Підручник Біологія 9 клас - С. В. Межжерін - Підручники і посібники 2017

ТЕМА 1. ХІМІЧНИЙ СКЛАД КЛІТИНИ ТА БІОЛОГІЧНІ МОЛЕКУЛИ

§ 3. Прості органічні речовини клітини. Ліпіди - органічні сполуки, що не розчиняються у воді

Терміни й поняття: біомолекули, високомолекулярні сполуки, ліпіди, .жири, емульсія, жироподібні речовини, воски, стероїди, холестерин.

Особливості будови молекул органічних речовин. У сучасній хімії органічними речовинами називають усі сполуки, до складу яких входить хімічний елемент Карбон (виняток: карбіди, карбонатна кислота, карбонати, оксиди Карбону та ціаніди). Крім невід'ємних для всіх органічних сполук Карбону й Гідрогену, в них майже завжди наявний Оксиген, рідше — Нітроген. До складу органічних сполук можуть входити такі неметали, як Фосфор (доволі часто) та Сульфур (значно рідше). Також можуть міститися ще й іони металів (Fе2+, Сu2+, Mg2+). а також різноманітні залишки мінеральних сполук (частіше за все це похідні ортофосфатної кислоти).

Свою назву органічні речовини отримали тому, що спочатку вчені вважали: живі організми й неживі тіла побудовані з різних сполук, а отже, речовини, властиві живим організмам, можна отримати лише від живого. І лише коли з амоніаку (NН3) та карбон(ІV) оксиду (СO2) було синтезовано органічну сполуку — сечовину (СН4N2О), стало очевидно: речовини, які виділяють живі організми, за своїм складом не відрізняються від хімічних сполук неживих тіл.

Іл. 3.1. Схема ковалентного зв 'язку

Нині відомо понад 3 млн органічних сполук. Частину з них виділено з живих організмів, однак значно більше синтезовано в лабораторіях, а найпростіші органічні сполуки (вуглеводні) входять до складу нафти й газу.

У чому полягають особливості будови органічних сполук? Атоми в них сполучаються ковалентними зв'язками, основою яких слугує перекриття зовнішніх орбіталей різних атомів (іл. 3.1). Це найміцніший тип хімічного зв'язку. Він виникає внаслідок усуспільнення електронів різних атомів, що спричиняє їх зв'язування в одну молекулу. Таким чином, пара електронів одночасно належить двом сусіднім атомам.

Особливо міцні ковалентні зв'язки утворюються між атомами Оксигену, Карбону, Гідрогену й Нітрогену, які становлять 98 % маси клітини. Із чим це пов'язане? Пояснення таке: що легші атоми елементів, то міцніші між ними ковалентні зв'язки, а згадані елементи є найлегшими з хімічних елементів, здатних утворювати ковалентні зв'язки.

Типовий приклад сполуки з ковалентними зв'язками — вода, у якої два електрони двох атомів Гідрогену усуспільнені з двома електронами зовнішньої орбіталі атома Оксигену.

Ланцюги з атомів Карбону утворюють скелет органічної молекули (іл. 3.2).

Біомолекули. Усі органічні речовини, що синтезуються живими організмами і є постійними складовими клітин, називають біологічними молекулами.

Саме з простих органічних сполук: спиртів, альдегідів, кетонів, карбонових кислот, амінів, що синтезуються в клітинах, — урешті-решт утворюються величезні молекули, які ще називають високомолекулярними сполуками. З таких величезних молекул будуються клітини.

Органічні речовини можуть становити близько 15 % маси клітини. Усього виокремлюють чотири групи органічних сполук, що неодмінно входять до складу клітини будь-якого організму: ліпіди, вуглеводи, білки та нуклеїнові кислоти (табл. 1).

Іл. 3.2. Карбонові ланцюги: а) — нерозгалужений; б) —розгалужений

Таблиця 1.

Співвідношення основних хімічних сполуку клітині

Речовина

Концентрація за масою, %

Вода

85,0

Білки

10,0

Нуклеїнові кислоти

1,1

Ліпіди

2,0

Вуглеводи

0,4

Мінеральні солі

1,5

Ліпіди. До складу кожної клітини живого організму входять ліпіди (від грец. ліпос — жир), що за хімічною структурою є сполуками жирних кислот і різноманітних багатоатомних спиртів. Крім них, до цієї групи органічних речовин включають ще деякі сполуки, нерозчинні у воді. Ліпіди поділяють на жири та жироподібні речовини.

Будова жирів. Це складні естери триатомного спирту гліцерину з високо- молекулярними жирними кислотами. До складу жирів входять лише три елементи: Карбон, Гідроген та Оксиген. Молекули жирів належать до неполярних сполук і тому не розчиняються у воді. Їх називають гідрофобними (від грец. гідро — вода і фобос — страх), на відмін від гідрофільних (від грец. гідро — вода і філео — люблю). Усі карбонові кислоти, що утворюють жири, мають парну кількість атомів Карбону. Наприклад, у твердих тваринних жирах, які називають салом, містяться пальмітинова (С16Н32О2 і стеаринова (С18Н36О2) кислоти (іл. 3.3).

Жири, які мають за кімнатної температури рідку консистенцію і позначаються терміном олія, утворюються за участі багатоатомних кислот з подвійним зв'язком між атомами Карбону. Найпоширенішою ненасиченою кислотою є олеїнова кислота (С18Н34О2) (іл. 3.3), що входить до складу рідких жирів рослин, риб та морських ссавців.

Іл. 3.3. Схеми будови молекул пальмітинової (а), стеаринової (б) та олеїнової (в) кислот

Жири не розчинюються у воді, але під час збовтування здатні утворювати емульсії (від лат. емульсує — той, якого видоїли) — суміші, що складаються з води й дуже дрібних і непомітних для ока крапельок жиру. Типовою біологічною емульсію є молоко.

Функції жирів.

• Жири виконують передусім структурну функцію, вони є обов'язковим компонентом плазматичної мембрани та оболонки клітинного ядра; входять до складу нервових волокон, виконуючи одночасно й електроізоляційну функцію (утворюють мієлін — речовину, що створює оболонку нейронів).

• Жири — важливе джерело енергії. Більше половини енергії, яку виробляють клітини в стані спокою, становить енергія, що виділяється під час окиснення жирів. Значна кількість жирів міститься в молоці.

• Жири — це енергетичний резерв організму. У процесі окиснення 1 г жиру до води й вуглекислого газу виділяється 38,9 кДж енергії, що удвічі більше, ніж під час окиснення будь-яких інших речовин клітини. Завдяки тому, що жири енергетично найвигідніші сполуки, вони є основними речовинами клітини, які організми зберігають у запас. Саме тому в рослин найбільше жирів міститься у плодах та насінні. Жири накопичуються і в клітинах тварин, зокрема їх багато в підшкірно-жировій клітковині людини (іл. 3.4).

Іл. 3.4. Будова шкіри людини: 1 — епідерміс; 2 — дерма; З — підшкірно-жирова клітковина

• Жири погано проводять тепло. Тому, відкладаючись у теплокровних хребетних тварин у вигляді підшкірного жиру, вони також виконують і терморегулювальну функцію. Наприклад, у синього кита, найбільшої тварини, що живе на Землі (іл. 3.5), підшкірний шар жиру становить близько півметра.

Іл. 3.5 Синій кит

• Жири є мастильним та гідрофобним матеріалом, який захищає шкіру ссавців і пір'я птахів від намокання та пересихання.

Іл. 3.6. Двогорбий верблюд

• Особливу функцію жири виконують у верблюда (іл. 3.6). Усі знають, що у верблюда запаси жиру відкладаються у вигляді горбів на спині. Учені пояснюють це тим, що за умови рівномірного розподілу великого об'єму жиру по всьому тілу організм у спеку перегріватиметься. Тоді виникає питання: навіщо верблюдові потрібна така кількість жиру?

Виявляється, що жир — це джерело води, адже під час окиснення жирів утворюється вода, яку і використовує організм, а тому верблюди можуть не пити багато днів за температури повітря +40 °С.

Жироподібні речовини. Жироподібні речовини — це більш складні й більш різноманітні за структурою та функціями сполуки, ніж жири. До їх складу не входять молекули гліцерину. Молекули жироподібних речовин можуть складатися не лише з атомів Карбону, Оксисену, Гідрогену, а й інших атомів, наприклад, Сульфуру. Ці речовини також нерозчинні або слаборозчинні у воді.

Основне призначення жироподібних речовин — їх участь в утворенні клітинної мембрани. Вони також відіграють важливу роль у передачі клітинного сигналу, можуть бути регуляторами процесів, що відбуваються всередині клітини; слугують молекулярною основою багатьох гормонів; беруть участь в імунних реакціях.

Незамінними компонентами клітинних мембран рослинних і тваринних клітин є фосфоліпіди. Одна частина молекули фосфоліпідів, що представлена залишками жирних кислот, — гідрофобна, а інша, що є залишком ортофосфатної кислоти, — гідрофільна.

Воски — це особлива група жироподібних речовин, які, як і жири, складаються лише з трьох хімічних елементів. На відміну від жирів вони є сполуками багатоатомних жирних кислот з одноатомними спиртами. Наприклад, бджолиний віск, який у бджіл і джмелів продукується в спеціальних залозах, — це сполука висо- комолекулярного спирту (С30Н61ОН) і пальмітинової кислоти. Воски мають водовідштовхувальну властивість, тому в бджіл вони вкривають тіло, а в рослин — поверхню листків.

Окрему групу ліпідів утворюють стероїди, до складу яких жирні кислоти не входять, а їхньою основою є чотири циклічні сполуки Карбону. Найважливішим стероїдом організму тварин вважають холестерин (С27Н46О). Це високомолекулярний спирт, який є складовою клітинних мембран та основою для синтезу вітаміну D, а також гормонів надниркової та статевих залоз.

Органічні сполуки — це різноманітні сполуки Карбону, які можуть утворюватися в організмі або в лабораторних умовах із простих неорганічних сполук. Молекули органічних речовин, що утворюються в клітинах, називають біомолекулами.

Ліпіди — це гідрофобні сполуки ефірної природи. Вони нерозчинні у воді і є неодмінними компонентами клітин. Ліпіди виконують переважно енергетичну функцію та як найбільш енергоємні хімічні сполуки відкладаються в запас. Жироподібні речовини — це більш різноманітна за структурою і функціями група органічних речовин. Вони є невід’ємними компонентами клітинних мембран. Стероїди — особлива група органічних речовин, яка за фізичними властивостями близька до ліпідів. Найбільш відомий представник цієї групи — холестерин — є молекулярною основою гормонів і вітамінів.

1. Що таке біологічні молекули? 2. Назвіть головні типи біологічних молекул. 3. Чим жири відрізняються від жироподібних речовин? 4. Які функції жирів у клітині? 5. Яку будову мають молекули восків і в чому полягає їх функціональне призначення у тварин і рослин? 6. Які речовини називають стероїдами та в чому полягає їх функція?

· Чому в морських ссавців, на відміну від наземних, жири складаються з ненасичених кислот?

· Чому птахи перед сезонними перельотами насамперед накопичують жири?





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