§ 4. Поняття про органічні речовини. Ліпіди та вуглеводи

Пригадайте, які елементи відносять до органогенних. Чим відрізняються між собою гідрофільні та гідрофобні сполуки? Які функції жирів в організмах? Які функції в організмі людини виконують гормони кори надниркових залоз і статеві гормони? Що таке глікокалікс?

Ви вже знаєте з курсу хімії, що всі хімічні сполуки поділяють на неорганічні та органічні (пригадайте, чим вони відрізняються).

Органічні речовини - це сполуки Карбону з іншими елементами, що виникли в живих істотах. У складі органічних сполук переважають органогенні хімічні елементи: Гідроген, Оксиген, Нітроген і Карбон. Ковалентно зв’язані атоми Карбону утворюють ланцюжки, кільця або ряди кілець - так званий скелет молекули (мал. 4.1).

Мал. 4.1. Скелети різних органічних сполук, утворені атомами Карбону. Зверніть увагу, кожен атом Карбону може утворювати чотири ковалентних зв’язки з іншими атомами та сполуками

До складу клітин входять різні органічні сполуки: ліпіди, вуглеводи, білки, нуклеїнові кислоти тощо. Їхні молекули можуть мати високу молекулярну масу, складаючись з великої кількості однакових чи різних за хімічною будовою ланок (простих молекул) - мономерів. Такі сполуки називають біополімерами або макромолекулами. Наприклад, молекули білків складаються із залишків амінокислот; молекули нуклеїнових кислот - із залишків нуклеотидів, а складних вуглеводів (полісахаридів) - із залишків моносахаридів.

Особливу групу органічних сполук становлять біологічно активні речовини: ферменти, гормони, вітаміни тощо. Вони впливають на процеси обміну речовин і перетворення енергії. Багато з них забезпечують гуморальну регуляцію процесів життєдіяльності різноманітних істот.

Огляд основних класів органічних сполук почнемо з ліпідів.

Різноманітність ліпідів. Ліпіди - переважно гідрофобні органічні сполуки. Серед ліпідів розрізняють прості та складні. До простих ліпідів належать речовини, які побудовані зі сполучених між собою залишків жирних кислот і спиртів, наприклад жири та воски.

Жири - складні речовини, утворені триатомним спиртом гліцеролом і трьома залишками жирних кислот. Вони відкладаються у вигляді жирових включень у рослинних і тваринних клітинах (наведіть приклади організмів, у клітинах яких відкладаються жири).

Воски виконують здебільшого захисну функцію. У ссавців віск виділяють сальні залози шкіри: він надає шкірі еластичності та зменшує зношення волосяного покриву. У водоплавних птахів віск виділяє куприкова залоза, розташована над основою хвоста. Її секрет надає пір’яному покриву водовідштовхувальних властивостей. Восковий шар вкриває листки наземних рослин (мал. 4.2, 1) і поверхню зовнішнього скелета членистоногих - мешканців суходолу, запобігаючи надлишковому випаровуванню води з поверхні тіла. Добре розвинені восковидільні залози є в черевці медоносних бджіл-робітниць (мал. 4.2, 2).

Складні ліпіди - сполуки, які утворюються внаслідок взаємодії молекул простих ліпідів з іншими речовинами. До них належать ліпопротеїди (сполуки ліпідів і білків), гліколіпіди (ліпідів і вуглеводів), фосфоліпіди (ліпідів і ортофосфатної кислоти).

Мал. 4.2. Воски вкривають поверхню плодів і входять до складу кутикули листків (1); з восків медоносна бджола будує стільники (2)

Стероїди - біологічно активні речовини тваринного, рідше - рослинного походження. Стероїдну природу, зокрема, мають статеві гормони людини - естрогени (жіночі) та андрогени (чоловічі), а також гормони надниркових залоз (кортикостероїди). Один з найвідоміших стероїдів - холестерин. В організмі людини він слугує попередником під час синтезу статевих гормонів. Холестерин синтезується у печінці, як вам уже відомо, він входить до складу жовчі.

Функції ліпідів. Одна з найважливіших функцій ліпідів - енергетична. У разі повного розщеплення 1 г жирів виділяється 38,9 кДж енергії.

Не менш важлива будівельна, або структурна, функція ліпідів. Так, фосфоліпіди є важливою складовою клітинних мембран (мал. 4.3). У цих амфіфільних сполук одна частина виявляє гідрофільні властивості, інша - гідрофобні.

Резервна функція полягає в тому, що ліпіди містяться в цитоплазмі клітин у вигляді включень (наприклад, клітини жирової тканини, насіння соняшнику тощо). Запаси жирів в організмі можуть використовуватись по-різному: як резервні поживні речовини та як джерело метаболічної води (під час окиснення 1 г жирів утворюється майже 1,1 г води).

Мал. 4.3. 1. Будова молекули фосфоліпідів. 2. Розташування фосфоліпідів у складі клітинної мембрани

Запаси жиру в організмі можуть виконувати й захисну функцію. Зокрема, захищають внутрішні органи від механічних ушкоджень. Накопичуючись у підшкірній жировій клітковині тварин - мешканців прохолодного клімату (китів, тюленів, пінгвінів та ін.), жири захищають організм від дії низьких температур (теплоізоляційна функція). Ця функція жирів зумовлена їхньою низькою теплопровідністю.

Важлива й регуляторна функція ліпідів. Ліпідну природу мають деякі біологічно активні речовини: стероїдні гормони, вітаміни групи D. Вони беруть участь у регуляції життєвих функцій організмів: обміну речовин у тварин і людини, процесу линяння у комах тощо.

Будова та властивості вуглеводів. Вуглеводи - це сполуки, у яких співвідношення елементів С, Н, О здебільшого відповідають формулі (СН₂О)_n, де n дорівнює трьом і більше. У клітинах тварин вуглеводи містяться в незначній кількості (близько 1 % сухої маси, у клітинах печінки та м’язів - до 5 %). У рослинних клітинах їхній уміст значно більший (до 60-90 %).

Залежно від кількості мономерів, що входять до складу молекул, вуглеводи поділяють на моносахариди, олігосахариди та полісахариди.

Моносахариди здебільшого мають загальну формулу C_nH_2nO_n. Вони можуть містити від 3 до 10 атомів Карбону. У природі найпоширеніші моносахариди, що містять 5 (рибоза і дезоксирибоза) та 6 атомів Карбону (глюкоза, фруктоза та ін.) тощо (мал. 4.4). Моносахариди мають солодкий присмак, добре розчиняються у воді.

Мал. 4.4. Моносахарид глюкоза: а - молекулярна формула; б - просторова модель

Моносахариди, до складу яких входить п’ять атомів Карбону, називають пентозами, шість — гексозами.

Олігосахариди - полімерні вуглеводи, у яких моносахаридні ланки (від двох до десяти) з’єднані ковалентним зв’язком. Досить поширені дисахариди, утворені сполученням залишків двох молекул моносахаридів. Приклади дисахаридів: мальтоза (солодовий цукор), сахароза (буряковий або тростинний цукор), лактоза (молочний цукор), трегалоза (грибний цукор) (мал. 4.5). Вони мають солодкий присмак і також добре розчиняються у воді.

Мал. 4.5. Схема будови дисахаридів С₁₂Н₂₂О₁₁: 1 - мальтоза; 2 - сахароза; 3 - лактоза

Полісахариди - це біополімери, молекулярна маса деяких з них може сягати кількох мільйонів. Приклади полісахаридів: крохмаль, целюлоза, глікоген, пектин, лігнін, хітин та ін. Вони майже не розчиняються у воді й не мають солодкого присмаку.

Вуглеводи можуть вступати у зв’язок з іншими сполуками. Такі вуглеводи називають складними. Приклади: глюкопротеїди (сполуки вуглеводів з білками), гліколіпіди (сполуки вуглеводів з ліпідами).

Функції вуглеводів у біологічних системах.

Енергетична функція: під час розщеплення 1 г полісахаридів або олігосахаридів до моносахаридів виділяється енергія - 17,6 кДж.
Резервна функція: полісахариди можуть відкладатись у клітинах про запас, найчастіше у вигляді зерен. У клітинах рослин відкладається крохмаль, у клітинах тварин і грибів - глікоген. Ці запасні сполуки є резервом поживних речовин та енергії.
Будівельна (структурна) функція: вуглеводи входять до складу певних клітинних структур. Так, нітрогенумісний полісахарид хітин є у складі зовнішнього скелета членистоногих і клітинної стінки справжніх грибів; клітинні стінки рослин утворені із целюлози (мал. 4.6). Клітинні стінки рослин і грибів, які містять полісахариди, захищають уміст клітин та підтримують їхню форму. До складу надмембранних структур клітин тварин (глікокаліксу) входять вуглеводи, пов’язані з білками та ліпідами.

Захисна функція: полісахариди пектини здатні зв’язувати деякі токсини та радіонукліди, запобігаючи потраплянню їх у кров. Гепарин, який запобігає зсіданню крові, синтезує один з різновидів лейкоцитів. Крім того, гепарин підвищує проникність судин, стійкість організму до нестачі кисню, впливу вірусів і токсинів, знижує рівень цукру в крові. Тому його застосовують як лікувальний препарат.

Мал. 4.6. Будівельна (структурна) функція вуглеводів: 1 - целюлоза у складі клітинних оболонок рослин; 2 - хітин у складі кутикули членистоногих

Ключові терміни та поняття: органічні сполуки, макромолекули, біополімери, мономери, ліпіди, вуглеводи, моносахариди, олігосахариди, полісахариди.

Перевірте здобуті знання

1. Чим органічні сполуки відрізняються від неорганічних? 2. Які ви знаєте основні класи органічних сполук? 3. Що таке ліпіди? Які основні групи ліпідів ви знаєте? 4. Які властивості та функції ліпідів у організмах? 5. Що таке вуглеводи? Які ви знаєте основні класи вуглеводів? 6. Які властивості та основні функції вуглеводів в організмах різних істот? 7. Які вуглеводи та ліпіди належать до складних?

Поміркуйте. 1. В організмі верблюдів відкладаються значні запаси жиру, при окисненні якого утворюється вода (її називають метаболічною). Але ці тварини мешкають у спекотних пустелях, де температура вдень може сягати до +40 °С і вище. Сині кити здебільшого мешкають у прохолодних водах і значні запаси підшкірного жиру захищають їхнє тіло від переохолодження. Чим відрізнятиметься характер розподілу жирових відкладень у тілі цих тварин? 2. Чому паразити внутрішніх органів тварин і людини (наприклад, кишківника) часто запасають велику кількість глікогену, на відміну від тих видів, які мешкають на покривах хазяїна, у кровоносній чи дихальній системах?