Углеводы и липиды - строительный материал и источник энергии клетки - КЛЕТКА КАК СТРУКТУРНАЯ ЕДИНИЦА ОРГАНИЗМА

Постановка проблемы урока

Обыватель:Основа клетки построена всего из четырёх химических элементов - как скудно! Каким же образом обеспечивается сложность её функций? Неужели за счёт разнообразия других, “неосновных” элементов?

Биолог:Дело не в разнообразии элементов, а в способах образования сложных веществ. Из небольшого числа элементов природа создала универсальный “конструктор” с неограниченным числом “игр” и “моделей”!

• В чём противоречие? На какой вопрос мы будем искать ответ? Предложите свой и сравните с вариантом авторов на с. 396.

Необходимые базовые знания

• Почему углерод занимает особое место в живой природе? (9 класс)

• Какие основные классы органических соединений, входящих в состав организмов, вы знаете? (9 класс)

• Что такое полимер? (Химия)

• Что вы знаете о нуклеиновых кислотах? (9 класс; Химия)

Решение проблемы

Принципы строения органических веществ

• Какие особенности строения органических веществ обеспечивают разнообразие их структуры и функций?

Почти все молекулы клетки, исключая воду и небольшое число других молекул, представляют собой соединения углерода. Такой факт не может быть случайным. Действительно, углерод отличается от других элементов тем, что обладает исключительной способностью к образованию больших, даже огромных молекул. Небольшой по размеру атом углерода способен образовать четыре прочные ковалентные связи. Соединяясь друг с другом, атомы углерода образуют простые и разветвлённые цепи и кольца с различным числом звеньев. К ним присоединяются другие атомы, способные образовывать ковалентные связи. Основное число атомов, присоединяющихся к углероду, составляют водород, кислород и азот.

Такой способ построения молекул допускает существование огромного их разнообразия. Ещё более замечательно, что природой создан “молекулярный конструктор”: огромные молекулы не собираются каждый раз полностью заново, а распадаются на структурные блоки.

Существует ограниченный набор таких “деталей”, используя которые в том или ином сочетании можно собирать макромолекулы с разнообразными свойствами.

Молекулы, построенные из одинаковых или очень похожих “деталей”, называются полимерами, а звенья, из которых они состоят, — мономерами. В живых организмах известны три главных типа макромолекул: углеводы (полисахариды), белки и нуклеиновые кислоты. Мономерами для них, соответственно, служат простые сахара (моносахариды), аминокислоты и нуклеотиды. Макромолекулы составляют около 90% сухой массы клеток. Четвёртый тип органических молекул — это липиды.

Липиды

• Какие функции в организме выполняют липиды?

Липиды- это сборная группа, объединяющая разнообразные гидрофобные соединения — жиры, воски, стероиды, витамины А, Д, Е, К и некоторые другие, которые могут быть выделены из живых тканей неполярными растворителями — эфиром, бензолом, но не водой.

Жиры — это эфиры глицерина и, как правило, трёх жирных кислот, каждая из которых обычно содержит длинную углеводородную цепь с чётным количеством углеродных атомов.

В воде молекулы жиров собираются вместе и образуют капельки. Такая капелька в клетке не может раствориться без участия специфических ферментов, поэтому жиры могут долго храниться в форме однородной массы как энергетический резерв. При расщеплении жирных кислот образуется вдвое больше энергии, чем при расщеплении такой же массы глюкозы. Когда в организм поступает избыток питательных веществ, они преобразуются в жир и откладываются на случай непредвиденных обстоятельств.

7.1. Молекула нейтрального жира: А — модель; Б — структурная формула

У позвоночных жир откладывается в клетках подкожной клетчатки, которая для обитателей холодных областей и водной среды играет также роль теплоизолятора. В воде жир обеспечивает ещё и высокую плавучесть. У сухопутных животных жировые тела (околопочечная капсула, жировая подушка около глаза) защищают органы от сотрясения. При метаболическом окислении жиров образуется вода, которая очень важна для обитателей пустыни — песчанок, тушканчиков, верблюдов.

