Основні хімічні компоненти живих організмів. Ліпіди

Відео: Роль хімічних елементів в організмі людини

Наступним важливим класом біомолекул є ліпіди.

Ліпіди - це група органічних сполук, що містять довголанцюгові вуглеводневі радикали і складноефірні угруповання, нерозчинні у воді і добре розчинні в органічних розчинниках (бензині, діетиловому ефірі, хлороформі та ін.). Ліпіди широко поширені в природі, вони є обов`язковим компонентом кожної клітини.

За хімічною будовою ліпіди відрізняються великою різноманітністю. Їх молекули побудовані з різних структурних компонентів, до складу яких входять спирти і високомолекулярні кислоти. До складу окремих груп ліпідів можуть входити залишки фосфорної кислоти, вуглеводів, азотистих основ і інші компоненти, пов`язані між собою різними зв`язками.

Ліпіди діляться на прості і складні. Молекули простих ліпідів містять тільки атоми С, О, Н і не містять атомів N, Р, S. До них відносять похідні одноатомних (вищих, з 12 ... 22 атомами С) карбонових кислот та одно- і багатоатомних спиртів (в першу чергу , трехатомного спирту - гліцерину). Найбільш важливими і поширеними представниками простих ліпідів є повні складні ефіри гліцерину і високомолекулярних карбонових кислот (тригліцериди). Тригліцериди є рідинами або тверді речовини з низькими (до 40 ° С) температурами плавлення і досить високими температурами кипіння, з підвищеною в`язкістю, без кольору і запаху.
Вони складають основну масу ліпідів (до 96%) і саме їх називають маслом та жирами. Моно- і дигліцериди зустрічаються в природі лише як сполуки, що утворюються в процесі обміну речовин.

Оскільки гліцерин є обов`язковою структурною складовою всіх жирів, властивості конкретних гліцеридів визначаються складом жирних кислот, що беруть участь в побудові їх молекул і положенням, яке займають залишки цих кислот в молекулах гліцеридів. Найбільш поширені кислоти, що входять до складу жирів, є нерозгалужені вуглець-вуглецеві ланцюги з парним числом атомів С (жирні кислоти).

Стеаринова і пальмітинова кислоти входять до складу практично всіх природних масел і жирів, ерукова кислота входить до складу ріпакової олії. До складу більшості найбільш поширених масел входять ненасичені кислоти, що містять 1-3 подвійні зв`язку, - олеїнова, лінолева, ліноленова. Арахідонова кислота, яка містить 4 подвійні зв`язки, присутній в жирі тварин. Ненасичені кислоти природних масел і жирів, як правило, мають цис-конфігурацію, тобто заступники розташовані по одну сторону площині подвійного зв`язку.

До групи простих ліпідів входять також воски. Це складні ефіри високомолекулярних одноосновних карбонових кислот і одноосновних високомолекулярних спиртів. Воски широко поширені в природі, вони покривають тонким шаром листя, стебла, плоди рослин, оберігаючи їх від змочування водою, висихання, дії мікроорганізмів.

Складні ліпіди, крім атомів С, О, Н містять атоми N, Р, S. Найбільш важлива і поширена група складних ліпідів - фосфоліпіди (фосфатиди). Їх молекула побудована із залишків спиртів, високомолекулярних жирних кислот, фосфорної кислоти, азотистих основ, найчастіше холіну: HO-CH2-CH2-N (OH) (CH2) 3 і етаноламіну: HO (CH2) 2NH2, амінокислот та ін.

По функціях, які виконують ліпіди в організмі, їх підрозділяють на дві групи: запасні і структурні.
Запасні ліпіди, в основному гліцериди, мають високу калорійність, є енергетичним резервом організму.

Структурні ліпіди (в першу чергу, фосфатиди) утворюють складні комплекси з білками, вуглеводами і беруть участь в різноманітних процесах, що протікають в клітинах.

