Біологія. 9 клас. Шаламов

§ 4. Вуглеводи

Багато що в довкіллі складається переважно з вуглеводів

У попередньому параграфі ми зазначили, що найбільша різноманітність біологічних молекул властива білкам. Проте вони не є єдиними органічними речовинами, що входять до складу живих організмів. Якщо білки і є найрізноманітнішими біомолекулами, то найпоширеніші в біосфері представники іншого класу сполук — вуглеводи. З вуглеводами ви стикаєтеся щодня. Папір, на якому надрукований цей текст, майже повністю складається з вуглеводу целюлози. Цукор, який отримують із цукрової тростини чи цукрового буряка, є кристалами іншого вуглеводу — сахарози. Панцир рака значною мірою складається з вуглеводу хітину. Коли ви читаєте цей текст, фотони, відбиті від паперу, фокусуються кришталиком вашого ока на сітківці, але перед цим вони проходять крізь склисте тіло ока, що складається в основному з обводненої гіалуронової кислоти, теж вуглеводу. Вуглеводи становлять найбільшу частку сухої маси організму рослин, також і в організмі тварин виконують життєво важливі функції. Перетворення вуглеводів є основою хімічного й енергетичного обміну всіх живих організмів.

Склад молекул вуглеводів визначив їхню назву

Рис. 4.1. Будова молекули глюкози

Розгляньмо будову молекул вуглеводів на прикладі молекули глюкози. Це невелика (з погляду біохімії) молекула, побудована з атомів Карбону, Гідрогену та Оксигену. Формула глюкози може бути записана як С6Н12О6. Таке поєднання атомів і дало назву вуглеводам — до складу молекул входять вуглець та вода1. На рисунку 4.1 зображено дві структурні формули глюкози: лінійна і циклічна. Розглядаючи лінійну формулу глюкози, ви можете звернути увагу на те, що: 1) атоми Карбону з’єднані в лінійний ланцюжок; 2) у молекулі міститься багато гідроксильних груп (-ОН); 3) молекулу увінчує група -СНО2.

Ця група надто реакційноздатна та реагує з однією з гідроксильних груп, утворюючи в результаті циклічну структуру (схожу на змію, що кусає власний хвіст). У розчині є обидва варіанти структур. Ці структури можуть перетворюватися одна в одну, проте рівновага значно зміщена в бік циклічної (на одну молекулу лінійної глюкози припадає приблизно 5000 молекул циклічної глюкози).

Моно- та полісахариди — поширені в живій природі сполуки

Молекула глюкози є невеликою розчинною молекулою. Проте такі молекули можуть об’єднуватися одна з одною, утворюючи полімерні молекули. Якщо з’єднати молекули глюкози послідовно в лінійний ланцюжок, то вийде молекула целюлози — основного компонента клітинних стінок рослин і найпоширенішого органічного полімеру в біосфері. Таку молекулу називають полісахаридом, а поодиноку молекулу — моносахаридом. На відміну від білків, до складу амінокислотних ланцюжків яких входять різноманітні амінокислотні залишки, значна кількість вуглеводів (як, наприклад, уже згадувана целюлоза) побудовані з мономерних ланок одного типу.

1 У багатьох джерелах вуглеводи визначають як сполуки з формулою CnH2nOn. Це визначення некоректне, оскільки йому не відповідають полісахариди (див. далі), а також вуглеводи, що містять Нітроген, Сульфур і Фосфор.

2 Ця група має назву карбонільна.

Особливу роль у живих організмах відіграють також вуглеводи, молекули яких утворені з двох моносахаридних ланок, — дисахариди. Нижче наведено приклади деяких вуглеводів, що трапляються в живих організмах.

Глюкоза — моносахарид, дуже поширений у природі. Є основою для побудови більшості ди- та полісахаридів. У хребетних тварин транспортується кров’ю і є основним джерелом енергії для клітин мозку.

Фруктоза — моносахарид, що має ту саму загальну формулу, що й глюкоза, але іншу послідовність з’єднання атомів. Входить до складу деяких ди- та полісахаридів.

Сахароза — дисахарид, що складається із залишків глюкози та фруктози, з’єднаних між собою. Транспортується у флоемному соці рослин. Цукор є кристалічною формою сахарози.

Лактоза — дисахарид, що надає солодкого смаку молоку.

Целюлоза — лінійний полімер глюкози (рис. 4.2, А). Основний компонент клітинних стінок рослин і найпоширеніший органічний полімер у біосфері. Тварини не можуть розщеплювати целюлозу самостійно, проте травоїдні містять мікроорганізми-симбіонти, які здатні її розщеплювати.

Крохмаль — полімер глюкози, що містить як лінійну (амілоза), так і розгалужену (амілопектин) фракції (рис. 4.2, Б). Крохмаль є основним запасним вуглеводом у рослин. Він відкладається в хлоропластах або в безбарвних видозмінених хлоропластах — амілопластах у вигляді крохмальних зерен. Найбагатші на крохмаль зерна злаків і бульби картоплі.

Рис. 4.2. Полісахариди

A. Целюлоза в клітинних стінках рослинних клітин. Б. Крохмаль у бульбах картоплі. B. Гранули глікогену в клітинах печінки.

Глікоген — дуже розгалужений полімер глюкози (рис. 4.2, В). Є основним запасним полісахаридом у тварин. Найбагатші на глікоген печінка та м’язи, у цитоплазмі яких він відкладається у вигляді гранул. Під дією таких гормонів, як адреналін і глюкагон, клітини печінки розщеплюють глікоген до глюкози та виділяють її в кров. Натомість інсулін — стимулює поглинання глюкози клітинами печінки та її перетворення на глікоген.

Хітин — полісахарид, що входить до складу кутикули членистоногих, а також клітинної стінки грибів. На відміну від вуглеводів, описаних вище, хітин, крім Карбону, Гідрогену та Оксигену, містить Нітроген.

Гіалуронова кислота — лінійний полісахарид, що є основою міжклітинної речовини тварин. Це величезна молекула, що складається в середньому з 50 000 моносахаридних ланок. Найбагатші на гіалуронову кислоту хрящі, склисте тіло ока та дерма шкіри.

Біологічна роль вуглеводів не обмежується запасанням енергії

Стисло перелічимо основні функції вуглеводів.

Енергетична. Обмін вуглеводів — основа енергетичного обміну клітини. Саме вуглеводи утворюються під час фотосинтезу у зелених рослин і потім слугують основою для побудови інших органічних молекул. Окиснення вуглеводів у процесі дихання чи бродіння супроводжується виділенням енергії, яку потім може використати організм.

Структурна. Багато полісахаридів формують міцні каркаси: наприклад, целюлоза є основою клітинних стінок рослин, а з хітину побудовані клітинні стінки багатьох грибів і кутикули членистоногих.

Транспортна та запасна функція вуглеводів. Вуглеводи розносяться по багатоклітинному організму в транспортних формах. У хребетних тварин транспортною формою є глюкоза, у вищих рослин — сахароза. Запасні вуглеводи — це полісахариди, що накопичуються в клітинах1 і можуть бути розщеплені пізніше з утворенням моносахаридів. У тварин типовим запасним вуглеводом є глікоген, а в рослин — крохмаль.

Поміркуймо

Знайдіть одну правильну відповідь

1. Запасним полісахаридом є

  • А колаген
  • Б глікоген
  • В целюлоза
  • Г пепсин
  • Д хітин

2. Клітинні стінки печериці утворені

  • А целюлозою
  • Б крохмалем
  • В глікогеном
  • Г хітином
  • Д муреїном

3. Розгалуженим полісахаридом є

  • А амілоза
  • Б амілопектин
  • В целюлоза
  • Г хітин
  • Д гіалуронова кислота

4. Найпоширеніший полісахарид у природі — це

  • А колаген
  • Б глікоген
  • В целюлоза
  • Г пепсин
  • Д хітин

5. У разі непереносимості лактози в їжу не можна вживати

  • А овочі
  • Б фрукти
  • В цукор
  • Г молочні продукти
  • Д рибу

1 Зрідка — поза клітинами, як, наприклад, геміцелюлоза у клітинних стінках ендосперма хурми.

Сформулюйте відповідь кількома реченнями

6. Опишіть біологічну роль полісахаридів. Назвіть структурні полісахариди. Які з-поміж них найпоширеніші в природі?

7. Які властивості мусить мати речовина, щоб живі організми могли використовувати її як структурний матеріал?

8. Які полісахариди використовуються як запасний матеріал? Поясніть зв’язок будови молекул запасних полісахаридів з їхньою роллю.

9. Як пов’язані будова молекул глікогену та регуляція рівня цукру в крові?

10. У чому принципова відмінність транспортних і запасних вуглеводів? Чому ті самі речовини, як правило, не можуть бути водночас і транспортними, і запасними?

Знайди відповідь і наблизься до розуміння природи

11. Целюлоза — найпоширеніший біополімер на планеті. Спробуй відповісти на запитання: чому в організмах тварин немає ферментів, потрібних для розщеплення целюлози, тобто чому вона не може слугувати для нас їжею?

12. Чому в печінці та м’язах тварин утворюються запаси вуглеводів у вигляді глікогену, незважаючи на те, що тваринний організм зберігає більшу частину енергії у вигляді запасів жирів?

13. Зазвичай рослини роблять запаси вуглеводів у вигляді полімерних речовин (крохмаль, інулін1), проте деякі рослини запасають низькомолекулярні сполуки (сахарозу). Оціни переваги та недоліки таких різних стратегій запасання вуглеводів. Як ти гадаєш, чим зумволене запасання тих чи інших форм вуглеводів?

Дізнайся самостійно та розкажи іншим

14. Чому тварини та рослини використовують різні речовини як запас вуглеводів? У чому принципова відмінність тваринних і рослинних запасних вуглеводів і чим вона зумовлена?

15. Які ще вуглеводи, окрім запасних, мають розгалужену будову? Поясни біологічний сенс цієї розгалуженості.

Доповнення ІІ

Олександр Онікієнко

Закінчив Харківський фізико-математичний ліцей № 27 у 2004 році. Переможець всеукраїнських олімпіад і турнірів із хімії. Навчався в Харківському національному медичному університеті. Зараз працює кардіологом у Харківській обласній дитячій лікарні.

Про лактазну недостатність

Новонароджені отримують корисні речовини з материнського молока, тому що через незрілість системи травлення дитина не здатна перетравлювати продукти, які вживають дорослі. Поступово раціон дитини повинен розширюватися: так стимулюється продукування біологічно активних речовин, які допомагають травленню (ферментів). Коли їжа стає все більш різноманітною, можна сказати, що дитина переходить на «дорослий» тип харчування, а отже, материнське молоко вже не є таким необхідним. Сигналом про такий перехід є зниження здатності засвоювати молоко.

1 Подібно до крохмалю, інулін слугує запасним вуглеводом, є у багатьох рослинах, переважно родини Складноцвіті (топінамбур, цикорій, артишок, кульбаба). Складається із залишків фруктози.

При цьому зменшується вироблення спеціального ферменту — лактази, який допомагає під час засвоєння лактози — дисахариду, що міститься в молоці. У такий спосіб мати могла зрозуміти, що вже може вигодовувати наступну дитину. Неможливість засвоювати лактозу називають лактозною непереносимістю, або лактазною недостатністю.

Вважається, що до льодовикового періоду всі дорослі мали лактозну непереносимість, а отже, не вживали молока. А близько 5 тисяч років до нашої ери з’явилися кочівники-скотарі, у яких у ході еволюційного розвитку відбулася мутація гена, що дало їм можливість засвоювати молоко. Добра переносимість лактози дала носіям цього гена переваги в боротьбі за виживання й можливість розширити території проживання. Адже молоко лише однієї корови дає змогу пережити зиму цілій родині. Більш трудомістка й ризикована альтернатива — утримувати ціле стадо заради м’яса.

Окрім того, молоко містить вітамін D, який ми отримуємо з деякими немолочними продуктами. Наявність його в молоці дозволила популяції мігрувати на північ Європи, на той час у зовсім пустельну місцевість, не боячись захворіти на рахіт.

Протягом приблизно тисячі років більшість жителів Європи поступово отримала цю мутацію (рис. Сьогодні ця мутація — один із найкращих тестів на «європейськість», тобто належність до корінних жителів континенту, які мешкають тут не менше шести тисяч років. Іншими словами, що нижча в нації кількість людей, які не переносять молока, то більш «корінним» є цей народ у Європі.

Неможливість засвоювати лактозу дала поштовх до широкого використання таких кисломолочних продуктів, як йогурт, кефір, сир тощо, у яких лактозу замість людини розщеплюють мікроорганізми. А отже, любителі молочних продуктів можуть бути спокійні: ці продукти залишаться «в моді»!

Рис. ІІ.1. Поширення лактазної недостатності

На мапі кольорами позначено відсоток людей, які не переносять лактозу.