Моносахариды
 Скачать 3.73 Mb.
|
|
Вариант 1 1. Функции белков в живом организме. Элементный состав белков. Массовая доля азота в белках различных биологических объектов. 2. Классификация углеводов и основные принципы на которых она основана. Назовите и напишите структурные формулы глюкозы, фруктозы, сахарозы, крахмала, гликогена. 3. Строение и каталитические функции анаэробных (пиридиновых, пиридинзависимых) и аэробных (флавинзависимых, флавиновых) дегидрогеназ. Назовите по 2-3 представителя этих дегидрогеназ и напишите уравнение катализируемых ими реакций. Что такое оксидазы? Белки-это крупные биомолекулы и макромолекулы, содержащие одну или несколько длинных цепей аминокислотных остатков. Белки выполняют широкий спектр функций внутри организмов, включая катализацию метаболических реакций, репликацию ДНК, реакцию на раздражители, обеспечение структуры клеток и организмов и транспортировку молекул из одного места в другое. Элементный состав белков Белки преимущественно состоят из 5 главных элементов: С - 50-55 %, Н - 6 - 7,3 %, О - 19-24 %, N - 13-19 %, S - 0-4 %. Белки (протеины) - органические, азотосодержащие полимерные соединения, мономерными единицами которых являются -аминокислоты. Содержание белков в организмах колеблется в широких пределах. Массовая доля азота в белках из различных биологических объектов колеблется в пределах 15-18 %. Углеводы делятся на две группы — простые углеводы, или моносахариды, и сложные углеводы, которые, в свою очередь, включают в себя дисахариды, олигосахариды и полисахариды. моносахариды Простые углеводы, как правило, представляют собой многоатомные спирты, содержащие ОН-группу у каждого атома углерода, кроме одного, несущего альдегидную или кетогруппу. Это видно на примере глюкозы, которая имеет 6 атомов углерода, при этом первый — в составе альдегидной группы, а остальные несут ОН-группы. Наиболее распространенными моносахаридами являются глюкоза, или виноградный сахар, и фруктоза, или фруктовый сахар. Они являются изомерами и имеют одну и ту же общую формулу . Пентозы и гексозы способны замыкаться в 5- или 6-членные кольца, переходя в циклическую форму.  Линейная и циклическая формы глюкозы Длина углеродной цепи в моносахаридах, встречающихся в живых организмах, колеблется от 3 до 8 атомов, хотя большинство из них содержит 3, 5 или 6 атомов углерода. В зависимости от количества атомов углерода моносахариды разделяют на триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы, октозы. Моносахариды хорошо растворимы в воде, образуют кристаллы и имеют сладкий вкус. Большое биологическое значение имеют пентозы рибоза и дезоксирибоза, которые входят в состав РНК и ДНК соответственно. Структура глюкозы и других гексоз Структура дезоксирибозы и рибозы  дисахариды Молекулы моносахаридов могут образовывать связи между собой с потерей молекулы воды. В результате образуются олиго- и полисахариды. К олигосахаридам относят растворимые в воде полимеры моносахаридов. Дисахариды широко распространены в живой природе. Сахароза (свекловичный, тростниковый сахар), представляющая собой соединение глюкозы и фруктозы, играет важную роль в растениях, где она служит транспортируемой формой углеводов во флоэме. Кроме того, она часто накапливается в качестве запасного вещества. Особенно много ее в сахарном тростнике и свекле, откуда ее получают для использования в пищу. Другой важный дисахарид — лактоза (или молочный сахар) содержащаяся в молоке млекопитающих. Она состоит из остатков глюкозы и галактозы. Мальтоза, образованная двумя остатками глюкозы, образуется при расщеплении крахмала и гликогена в пищеварительном тракте животных или при прорастании семян растений. В природе встречается много других дисахаридов, кроме того, известны олигосахариды, содержащие 3 и 4 остатка моносахаридов. Структура дисахаридов полисахариды Полисахариды нерастворимы в воде и не имеют сладкого вкуса. Так как к одному остатку моносахарида может быть присоединено несколько других остатков, полисахариды могут иметь