§ 9. Углеводы, их строение и функции

Вопрос 1. Из — за какой особенности строения углеводы получили своё название?

Углеводы состоят из атомов трёх химических элементов. И их можно представить общей формулой Сn(H2O)m, где n и m равны трём и более. Из формулы видно, углеводы состоят из углерода, а соотношение водорода и кислорода в молекулах углеводов (2:1) такое же, как и в молекуле воды. Из — за такой особенности строения молекул углеводы и получили своё название. Правда, существуют углеводы с иным соотношением элементов, а некоторые могут содержать атомы азота, серы или фосфора.

Вопрос 2. Какие продукты питания имеют сладкий вкус? Как вы думаете, почему?

Сахар, молоко, рис, пшеница, финики, кленовый сироп, солодковый корень и многие другие продукты имеют сладкий вкус, потому что в них присутствуют углеводы.

Вопрос 3. В результате какого процесса на Земле образуются углеводы?

Углеводы образуются в процессе фотосинтеза — уникального биологического процесса превращения в сахара неорганических веществ — оксида углерода (IV) и воды, происходящего при участии хлорофилла за счёт солнечной энергии.

Вопрос 4. Какой состав имеют молекулы углеводов? Приведите общую химическую формулу углеводов. Возможны ли исключения?

Молекулы углеводов состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, причем соотношение водорода и кислорода в них 2:1, как в молекуле воды.

Углеводы, или сахара, имеют следующую общую формулу (СН2О)n и Сn(H2О)m, хотя эти соотношения не всегда строго выполняются (например, рибоза имеет состав С5Н10О5, а в молекуле похожей на неё дезоксирибозы на один атом кислорода меньше: С5Н10О4).

Вопрос 5. Какие моносахариды имеют наибольшее значение в природе и почему?

Среди моносахаридов наибольшее значение для клетки имеют пятиуглеродные рибоза и дезоксирибоза, входящие в состав нуклеотидов и нуклеиновых кислот, и рибулоза, к которой присоединяется углекислый газ в процессе фотосинтеза. Также для живых организмов весьма важны и некоторые шестиуглеродные сахара, такие, как глюкоза — основной источник энергии у человека и многих животных, фруктоза и галактоза, содержащиеся соответственно в продуктах растительного происхождения и в молоке млекопитающих. Поскольку глюкоза необходима для нормального функционирования нервной ткани, её содержание в крови человека и других животных поддерживается на постоянном уровне.

Трёхуглеродные сахара (глицериновый альдегид и др.) образуются в качестве промежуточных продуктов в различных процессах обмена веществ и необходимы, например, для синтеза липидов.

Вопрос 6. Почему даже здоровым людям важно контролировать уровень глюкозы в крови? Для кого это жизненно необходимо?

В нервных клетках мало собственных запасов питательных веществ, поэтому даже кратковременное прекращение поступление к ним глюкозы приводит к нарушению работы этих клеток или даже к их гибели. Следовательно, поддержание нормального уровня глюкозы в крови жизненно важно. Снижение уровня глюкозы в крови ниже 3,3 ммоль/л (гипогликемия) чревато нарушением работоспособности всех органов, и в первую очередь головного мозга. Возникает выраженная слабость, чувство голода, головокружение, тремор конечностей, спутанность сознания. В таком состоянии человек теряет работоспособность. При прогрессировании гипогликемии может развиться гипогликемическая кома. Повышение уровня глюкозы более 5,5 ммоль/л (гипергликемия) на короткий промежуток времени возникает как физиологическое состояние после приема пищи, особенно богатой углеводами. Кратковременное повышение сахара в крови ничем страшным для организма человека не грозит, а вот постоянное повышение уровня сахара в крови, которое наблюдается при сахарном диабете, чревато для организма многими осложнениями (ангиопатия, нефропатия, ретинопатия и другие).

Контроль уровня глюкозы в крови жизненно необходим диабетикам.

Вопрос 7. Какова роль (функции) полисахаридов в природе и жизни человека?

Линейный полисахарид целлюлоза (или клетчатка) образует стенки растительных клеток.

Хитин является структурным элементом многих защитных образований. Так, хитин составляет основу наружного скелета членистоногих и ряда других беспозвоночных, а также входит в состав клеточных стенок грибов и некоторых зелёных водорослей. Комплексы хитина с белками, пигментами и солями кальция представляют собой достаточно прочные высокоупорядоченные надмолекулярные структуры, которые не растворяются в воде.

Основной запасной растительный полисахарид крахмал и основной запасной полисахарид грибов и животных гликоген.

Таким образом, углеводы в живых организмах выполняют структурную и защитную (целлюлоза, хитин), запасную (гликоген, крахмал) и энергетическую (моно — , ди — и полисахариды) функции.

Вопрос 8. Напишите формулу четырёхуглеродного сахара (тетрозы).

Общая формула тетрозы — C4(H2O)4, или C4H8O4.

Вопрос 9. На основе текста параграфа и анализа иллюстраций составьте схему, отражающую классификацию углеводов, исходя из их структурных особенностей.

Вопрос 10. Составьте сравнительную таблицу горения органических веществ и их биологического окисления.

