О.В. ПЕТУНИН

Продолжение. См. № 11, 12/2005

Уроки биологии в классах естественно-научного профиля

Расширенное планирование, 10 класс

5. Биологические функции липидов

Охарактеризуем важнейшие биологические функции липидов.

1. Строительная (структурная) – липиды принимают участие в образовании клеточных мембран. В составе мембран находятся фосфолипиды, гликолипиды, липопротеиды. Липиды также принимают участие в образовании многих биологически важных соединений.

2. Энергетическая – липиды содержат в молекулах большое число связей типа >С=С<; >С–С<, >С–Н – при меньшем, чем в молекулах белков и углеводов, количестве связей >С=О; >С–О–Н. Благодаря этому при их окислении выделяется большее количество энергии. При расщеплении 1 г жира до СО₂ и Н₂О энергии выделяется 38,9 кДж (9,5 ккал), что примерно в два раза больше по сравнению с белками и углеводами. Липиды обеспечивают 25–30% энергии, необходимой организму.

3. Запасающая – высокая калорийность и нерастворимость в воде делают жиры и масла идеальными компонентами для накопления энергии. Это особенно важно для животных, впадающих в холодное время года в спячку или совершающих длительные миграции через местность, где нет источников питания. Семена многих растений содержат жир, необходимый для обеспечения энергией прорастающего зародыша.

4. Терморегуляторная – жиры плохо проводят тепло, поэтому подкожный жировой слой теплокровных животных помогает им сохранять тепло. Например, у кита слой подкожного жира достигает 1 м.

5. Защитно-механическая – амортизирующие свойства подкожного жира защищают органы, например такие, как почки, от механического повреждения.

6. Каталитическая – связана с жирорастворимыми витаминами (А, D, Е, К), молекулы которых имеют липидную основу. Сами по себе витамины не обладают каталитической активностью, но они входят в состав ферментов, и без них последние не могут выполнять свои функции.

7. Источник метаболической влаги – одним из продуктов окисления жиров является вода. Эта метаболическая влага очень важна для обитателей пустынь. Так, жир, которым заполнен горб верблюда, служит в первую очередь не источником энергии, а источником воды (при окислении 1 кг жира выделяется 1,1 кг воды). Поэтому некоторые животные способны не пить по 10–12 дней.*

8. Защита от обводнения и чрезмерных потерь воды – жировые выделения сальных желез помогают коже и шерсти быть водонепроницаемыми. Восковая кутикула насекомых и растений уменьшает испарение воды, т.к. вода не может пересечь нерастворимый липидный слой.

9. Привлечение опылителей – пахучими веществами растений являются производные жирных кислот, которые привлекают насекомых, опыляющих растения.

10. Регуляторная – важная группа гормонов (кортизон, эстроген, тестостерон) являются стероидами, т.е. имеют липидную основу.

11. Электрическая изоляция – миелин, выделяемый шванновскими клетками, изолирует некоторые нейроны таким образом, что передача импульсов происходит значительно быстрее.

12. Участие в процессах питания – желчные кислоты и витамин D (участвует в переваривании жиров и всасывании Са²⁺) образуются из стероидов.

Таким образом, липиды выполняют многие жизненно важные функции в клетках и организмах.

Образование витамина D

III. Закрепление знаний

Обобщающая беседа по ходу изучения нового материала.

IV. Домашнее задание

Изучить параграф учебника (липиды, их содержание в организме, строение, свойства, классификация и биологическая роль).

Урок 7–8. Биологические полимеры. Разнообразие строения и биологических функций углеводов

Оборудование: таблицы по общей биологии, схемы строения липидов и их классификации, схемы и рисунки, иллюстрирующие строение различных углеводов.

I. Проверка знаний

Работа по карточкам

Карточка1. Какую роль могли сыграть молекулы липидов в появлении определенной автономности такой биологической структуры, как клетка?

Карточка 2. В клетках пойкилотермных (холоднокровных) животных содержание ненасыщенных жирных кислот обычно выше, чем в клетках гомойотермных (теплокровных) животных. Как вы это объясните?

Карточка 3. Какова роль жира, которым заполнен горб верблюда? А какую функцию выполняет «китовый жир»?

Карточка 4. Почему при сгорании жиров выделяется больше энергии, чем при сгорании углеводов и белков?