разветвленную структуру. В живых организмах наиболее широко распространены полимеры глюкозы — крахмал, гликоген и целлюлоза. Одними из важнейших полисахаридов являются полимеры из остатков глюкозы — крахмал, гликоген и целлюлоза. Крахмал состоит только из остатков глюкозы. В состав крахмала входят два компонента — линейный компонент, называемый амилозой, и разветвленный — амилопектин. Амилоза имеет спиральную пространственную структуру. Внутрь спирали способны встраиваться молекулы йода, поэтому качественная реакция на крахмал — образование синего йодкрахмального комплекса. Молекулы амилозы и амилопектина содержат несколько тысяч остатков глюкозы. Крахмал служит основным запасным веществом у растений. У животных и грибов резервную (запасающую) функцию выполняет гликоген — полисахарид, похожий на амилопектин, но отличающийся большей разветвленностью. Крахмал и гликоген накапливаются в клетках в виде гранул. Целлюлоза представляет собой линейный неветвящийся полимер, содержащий примерно 10 000 остатков глюкозы. Молекулы целлюлозы располагаются параллельно друг другу и образуют между собой множество водородных связей. Таким образом формируются прочные пучки молекул — мицеллы, которые объединяются в волокна (микрофибриллы). Такое строение придает целлюлозе высокую механическую прочность. Целлюзоза встречается в основном у растений, где составляет основу клеточных стенок. Помимо растений целлюлоза обнаружена у оомицетов (группа, которую обычно относили к грибам) и у асцидий. Целлюлоза — самое распространенное на земле органическое вещество. Близок по строению к целлюлозе хитин. В нем мономерной единицей является N-ацетилглюкозамин — азотсодержащий моносахарид, производное глюкозы. Хитин служит основой клеточных стенок грибов и образует наружный скелет у членистоногих. Клеточную стенку бактерий образует соединение муреин (от лат. murum — стена). Оно состоит из полисахаридных цепочек, сшитых между собой пептидными мостиками. Поэтому его еще называют пептидогликаном (гликаны — другое название сложных углеводов). Полисахаридные цепочки муреина образованы двумя чередующимися остатками азотсодержащих моносахаридов. Пептидные мостики муреина содержат D-изомеры аминокислот, что является редкостью в живом мире. Функции углеводов в живых организмах многообразны. Углеводы являются первичными продуктами фотосинтеза, на основе их углеродного скелета образуются практически все другие вещества в клетках автотрофов. Гетеротрофы потребляют эти вещества в качестве пищи. Энергетическая функция: углеводы являются наиболее удобным источником энергии. Основные пути получения энергии у всех живых организмов рассчитаны на использование глюкозы и фруктозы. Структурная функция: полисахариды, например целлюлоза и хитин, входят в состав клеточных стенок, хитинового панциря членистоногих. Также полисахариды являются неотъемлемыми компонентами соединительной ткани животных (хрящи, сухожилия и др.). Запасающая (резервная) функция. Важнейшие резервные углеводы — крахмал (у растений) и гликоген (у животных и грибов). Транспортная функция: в форме углеводов осуществляется основной транспорт веществ в многоклеточных организмах, например в крови животных (глюкоза) или в флоэме высших растений (сахароза). Остатки олигосахаридов, находящиеся на поверхности клеток в составе гликопротеинов и гликолипидов, играют важную роль в межклеточном взаимодействии и адгезии — организации клеток в ткани. Глюкоза — бесцветное кристаллическое вещество, хорошо растворимое в воде, сладкое на вкус. Молекулярная формула глюкозы — с н о. Эту формулу можно представить, как С (н о), то есть она подчиняется общей формуле С n (н о) m при n = m = 6. Фруктоза. Фруктоза Общие. Систематическое наименование (3S,4R,5R)-1,3,4,5,6-пентагидроксигексан-2-он (D -фруктоза), (3R,4S,5S)-1,3,4,5,6-пентагидроксигексан-2-он (L -фруктоза) Традиционные названия. Фруктоза, фруктовый сахар, плодовый сахар, левулоза, арабино-гексулоза Хим. формула C H O Физические свойства. Состояние бесцветные