Біологія 10 клас

Розділ 2 Молекулярний рівень організації живої природи

 

Тема 5. Біомолекулярний склад живого

 

§ 20. СКЛАДНІ ВУГЛЕВОДИ: ОЛІГО- І ПОЛІСАХАРИДИ

 

Терміни та поняття: олігосахариди, сахароза, мальтоза, лактоза, реакція конденсації, полісахариди, дисахариди, гомополісахариди, крохмаль, гідроліз, амілоза, амілопектин, глікоген , інулін, клітковина (целюлоза), гетерополіса- хариди, хітин, гепарин, камедь, пектини.

Які вуглеводи назвали складними. До категорії складних належать вуглеводи, утворені залишками двох і більше молекул простих вуглеводів. Загальна хімічна формула складних вуглеводів: CmH2nOn, де m > n. Складні вуглеводи — це результат реакції конденсації (пригадайте, що це за реакція), коли моносахариди сполучаються один з одним, при цьому виділяється молекула води. Теоретично процес може відбуватися нескінченне число разів, у результаті чого утворюються величезні молекули, які складаються із залишків різноманітних моносахаридів. Саме таким чином утворюються ланцюги із залишків моносахаридів, які сполучаються за допомогою глікозидних зв’язків, що зазвичай виникають між 1-м і 4-м атомами Карбону сусідніх молекул:

С6Н12О6 + С6Н12О6 = С12Н22О11 + Н2О

Складні вуглеводи поділяють на дві групи: олігосахариди (від грец. олігос — малий, незначний) і полісахариди (від грец. поліс — багато).

Олігосахариди складаються з незначної кількості залишків моносахаридів. Вони добре розчиняються у воді, у твердому стані — це кристали, які мають солодкий смак.

Тому їх ще називають цукрами.

Найбільше значення мають дисахариди, тобто вуглеводи, що складаються з двох залишків моносахаридів, серед яких у природі найбільш поширені сахароза, мальтоза і лактоза. Це структурні ізомери, які мають молекулярну формулу С12Н22О11, однак вони характеризуються різними фізичними і хімічними властивостями і виконують зовсім різні функції.

Мал. 102.Формула сахарози: а — циклічна форма; б — ланцюгова форма

 

Найвживанішим олігосахаридом є сахароза (тростинний або буряковий цукор), що складається із залишків a-D-глюкози і P-D-фруктози (мал. 102). У чистому вигляді сахароза міститься лише в рослинах, де виконує функцію транспортування молекул моносахаридів. Крім того, оскільки вона хімічно досить інертна, то відкладається про запас. (Подумайте, в яких органах рослин відбувається запасання цієї речовини.)

Рафінована (99,9 %) сахароза — одна з найбагатотоннажніших чистих органічних речовин, що виробляється промисловістю: понад 110 млн. тонн щорічно. Річний врожай цукрової тростини сягає 1 млрд. тонн та значно перевищує обсяги заготівлі будь-якої іншої сільськогосподарської культури. (Поясніть цей факт.)

Саме сахарозу використовують як стандарт при порівнянні різноманітних солодких речовин. Досвідчений дегустатор відчуває присутність сахарози у воді за малої концентрації — близько 10 ммоль/л, або 0,35 г/л. Цікаво, що бджоли у тисячі разів менш чутливі до цукру. Цей факт стає зрозумілим, якщо пригадати кількість цукрів у нектарі квітів — від 40 до 70 %, а отже бджоли просто не відволікаються на малопоживні продукти.

 

 

 

Мал. 103.Формули дисахаридів: а — мальтози; б — лактози

Крім сахарози, у тканинах рослин містяться й інші дисахариди, мальтоза (солодовий цукор), що складається з двох молекул a-D-глюкози (мал. 103, а). Мальтоза — основний структурний елемент крохмалю та глікогену.