Вопрос 11. Посчитайте, сколько молекул кислорода потребуется для полного окисления молекулы сахарозы (С12Н22О11) и лауриловой (додекановой) жирной кислоты (С12Н2402). Напишите уравнения обеих реакций.

С12Н22О11 + 12 O2 = 12 СО2 + 11 Н2О для полного окисления сахарозы понадобится 12 молекул кислорода.

С12Н24О2 + 17 O2 = 12 СО2 + 12 Н2О для полного окисления лауриловой жирной кислоты понадобится 17 молекул кислорода.

Вопрос 12. Определите, сколько мономеров (С6Н10О5)n, т. е. чему равно число n в молекулярной формуле следующих полимеров:

а) хлопкового волокна (Mr = 1 750 000);

1) найдем относительную молекулярную массу одного звена:

Mr (С6Н10О5) = 6•12 + 1•10 + 5•16 = 162

1) найдем количество звеньев в волокне по формуле:

Ответ: число n в молекулярной формуле хлопкового волокна с Mr = 1 750 000 равно 10802, поэтому можно записать формулу хлопкового волокна — (С6Н10О5)10802.

б) льняного волокна (Mr = 5 900 000).

Зная относительную молекулярную массу одного звена С6Н10О5 из предыдущей задачи, можно сразу рассчитать количество звеньев в волокне.

Ответ: число n в молекулярной формуле льняного волокна с Mr = 5 900 000 равно 36420, формула льняного волокна — (С6Н10О5)36420.

Вопрос 13. Почему в клетках в качестве запасных углеводов откладываются полисахариды (крахмал и гликоген), а не моносахарид глюкоза?

В отличие от глюкозы гликоген, как и другие полисахариды, практически нерастворим в воде. Следовательно, он хранится в клетках в твёрдом, компактном состоянии (не занимает "лишний" объём) и не влияет на процессы осмоса (не повышает осмотическое давление внутриклеточного содержимого).

Кроме того, в сравнении с моносахаридами полисахариды химически более инертны (не обладают столь высокой реакционной способностью как, например, глюкоза), а значит, гликоген не оказывает существенного химического воздействия на процессы обмена веществ в клетках.

Вопрос 14. Почему после лечения крупного рогатого скота антибиотиками падают надои молока (у молочных пород) и привес (у мясных пород)? Что нужно сделать для того, чтобы исправить ситуацию?

Падают надои молока (у молочных пород) и привес (у мясных пород) не только после приема антибиотиков, но и до, т.к. болезнь поражает те или иные органы КРС, которые, в свою очередь, ослабляют свои функции.

Целью применения антибиотиков и является уничтожение болезнетворного фактора (угнетают токсины, образованные бактериями), нормализация бактериального состава кишечника. В результате нормализуется обмен веществ, усиливается иммунитет, повышается усвояемость кормов. Если антибиотики не применять, то заболевание может перейти в хроническую форму и привести к гибели организма. В то же время после лечения и выздоровления органы и ткани могут некоторое время восстанавливаться (это естественный процесс), но, бывает, могут частично или полностью утратить свои функции (это зависит от возбудителя заболевания, своевременного лечения, степени поражения, выбора антибиотика и т.д.). Поэтому после лечения крупного рогатого скота антибиотиками падают надои молока (у молочных пород) и привес (у мясных пород).

Чтобы исправить ситуацию необходимо не допускать возникновения заболеваний. Профилактика заключается в полноценном кормлении, условиях содержания, гигиене и правильном доении, применении витаминно — минеральных добавок и проведение вакцинаций. Соблюдение этих факторов позволит укрепить иммунитету животных. Если заболевание возникло, то необходимо устранять причину, а без антибиотиков уже не обойтись. Но чем быстрее животновод отреагирует, тем лучше.

Вопрос 15. ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3 «Обнаружение углеводов с помощью качественной реакции».

Цель: показать наличие углеводов в биологических объектах. Оборудование: штатив с пробирками, пипетки ёмкостью 1 мл, водяная баня. Реактивы: холодная вода со льдом, 1 % — ный раствор крахмала, 1 % — ный раствор йода в иодиде калия (раствор Люголя).

Ход работы:

1. К 10—12 каплям 1 % — ного раствора крахмала прибавьте каплю раствора Люголя. Запишите результат.

Наблюдается образования раствора синего цвета. Этот опыт доказывает, что качественной реакцией на крахмал является его взаимодействие с йодом.

2. Осторожно нагрейте раствор на водяной бане (100°С). Отметьте, что произошло с раствором. Запишите результат.

Если полученный раствор синего цвета нагреть, то синий цвет исчезнет.

3. Аккуратно поставьте пробирку в холодную воду со льдом. Что происходит с раствором по мере его охлаждения?

По мере охлаждения раствор вновь становится синим.

Сделайте вывод. Объясните сущность наблюдаемых процессов.

Наличие углеводов в биологических объектах можно доказать с помощью р — ра Люголя. Это качественная реакция. При добавлении р — ра Люголя в крахмальный раствор, происходит контакт двух веществ. Происходит реакция включения — молекулы йода встраиваются в кристаллическую структуру молекул крахмала. Изменяется цвет.