Хімічні реакції, в яких беруть участь гліцериди, що становлять основну масу масел і жирів, дуже різноманітні. До них відносяться гідроліз, окислення, обмін залишків жирних кислот, що входять в їх молекули (переетерифікація), гідрування ненасичених гліцеридів.

Третім найважливішим класом сполук, що входять до складу живих організмів, є вуглеводи. У рослинах на їх довго доводиться до 90% сухої речовини. У клітинах живих організмів вуглеводи є джерелом енергії. Вони грають роль опорного скелетного матеріалу у рослин і деяких тварин і виступають в якості регуляторів ряду найважливіших біохімічних реакцій. У поєднанні з білками і ліпідами вуглеводи утворюють складні високомолекулярні комплекси, що становлять основу живої матерії. Вони входять до складу природних біополімерів - нуклеїнових кислот, які беруть участь в передачі спадкової інформації.


Вуглеводи утворюються в рослинах в ході фотосинтезу під дією сонячних променів і є першими органічними речовинами в кругообігу вуглецю в природі.

Всі вуглеводи ділять на прості і складні. До простих (моносахариди, монози) відносять вуглеводи, які не здатні гідролізувати з утворенням більш простих з`єднань. Їх загальна формула СnН2nОn, причому число атомів С дорівнює кількості атомів О. До складних вуглеводів відносять з`єднання, здатні гідролізувати з утворенням більш простих і низькомолекулярних продуктів. У них число атомів С не дорівнює кількості атомів О. Складні вуглеводи дуже різноманітні за складом, молекулярною масою, а, отже, і за властивостями.

Їх ділять на 2 групи:
1. низькомолекулярні (сахароподобние, або олігосахариди);
2. високомолекулярні (несахароподобние полісахариди) - з`єднання з великою молекулярною масою, до складу яких можуть входити залишки тисяч простих вуглеводів. Їх також можна розділити на дві групи, в яких ланцюги побудовані з однакових (крохмаль, глікоген, целюлоза) і різних моноз (геміцелюлози, пектини).

Молекули простих вуглеводів - моноз побудовані з нерозгалужених вуглець-вуглецевих ланцюгів, що містять різну кількість атомів С. До складу рослин і тварин входять головним чином монози з 5 і 6 атомами вуглецю -пентози і гексози. У атомів вуглецю розташовані гідроксильні групи, а одна з них окислена до альдегідної (альдози) або кетонної (кетози) групи. Внаслідок наявності асиметричних атомів вуглецю монози мають оптичну активність. До складу природних вуглеводів входять монози D-ряду. Найбільш поширеними і важливими представниками простих вуглеводів є глюкоза і фруктоза. Перше з`єднання відноситься до альдогексозам, друге - до кетогексозам. У водному розчині глюкоза і фруктоза існують у формі циклічних напівацеталю.

Наявність спиртових, альдегідних або кетонів груп, а також поява в циклічних формах моноз полуацетального гідроксилу, що володіє відновними властивостями, визначає хімічну поведінку цих сполук. Окислення альдегідної групи до карбоксильної призводить до відповідних альдоновим кислотам, а окислення кінцевий спиртової групи до карбоксильної - до уронові кислоти. Продукти відновлення однієї з гідроксигруп монози називають дезоксисахара. Прикладом їх є де-зоксірібоза, що лежить в основі дезоксирибонуклеотидов і ДНК.

Особливе місце в перетвореннях моносахаридів займають два процеси: дихання і бродіння.

Дихання є аеробних процесом, тобто відбувається в присутності повітря:
Ця реакція каталізується ферментами. Дихання поряд з фотосинтезом є найважливішим джерелом енергії для живих організмів.

Бродіння протікає під час відсутності повітря, тобто анаеробно. Процес має кілька різновидів.

Спиртове бродіння, що протікає під впливом мікроорганізмів, відіграє виняткову роль у виробництві спирту, вина, хлібобулочних виробів:
Поряд з головними продуктамі- спиртом і С02 - при спиртовому бродінні моноз утворюються різноманітні побічні продукти (гліцерин, бурштинова кислота, оцтова кислота, ізоаміловий і ізопропіловий спирти і т.д.).

Крім спиртового бродіння, існує молочно-кисле бродіння моноз:
Це основний процес при отриманні кислого молока, кефіру та інших молочно-кислих продуктів, квашення капусти.

Бродіння моноз може призводити до утворення масляної кислоти (олійно-кисле бродіння).

Молекули полісахаридів побудовані з різного числа залишків моноз. Залежно від цього їх ділять на низько- і високомолекулярні полісахариди. Особливе значення мають дисахариди, молекули яких побудовані з двох однакових або різних залишків моноз. Найважливішими дисахаридами є сахароза, мальтоза і лактоза. Одна з молекул моноз завжди бере участь в побудові молекули дисахарида своїм полуацетальним гідроксилом, інша - полуацетальним або одним із спиртових гидроксилов.

Якщо в утворенні молекули дисахарида монози беруть участь своїми полуацетальнимі гидроксилами, утворюється невідновлюючий дісахарід- в другому випадку - відновлює. Це одна з головних характеристик дисахаридів. Найважливіша реакція дисахаридов - гідроліз:
Найважливішими полісахариди є крохмаль, глікоген і целюлоза. Всі вони побудовані на базі D-глюкози і служать в рослинних і тваринних організмах резервними вуглеводами харчування або вуглеводами для побудови кістяка клітинної тканини.

Крохмаль (C6H1005) n - головний компонент зерна, картоплі і багатьох видів харчової сировини. Крохмаль не є індивідуальним речовиною, він складається з полімерів двох типів: амілози (18-25%) і амілопектину (75 -82%).
Глікоген міститься в м`язовій тканині і печінці. Він також є резервним полисахаридом. За своєю будовою він нагадує крохмаль.

Целюлоза - основна складова частина клітин рослин-відносно чистою целюлозою є волокна бавовнику, джуту та конопель. Важливими похідними целюлози, які виділяються, в основному, з панцирів ракоподібних, є хітин і хітозан. На відміну від целюлози, у другого вуглецевого атома цих з`єднань є трохи гидроксильная, а ацетамідная (хітин) або аминогруппа (хітозан). Завдяки биосовместимости з тканинами людини низьку токсичність, здатності підсилювати регенеративні процеси при загоєнні ран, біодеградіруемимі матеріали на основі хітину і хітозану представляють особливий інтерес для медицини.

Найважливішими регуляторами процесів, що протікають в живому організмі є низькомолекулярні органічні сполуки різної хімічної природи, звані вітамінами. Вітаміни необхідні для нормальної життєдіяльності людини, але так як в організмі вони не синтезуються в достатніх кількостях, то повинні надходити з їжею в якості необхідного компонента. Свою назву вітаміни отримали від лат. Vita - життя.
В даний час відомо понад 30 сполук, що відносяться до вітамінів.

Розрізняють власне вітаміни і вітаміноподібні (повна незамінність яких не завжди доведена) речовини. В окремих продуктах містяться провітаміни, тобто з`єднання, здатні перетворюватися в вітаміни в організмі.

Наприклад, в-каротин переходить у вітамін А, ергостеролів під дією ультрафіолетових променів в організмі людини перетворюються в вітамін D.

У той же час є група сполук, часто близьких до вітамінів за будовою, які, конкуруючи з вітамінами, можуть зайняти місце в ферментних системах, але не в змозі виконувати його функції. Вони отримали назву антивитаминов.

Так як хімічна природа вітамінів була відкрита після встановлення їх біологічної ролі, їх умовно позначили літерами латинського алфавіту (А, В, С, D і т. Д.), Які збереглися і до теперішнього часу Відомості про основні види і функції вітамінів наведені в таблиці 1.


С.В. Макаров, Т.Є. Никифорова, Н.А. Козлов