У молоці ссавців у значній кількості міститься лактоза, до складу якої входять залишки молекул a-D-глюкози та e-D-галактози (мал. 103, б). Не слід думати, що цей дисахарид зустрічається лише в молоці ссавців. Це не так, його також знаходять в різних, на перший погляд, несподіваних і екзотичних місцях, таких, як наприклад пилкові трубки рослин.

Цікаво, що саме лактозу часто використовують у мікробіології для виготовлення поживних середовищ.

Різноманітність будови і функцій полісахаридів. Молекули вуглеводів, що складаються з сотень і тисяч залишків моносахаридів, виокремлюють в особливу групу вуглеводів — полісахариди, які належать до біологічних полімерів (біополімерів). (Пригадайте, що таке мономер і полімер.) Залишки моносахаридів у такій молекулі відіграють роль мономерів. Вони зібрані в один довгий, іноді розгалужений ланцюг. (Зверніть на цю обставину особливу увагу: інші біополімери не мають ніяких розгалужень, а являють собою лінійні молекули.) Молекулярна маса біополімерів, зокрема полісахаридів, може сягати сотень тисяч і навіть мільйонів дальтон. Тому їх ще називають біологічними макромолекулами.

 

 

Мал. 104.Формула мономерів амілози і зв’язки між ними

 

За своїми фізичними властивостями полісахариди — це речовини, які погано або зовсім не розчиняються у воді і не мають солодкого смаку. Полісахариди поділяють на дві групи: гомополісахариди (від грец. гомо — рівний) і гетерополісахариди (від грец. гетерос — різний).

Гомополісахариди мають загальну формулу (С6Н10О5)n. (Пригадайте, що називають ступенем полімеризації.) Мономерами їм слугують залишки одного і того самого моносахариду (глюкози, фруктози тощо). Вони є резервними і структурними речовинами клітини.

Крохмаль — головна резервна речовина рослинної клітини. Це з’єднані залишки a-D-глюкози. Природний крохмаль складається із залишків двох речовини: на 20 % з амілози (мал. 104) (від грец. амілон — крохмаль) і на 80 % з амілопектину (мал. 105) (від грец. амілон і пектос — желеподібний). Амілоза має чітку лінійну форму, а залишки глюкози сполучаються за допомогою 1,4-глікозидних зв’язків. Молекули амілопектину розгалужені, що викликано наявністю, крім 1,4-глікозидних зв’язків, ще й 1,6-зв’язків. Саме завдяки останнім і утворюються розгалуження. Крохмаль як резервна енергетична речовина відкладається у вигляді зерняток у клітинах листків, стебел, цибулинах, бульбах і насінинах. Співвідношення амілози й амілопектину може змінюватися. Наприклад, крохмаль яблук на 100 % складається з амілози.

 

Мал. 105.Мономери амілопектину і зв’язки між ними

 

Мал. 106.Мономери клітковини (целюлози) і зв’язки між ними

 

У кислому середовищі крохмаль вступає в реакцію гідролізу, продуктами якої є мономери. Подібний процес, зворотний до реакції конденсації, відбувається під час травлення, однак в цьому випадку розщеплення відбувається за допомогою спеціальних ферментів, що виділяються травними залозами (пригадайте, яких саме ферментів і яка залоза їх виробляє).

Крохмаль під час взаємодії з йодом утворює інтенсивне синє забарвлення (амілопектин дає червоно-фіолетове). Завдяки чому можна легко встановити наявність цієї речовини.

Глікоген, або тваринний крохмаль. Найголовніша резервна речовина тварин і грибів. Складається з 30 000 залишків a-D-глюкози, які сполучаються 1,4- та 1,6- глікозидними зв’язками. У людини найбільше глікогену міститься в клітинах печінки, дещо менше — у м’язах. Він є основним постачальником глюкози у кров. На відміну від крохмалю, глікоген складається не з двох, а з кількох типів молекул різного ступеня полімеризації. Всі типи молекул мають розгалужену форму (мал. 107)і, що характерно, їх склад залежить від того, до якого типу чи класу тварин організм належить.