7.2. Молекула липида

Растения запасают энергию в виде масел — жиров, которые при обычной температуре (20°С) имеют жидкую консистенцию. Семена и плоды (например, семена сои и подсолнечника) очень богаты маслами. Листья растений покрыты слоем воска, который помогает сохранять воду в засушливые периоды.

7.3. В воде молекулы липидов образуют двухслойную плёнку

В фосфолипидах глицерин связан не с тремя, а с двумя цепями жирных кислот. Оставшееся свободное место занимает фосфатная группа, из-за которой один конец молекулы становится гидрофильным, а другой остаётся гидрофобным. При соприкосновении с водой все молекулы поворачиваются к её поверхности гидрофильным концом и образуют тонкую плёнку. Если такую плёнку погрузить в воду, она становится двухслойной: молекулы в ней обращены к воде гидрофильным полюсом, а друг к другу —гидрофобным.Это — почти готовая клеточная мембрана: тонкая плёнка, которой одеты все клетки и внутриклеточные органоиды.

7.4. Липидный пузырёк

Углеводы

• Какие функции в организме выполняют углеводы? Почему липиды не годятся на их роль?

Название “углеводы” говорит само за себя: в их составе на один атом углерода приходится одна молекула воды, т.е. углеводы содержат кислород, водород и углерод в соотношении 1:2:1. Углеводы делят на две группы: простые (моносахариды, дисахариды) и сложные (олигосахариды и полисахариды). Молекулы простых сахаров могут существовать либо в форме кольца, либо в виде цепи.

Простые углеводы(глюкоза, фруктоза, дисахариды) в большинстве клеток образуют легкодоступный запас энергии. Один из важнейших углеводов - сахар глюкоза, содержащий шесть атомов углерода (С₆Н₁₂О₆). Это — конечный продукт фотосинтеза, источник энергии, высвобождаемой в процессе дыхания живых организмов, и, следовательно, начальное звено всей пищевой цепи в биосфере.

Соединяясь как основные строительные модули, молекулы простых сахаров, в основном той же глюкозы, образуютсложные углеводы:крахмал, гликоген. Большие молекулы практически нерастворимы в воде и, следовательно, не оказывают на клетку ни осмотического, ни химического воздействия. Их цепи могут компактно свертываться, а при необходимости — быстро и легко превращаться в простые сахара в результате гидролиза. Все это позволяет использовать их как резерв питательных веществ и легкодоступной энергии.

Другие полимерные углеводы (целлюлоза, хитин) используются как прочный строительный материал. Цепочки, состоящие из простых сахаров, могут присоединяться к молекулам других веществ, меняя их свойства: к белкам, образуя гликопротеиды, или к липидам, образуя гликолипиды. Молекулы простых сахаров (рибозы и дезоксирибозы) участвуют как блоки в построении крупных молекул нуклеиновых кислот.

7.5. Построение сложных углеводов из простых

Обобщение новых знаний

Большие и сложные органические молекулы, различные по строению и составу, складываются из небольших мономеров, общих для всех живых организмов. Сахара и липиды - источник строительного материала и энергии для клеток. Гидрофобные свойства липидов используются в структуре мембран и в создании долгосрочных энергетических запасов. Наоборот, растворимость сахаров в воде удобна для краткосрочных и мобильных запасов энергии. Длинные цепи сложных углеводов создают основу клеточных стенок и опорных структур клетки.

Липиды. Углеводы

Применение знаний

1. Охарактеризуйте понятия “полимер” и “мономер”. Приведите примеры.

2. В чём отличие органических веществ от неорганических?

3. Назовите функции липидов.

4. Назовите функции углеводов.

5. Как вы думаете, какова роль липидов в формировании клетки в процессе эволюции?

6. Вспомните, какую роль играют углеводы в организме человека.

7. Вспомните, какую роль играют липиды в организме человека.

8. Подумайте, по какому признаку различаются моносахариды пентозы и гексозы.

7.6. Продукты, содержащие углеводы