кристаллы. Молярная масса 180,159 г/ моль Плотность 1,598 г/см³ Термические свойства. C₆H₁₂O₆ Сахароза имеет следующую структурную формулу: C 12 H 22 O 11. Объяснить происхождение структуры вещества можно рассматривая формулы простых сахаров: глюкоза; фруктоза. Таким образом, сахароза является дисахаридом из группы олигосахаридов, в составе которого два моносахарида в виде α - глюкозы и β - фруктозы. Молекулярная формула крахмала — (C 6 H 10 O 5) n, то есть крахмал является полимером. Установлено, что макромолекулы крахмала состоят из остатков α-глюкозы. Тогда процесс образования крахмала из глюкозы можно представить следующей схемой: Таким образом, крахмал является продуктом поликонденсации глюкозы. Макромолекула крахмала состоит из большого числа остатков моносахарида глюкозы. Химическая формула гликогена (C 6 H 10 O 5) n. Строение молекулы гликогена, структурная формула гликогена: Гликоген содержит от 6 000 до 30 000 остатков глюкозы. По внешнему виду гликоген представляет собой белое аморфное вещество без вкуса и запаха. Гликоген растворяется в воде. Гликоген в организме. И гетеротрофные, и автотрофные организмы способны получать энергию для обеспечения клеточных нужд (биосинтез различных веществ, транспорт и движение) путём окисления органических веществ. Для гетеротрофов окисление органических веществ является единственным способом получения энергии. Фотоавтотрофы используют энергию света для того, чтобы синтезировать сахара, а полученные сахара используются либо для синтеза других веществ и построения тела в ходе процессов анаболизма, либо как источник энергии в катаболизме. Фотосинтезирующие организмы расходуют свои запасы органических веществ случае отсутствия света, например, в темное время суток, а также в клетках, которые находятся в тех частях организма, куда не проникает свет. суть биологического окисления Окисление — это процесс отдачи веществом электронов окислителю. Окисление может происходить в ходе различных процессов: Отдача веществом только электронов. Такое окисление имеет место, например, при превращении в составе цитохромов или же как реакция свободного железа при хемосинтезе. Окислительно-восстановительные реакции органических веществ в клетках часто сопровождаются передачей не только электронов, но и атомов О или Н. а) Поскольку атом О обладает большей электроотрицательностью, чем атом С, увеличение количества атомов кислорода в соединении считается окислением. При этом степень окисления углерода в соединении увеличивается (электроны от него смещаются к кислороду, -заряд на атоме С увеличивается). Пример — окисление альдегида до карбоновой кислоты. б) Поскольку связь С–Н гораздо менее полярная, чем С–О, степень окисления углерода в соединениях с большим количеством атомов Н меньше (менее положительная), чем в соединениях с меньшим количеством атомов Н (при наличии других электроотрицательных атомов — О, N…). Поэтому окислением может называться отдача органическим веществом атомов водорода. Пример — окисление спирта в альдегид. переносчики водорода Итак, биологическое окисление органических веществ часто происходит путем отдачи атомов водорода [H], то есть протонов и электронов . Принимают эти атомы водорода, как правило, специальные молекулы — переносчики водорода. Основным переносчиком водорода является НАД (никотинамидадениндинуклеотид). Также в процессах биологического окисления участвует ФАД (флавинадениндинуклеотид). Реакции принятия ими водорода таковы: НАДНАДНН ФАДФАДН Таким образом, НАД переносит 2 электрона и 1 протон, второй протон выделяется в раствор. ФАД переносит 2 электрона и 2 протона. Принимая на себя атомы водорода, НАД и ФАД в реакциях биологического окисления играют роль окислителей. Восстановленные переносчики — НАДНН и ФАДН — наоборот, играют роль восстановителей, в частности в реакциях анаболизма (синтеза сложных органических веществ). Таким образом, переносчики водорода осуществляют связь катаболизма и анаболизма и передачу атомов водорода между ними. этапы окисления энергетических субстратов Процесс катаболизма энергетических субстратов (органических веществ) протекает с выделением энергии. Он состоит из следующих этапов: Подготовительный этап идет в полости пищеварительной системы или — при внутриклеточном пищеварении — во вторичных лизосомах. При этом полимеры расщепляются на мономеры, которые можно перенести через мембрану в цитоплазму клеток (или сначала в кровь, а затем в тканевую жидкость и в цитоплазму). Расщепление катализируют литические ферменты. Например, амилазы и мальтазы расщепляют в тонком кишечнике крахмал до глюкозы. Энергия на этом этапе выделяется в виде тепла, АТФ не образуется. Основным источником энергии для многих клеток служит окисление глюкозы или других сахаров, поэтому рассматривается в первую очередь механизм окисления глюкозы, хотя и другие вещества могут окисляться с целью получения энергии (аминокислоты, жирные кислоты…). Внутриклеточное окисление глюкозы включает два этапа: а) анаэробный этап в цитоплазме — гликолиз. У анаэробов на этом окисление глюкозы заканчивается, так как нет молекулярного кислорода для дальнейшего окисления; б) аэробный этап в митохондриях при участии молекулярного кислорода. гликолиз Первый этап внутриклеточного окисления углеводов осуществляется без участия кислорода и называется гликолиз (от «гликис» — сладкий, «лизис» — распад). Он происходит в цитоплазме. На первых этапах гликолиза тратится две молекулы АТФ на фосфорилирование 1 молекулы сахара. Образующаяся гексоза (С6), несущая два остатка фосфорной кислоты, распадается на две фосфорилированные триозы (2*С3). Затем происходит окисление фосфотриозы (фосфорилированного C3-сахара — «половинки» глюкозы) до фосфоглицериновой кислоты (ФГК). Это окисление осуществляется путем отнятия двух атомов водорода и переноса их на НАД с образованием НАДН. Выделяющаяся при этом энергия используется для присоединения фосфатного остатка к АДФ с образованием АТФ. Так как окислению подвергаются две триозы («половинки» глюкозы), образовавшиеся в результате расщепления 1 глюкозы, то образуется 2 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы, т. е. восполняются затраты на активацию глюкозы. Образовавшаяся ФГК превращается далее в пировиноградную кислоту (ПВК), или пируват, при этом синтезируется еще две молекулы АТФ в расчете на 1 молекулу глюкозы. Таким образом, расщепление в гликолизе одной молекулы глюкозы дают в результате выигрыш в 2 молекулы АТФ. Пируват — это конечный продукт гликолиза. В результате этого процесса в клетке будет накапливаться НАД∙Н, который необходимо снова превратить в НАД. У аэробов водород, который несет НАДН, передается на молекулярный кислород в дыхательной цепи митохондрий с образованием воды и большого количества АТФ. В условиях же бескислородной среды окисление НАДН до НАД происходит путем передачи водородов на образовавшийся в гликолизе пируват. В отсутствие кислорода пируват все равно не может быть окислен далее. Этот процесс восстановления пирувата и его дальнейших превращений называется брожением, его цель — получение НАД для дальнейшего использования вновь в гликолизе. Без НАД гликолиз остановится, и клетка погибнет от недостатка энергии (АТФ). Различают разные типы брожения: а) Молочнокислое брожение. ПВК (пируват) превращается в молочную кислоту (лактат). Так происходит, например, при частых сокращениях мышц, когда поступление кислорода недостаточно, и основная часть АТФ получается за счет гликолиза. Накопление молочной кислоты является основным фактором усталости мышц. Аналогичный процесс происходит при росте ряда микроорганизмов в анаэробных условиях. Накапливающаяся при этом молочная кислота подавляет рост гнилостных бактерий и служит консервантом продуктов при приготовлении простокваши, йогурта, квашеной капусты, силоса на корм скоту. б) Спиртовое брожение. Дрожжи на завершающем этапе гликолиза отщепляют от пировиноградной кислоты карбоксильную группу в форме углекислого газа, в результате чего образуется уксусный альдегид. Он восстанавливается путем переноса водородов с НАД∙Н до этилового спирта. На этом процессе основано пивоварение, виноделие, а также поднятие дрожжевого теста (за счет пузырьков образующегося углекислого газа). ОКСИДАЗЫ, ферменты класса оксидо-редуктаз; широко распространены в природе, катализируют в живых клетках окислительно-восстановит. реакции, в к-рых акцептором водорода служит кислород воздуха. При переносе на О2 водорода от окисляемого субстрата образуется вода (Н2О) или перекись водорода (Н2О2). По структуре одни О.- металлоферменты (так, тирозиназа, аскорбинатоксидаза содержат медь), другие - флавопротеиды (напр., глюкозооксидаза). Вариант 11 1. Назовите и напишите формулы всех мономерных единиц, входящих в состав белков. Что такое гидролиз белков? Назовите продукты полного и неполного гидролиза белков. 2. Напишите формулы восстанавливающих и не восстанавливающих дисахаридов. Почему некоторые дисахариды не обладают востанавливающими свойствами? 3. Липиды: определение, биологическое значение, классификация. Напишите формулы моно-, ди- и триацилглицеринов, эргостерола, воска. Опишите характерные признаки отличающие эти соединения друг от друга. Продуктами полного гидролиза белков являются аминокислоты. В качестве промежуточных продуктов гидролиза образуются пептиды и полипептиды. Биосинтез жирных кислот: этапы, последовательность реакций, ферменты. Источником синтеза ЖК является малонил КоА, образующийся из ацетил КоА. Образование малонил КоА из ацетил КоА. Гидролиз белка – распад белка на отдельные аминокислоты в водном растворе кислот или щелочей. Денатурация белка – разрушение вторичной, третичной и четвертичной структуры белка при нагревании, действии растворов солей тяжёлых металлов, кислот и щелочей. При денатурации белок сворачивается и выпадает в осадок. Восстанавливающие дисахариды являются гликозо-гликозидами, а не восстанавливающие — гликозидо-гликозидами. К первой группе (восстанавливающие дисахариды) относятся: лактоза, мальтоза, целлобиоза. Ко второй (не восстанавливающие дисахариды): сахароза, трегалоза. При гидролизе дисахариды расщепляются на составляющие их моносахариды за счет разрыва гликозидных связей между ними. Гидролиз протекает в условиях кислой среды и (или) при нагревании. Восстанавливающие дисахариды — мальтоза, лактоза и целлобиоза — могут восстанавливать гидроксид меди (II) до оксида меди (I), в результате восстановления дисахарид распадается на воду и оксид меди (I): C 12 H 22 O 11 + 2 C u (O H) 2 → C 12 H 22 O 12 + C U 2 O + 2 H 2 O. Таким образом, липиды — это гидрофобные соединения. В эту группу входят вещества, достаточно сильно различающиеся по химическим свойствам. Мы рассмотрим три группы этих веществ: триглицериды, фосфолипиды и стероиды. В составе многих липидов встречаются длинные гидрофобные цепи углеводородной структуры, например . Прежде всего, такие цепи входят в состав молекул жирных кислот. Молекулы жирных кислот представляют собой такую длинную, как правило, неразветвленную цепь, на конце которой имеется карбоксильная группа ,которая может диссоциировать на и — отрицательно заряженный анион кислоты. Поскольку атомы углерода и водорода не сильно различаются по степени электроотрицательности, то ковалентная связь, которую образуют между собой атомы углерода и водорода, является неполярной, то есть валентные электроны распределены между двумя этими атомами равномерно. Именно поэтому длинные углеводородные цепи являются гидрофобными. Большая часть жирных кислот, содержащихся в организме, имеет четное количество атомов водорода, обычно жирнокислотные цепи содержат от 12 до 24 атомов углерода (чаще всего 16 или 18). Наряду с насыщенными жирными кислотами довольно часто встречаются жирные кислоты с двойными связями. Наиболее простыми липидами (жирами) являются эфиры трехатомного спирта глицерина и жирных кислот, которые называются триацилглицеридами. Большинство природных триацилглицеридов содержат две или более различающиеся жирные кислоты. В организме запасенные жиры откладываются в цитоплазме в виде капель; особенно много таких капель в клетках жировой ткани. Окисление жиров до углекислого газа и воды дает большое количество энергии (38,9 кДж/г); этим обусловлена их энергетическая функция. Физические свойства жирных кислот и соединений, в которые они входят, зависят от длины цепи и степени ее ненасыщенности, т. е. от количества двойных связей. Чем более длинная цепь у жирной кислоты, тем хуже она растворяется в воде. В то же время температура плавления жирных кислот снижается с увеличением в них количества двойных связей. Жиры с ненасыщенными жирными кислотами при комнатной температуре обычно находятся в жидком состоянии. Таковы растительные жиры — масла. Жиры с насыщенными жирными кислотами при комнатной температуре обычно находятся в твердом состоянии. Таковы животные жиры. Есть и исключения — так, масло какао при комнатной температуре твердое, а норковое масло — жидкое. Основу биологических мембран составляют не жиры, а фосфолипиды. Это амфифильные молекулы, то есть молекулы, имеющие гидрофобную и гидрофильную части. Гидрофильная часть взаимодействует с водой, а гидрофобные «прячутся» от воды. В результате могут образовываться разные типы структур — мицеллы (их образуют молекулы мыла), липосомы и бислои — их образуют фосфолипиды. Липосомы можно получать искусственно и использовать для доставки лекарственных веществ в клетки организма.  Это также могут быть эфиры глицерина и жирных кислот, но в этом случае с жирными кислотами в молекуле глицерина связаны только две спиртовые группы, а третья образует эфирную связь с остатком фосфорной кислоты, к которой присоединяются некоторые гидрофильные группы.  Таким образом, в составе молекул всех фосфолипидов имеются гидрофобная (остатки жирных кислот) и гидрофильная (фосфорная кислота и присоединенные к ней группы) части, поэтому такие молекулы могут контактировать как с полярными, так и с неполярными растворителями (такие вещества называют амфифильными). Поскольку у большинства молекул фосфолипидов имеется гидрофильная голова и два гидрофобных хвоста, то их часто схематично представляют в виде кружка (гидрофильная часть) с двумя хвостами (гидрофобная часть). В воде и водных растворах фосфолипиды самопроизвольно формируют протяженные почти плоские двойные слои, в которых гидрофобные слои смотрят друг на друга, а гидрофильные головы – в водную среду. Такие слои являются основой всех биологических мембран. Таким образом, одной из основных функцией фосфолипидов является структурная функция — формирование биологических мембран. К жироподобным веществам относятся воски, которые являются эфирами жирных кислот и многоатомных спиртов. У животных они вырабатываются кожными железами. Покрывая тонким слоем шерсть и перья, воски предохраняют их от намокания. Некоторые насекомые (пчелы) используют воски для постройки сот, в которых они хранят запасы пищи и выводят потомство. Соты, построенные из воска, полностью непроницаемы для воды. У растений воски создают защитный налет на листьях и плодах. стероидыОсобое место среди липидов занимают стероиды — полициклический спирт холестерол (чаще называемый холестерин) и его производные. Холестерин и его эфиры с жирными кислотами входят в состав биологических мембран клеток животных, придавая им определенную «жесткость» (структурная функция). У растений и грибов холестерин не встречается, его место у растений занимает стероид стигмастерол, а у грибов — эргостерол. Бактерии не синтезируют стероиды, хотя некоторые из них могут включать экзогенные (происходящие извне стероиды) в свои мембраны. У животных в корковом слое надпочечников из холестерина образуются стероидные гормоны. У животных в клетках печени из холестерина образуются желчные кислоты, которые в кишечнике обеспечивают образование из жиров эмульсии (мелких жировых капель), что необходимо для нормального переваривания жиров. К липидам относят также жирорастворимые витамины К, Е, D, A, обладающие высокой биологической активностью. |