Глікоген — більш аморфна, ніж крохмаль речовина, краще розчиняється у воді. З розчином йоду дає червоно-коричневе забарвлення.

При повноцінному харчуванні у печінці людини накопичується до 10 % глікогену, а за несприятливих умов його вміст може знижуватись до 0,2 % від маси печінки. (Назвіть продукти, які дозволять швидко поповнити запаси цього вуглеводу.)

Клітковина, або целюлоза. Цей полісахарид становить основу клітинної оболонки рослин. Утворений залишками a-D- і P-D-глюкози, що сполучені 1,4-глікозидними зв’язками. Має лінійну форму (мал. 106). На вигляд клітковина — це біла волокниста речовина, яка не має смаку і не розчиняється не тільки у воді, але й у багатьох інших розчинниках. Причина цього полягає в тому, що довгі ниткоподібні молекули клітковини в оболонках рослин, взаємодіючи одна з одною, утворюють фібрили, а ті в свою чергу — волоконця. Таким чином, молекули клітковини дуже щільно запаковані і відірвати одну від одної дуже складно.

 

Мал. 107.Схема будови молекули глікогену: а — глюкозний залишок (1,4-зв’язки); б — точки галуження молекули (1,6-зв’язки)

 

 

Мал. 108.Мономери інуліну і зв’язки між ними

До цього слід додати, що у травному тракті людини, так само як і у тварин, немає ферментів (виняток — жуки-короїди), здатних гідролізувати клітковину, такі ферменти є тільки у бактерій. Саме тому в шлунку жуйних тварини, що живляться виключно травою, є безліч бактерій, які й допомагають перетравити рослинну масу.

Показово, що у клітковині акумульовано близько 50 % усього Карбону біосфери.

Інулін — ще один резервний полісахарид рослин. Складається головним чином із залишків фруктози, які поєднані 1,2-глікозидними зв’язками (мал. 108).

Гетерополісахариди дуже різноманітні. Вони побудовані не тільки із залишків моносахаридів, а ще й з інших простих за складом сполук (метилового спирту, оцтової і сульфатної кислот та інших). Вони виконують захисні та структурні функції. Типовим представником цієї групи вуглеводів є хітин, який формує зовнішній скелет членистоногих і клітинні оболонки грибів. Структурною одиницею цього гетерополісахариду є складна сполука, що включає молекулу β-D-глюкози, яка через аміногрупу сполучається із залишком оцтової кислоти. Це лінійна молекула з 1,4-глікозидними зв’язками. Хітин — біла речовина, що нагадує паперову масу, не розчиняється у воді. За своєю будовою дуже схожа на целюлозу.

Гепарин — це речовина, що перешкоджає зсіданню крові у людини, до складу її мономерів, крім a-D-глюкози, входить залишок сульфатної кислоти.

Багато гетерополісахаридів побудовано із залишків D-галактози. Вони, як правило, захищають організм від зовнішніх впливів. До них належить, наприклад, камедь — прозора смолиста речовина бурштинового кольору, яка виділяється з тріщин гілок і зелених плодів вишень та абрикосів. Пектини (мал. 109) входять до складу клітинної стінки рослин і накопичуються у великій кількості в соковитих плодах. Вони здатні утворювати міцні сполуки з атомами важких металів. Цю властивість широко використовують у медицині для виведення з організму шкідливих йонів.

Мал. 109.Формула мономерів пектину, побудованих із залишків галактуронової кислоти і метилового спирту

 

Складні вуглеводи (оліго- і полісахариди) складаються із залишків моносахаридів і виконують в живих системах різноманітні функції, серед яких головними є енергетична, резервна, захисна та структурна. Різноманіття полісахаридів формується за рахунок структури мономерів, що можуть складатися лише із залишків моносахаридів, які відрізняються за типами глікозидних зв’язків та ізомерами. Гетерополімери побудовані з мономерів, до складу яких входять моносахариди, сполучені із залишками органічних і неорганічних речовин.

 





Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити