизе (расщеплении в кишечнике) распадается на глюкозу и фруктозу. Лактоза — молочный сахар, состоит из глюкозы и галактозы. Содержится в молоке всех млекопитающих. Для расщепления лактозы нужен фермент лактаза; при его недостатке развивается лактозная непереносимость. Мальтоза — солодовый сахар, состоит из двух молекул глюкозы. Образуется при расщеплении крахмала амилазой.

Крахмал и гликоген — оба полисахариды, состоящие из остатков глюкозы, и оба выполняют запасающую функцию. Главное отличие — в том, у кого они образуются. Крахмал — запасной полисахарид растений и водорослей. Гликоген — запасной полисахарид животных и грибов. Кроме того, различается строение молекул: гликоген более разветвлён, что позволяет быстрее расщеплять его при высокой потребности в энергии. В организме человека гликоген накапливается в печени (регулирует уровень глюкозы в крови) и мышцах (используется при работе мышц). Внимание! Крахмал — у растений; гликоген — у животных и грибов. Это классическая ловушка ЕГЭ.

Целлюлоза, или клетчатка — полисахарид, образующий клеточную стенку растений. Как и крахмал, состоит из остатков глюкозы, но соединённых другим типом гликозидной связи (бета-1,4-гликозидной). Именно этот тип связи не может расщепить фермент амилаза, которая есть у человека. Поэтому человек не переваривает целлюлозу. Однако клетчатка важна для пищеварения: она стимулирует перистальтику кишечника, задерживает воду, служит питательной средой для полезных бактерий кишечника. Некоторые микроорганизмы (бактерии в рубце жвачных) выделяют фермент целлюлазу и расщепляют целлюлозу — поэтому корова может переваривать траву.

Хитин — структурный полисахарид, мономером которого является N-ацетилглюкозамин (модифицированная глюкоза). Выполняет опорную и защитную функции. У грибов хитин образует клеточную стенку. У членистоногих (насекомых, ракообразных, паукообразных) хитин образует наружный скелет — кутикулу: прочную и лёгкую защитную оболочку. Хитин не растворяется в воде и устойчив к большинству химических реагентов — именно поэтому он такой прочный. Внимание! Клеточная стенка растений — из целлюлозы. Клеточная стенка грибов — из хитина. Клеточная стенка бактерий — из муреина. Запомни все три!

Энергетическая функция — главная. При полном окислении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии. Углеводы расходуются первыми при нехватке энергии. Структурная функция: целлюлоза образует клеточные стенки растений; хитин — клеточные стенки грибов и наружный скелет членистоногих. Запасающая функция: крахмал у растений и гликоген у животных — запасы глюкозы на случай нехватки питания. Защитная функция: слизи (гликопротеины и гликолипиды) защищают поверхности клеток. Рецепторная функция: углеводные цепи гликокаликса (углеводного слоя на поверхности клеточной мембраны) участвуют в распознавании клеток и межклеточных взаимодействиях.

Липиды — группа гидрофобных органических веществ, нерастворимых в воде, но растворимых в органических растворителях (эфире, ацетоне). Это не полимеры, а сборная группа разных молекул с общим свойством — гидрофобностью. Классификация: жиры (триглицериды) — сложные эфиры глицерина и жирных кислот; фосфолипиды — похожи на жиры, но одна жирная кислота заменена фосфатной группой с азотным основанием; стероиды — молекулы на основе четырёх углеродных колец: холестерин, половые гормоны, кортикостероиды; воска — сложные эфиры высших спиртов и жирных кислот; жирорастворимые витамины — A, D, E, K.

Энергетическая функция — при распаде 1 г жира выделяется 38,9 кДж, это вдвое больше, чем у белков и углеводов. Жиры — самый концентрированный источник энергии. Структурная функция: фосфолипиды образуют билипидный слой клеточной мембраны — основу всех биологических мембран. Защитная функция: подкожный жир защищает внутренние органы от механических повреждений; жировая ткань вокруг почек и глазных яблок амортизирует удары. Терморегуляторная функция: подкожный жир плохо проводит тепло и сохраняет тепло тела. Запасающая функция: жиры — долгосрочный энергетический запас. Гормональная функция: стероидные гормоны (эстроген, тестостерон, кортизол) синтезируются из холестерина. Источник метаболической воды: при окислении 1 г жира образуется около 1,1 г воды — именно это позволяет верблюду долго обходиться без воды.

Фосфолипид — молекула, состоящая из двух жирных кислотных «хвостов» (гидрофобных) и фосфатной «головы» с азотным основанием (гидрофильной). Молекула фосфолипида амфифильна: одна часть притягивается к воде, другая — отталкивается от неё. В водной среде фосфолипиды самопроизвольно образуют двойной слой: гидрофильные головы обращены наружу (к воде), гидрофобные хвосты — внутрь. Именно такой бислой и составляет основу клеточной мембраны. Это обеспечивает избирательную проницаемость мембраны: гидрофобные молекулы (кислород, углекислый газ, спирты) легко проходят через мембрану; заряженные ионы — не могут, им нужны белковые каналы.

Насыщенные жирные кислоты — содержат только одинарные связи между атомами углерода. Они твёрдые при комнатной температуре (животные жиры: сало, сливочное масло). Избыток насыщенных жиров в питании повышает уровень холестерина в крови. Ненасыщенные жирные кислоты — содержат одну или несколько двойных связей. Они жидкие при комнатной температуре (растительные масла). Полиненасыщенные жирные кислоты (омега-3, омега-6) необходимы для здоровья и не синтезируются организмом человека. Мембраны клеток, богатые ненасыщенными жирными кислотами, более текучи и гибки при низких температурах.

Холестерин — стероид, основной представитель липидов клеточных мембран животных. Входит в состав клеточной мембраны и регулирует её текучесть. При высоком содержании холестерина мембрана становится менее текучей и более жёсткой; при низком — более текучей. Является предшественником для синтеза: половых гормонов (эстрогена, тестостерона, прогестерона); гормонов надпочечников (кортизола, альдостерона); витамина D; желчных кислот, необходимых для переваривания жиров. Внимание! Холестерин необходим организму, но его избыток в крови откладывается на стенках сосудов в виде атеросклеротических бляшек и повышает риск инфаркта и инсульта.

При окислении 1 г жира выделяется 38,9 кДж энергии. При окислении 1 г белка или углеводов — по 17,6 кДж. Жиры в 2,2 раза энергетически богаче, чем белки и углеводы. Это объясняется тем, что в жирах больше водорода и меньше кислорода на единицу массы. Однако важно помнить, что первым организм расходует не жир, а углеводы (прежде всего глюкозу). Жиры расходуются только после истощения запасов гликогена. Белки как источник энергии используются в последнюю очередь — при крайнем истощении организма. Внимание! Жиры выделяют БОЛЬШЕ энергии, но расходуются ПОЗЖЕ, чем углеводы. Это часто проверяют на ЕГЭ.

Внимание! Первая ошибка — путать крахмал (у растений) и гликоген (у животных и грибов). Вторая ошибка — считать, что углеводы дают больше энергии, чем жиры. Всё наоборот: жиры дают 38,9 кДж/г, углеводы — только 17,6 кДж/г. Третья ошибка — думать, что жиры в организме расходуются раньше углеводов. Нет: сначала расходуются углеводы (глюкоза, гликоген), потом жиры, и лишь в крайнем случае — белки. Четвёртая ошибка — считать, что целлюлоза не нужна организму, раз он её не переваривает. Клетчатка необходима для нормальной работы кишечника.