Устная проверка знаний по вопросам

1. Содержание липидов в живом веществе.
2. Строение и свойства липидов.
3. Классификация липидов.
4. Характеристика биологических функций липидов (двое учащихся).

II. Изучение нового материала

1. Биологические полимеры

Основу строения клеток и организмов составляют огромные молекулы, называемые полимерами. Полимеры (от греч. поли – много и мерос – часть) – гигантские молекулы, образованные многими повторяющимися частями, так называемыми мономерами (от греч. монос – один). Мономеры – это строительные блоки, способные соединяться друг с другом, образуя полимеры, известные также под названием макромолекул (от греч. макрос – большой).

К полимерам относятся основные составные элементы живых организмов – полисахариды (крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин), белки и нуклеиновые кислоты. Их называют биологическими полимерами. С начала XX в. химики стали изготовлять искусственные органические полимеры.

Молекулы биологических полимеров лежат в основе используемых людьми уже не одну тысячу лет шерсти и шелка (белки), хлопка (углевод целлюлоза), каучука (углеводород полиизопрен). Искусственные полимеры лежат в основе искусственного волокна, пластмасс и др.

Молекулярная масса искусственных полимеров имеет обычно неопределенную величину. Природные же полимеры имеют вполне определенную величину и массу – от нескольких тысяч до нескольких сотен тысяч (в исключительных случаях до 1 млн) молекул. Длина молекул доходит до нескольких сотен нанометров (1 нм равен 10^–9 м).

По особенностям строения полимеры делятся на два типа: регулярные и нерегулярные.

Регулярным, или периодическим, называется полимер, в молекуле которого группа мономеров периодически повторяется. Например: Б-А-А-Б-А-А-Б-А-А и т.д. (буквами А и Б обозначены разные мономерные звенья). К регулярным полимерам из биологических полимеров относятся многие полисахариды.

Нерегулярным, или непериодическим, называется полимер, в молекуле которого нет видимой закономерности в повторяемости мономеров. Например: А-Б-Б-Б-А-А-А-Б-А и т.д. Из биологических к нерегулярным полимерам относятся белки и нуклеиновые кислоты.

Итак, организм строит свои макромолекулы, соединяя друг с другом мономеры. Полимеры обладают многообразными свойствами. Это объясняется многочисленными вариантами соединения мономеров в цепь. За счет этого обеспечивается разнообразие жизни на нашей планете.

2. Содержание углеводов в живой материи

Углеводы – самые распространенные на Земле органические вещества. Они содержатся в клетках всех живых организмов. Название «углеводы» произошло потому, что первые известные вещества этого класса состояли как бы из углерода и воды. Общая их формула Сn(Н₂O)m. У большинства углеводов число атомов водорода в 2 раза превышает количество атомов кислорода. Позднее были найдены углеводы, не отвечающие этой общей формуле, но название «углеводы» сохранилось.

В животных клетках углеводов немного: 1–2, иногда до 5% (например, в клетках печени). Растительные клетки, напротив, богаты углеводами – там их содержание достигает 90% сухой массы.

3. Классификация углеводов и их свойства

Углеводы, или сахариды, по особенностям строения делятся на три группы.

1. Моносахариды (монозы, или простые сахара) – состоят из одной молекулы и представляют собой твердые кристаллические вещества, бесцветные и хорошо растворимые в воде. Почти все они обладают приятным сладким вкусом.

Моносахариды можно рассматривать как производные многоатомных спиртов (в простейшем случае – глицерина). При окислении глицерина получаются два простейших моносахарида – глицериновый альдегид и диоксиацетон, которые играют важную роль в обмене веществ в клетке.

Образование простейших моносахаридов

Глицериновый альдегид и диоксиацетон содержат по три углеродных атома и относятся к триозам (3С); тетрозы содержат четыре атома углерода (4С); пентозы – пять (5С); гексозы – шесть (6С); и гептозы – семь (7С).

Пентозы

В неразветвленном скелете моносахарида все атомы углерода, кроме одного, связаны с гидроксильными группами (–ОН) , а один – с карбонильным кислородом (=О). Если карбонильная группа находится в конце цепи, то моносахарид представляет собой альдегид (как, например, глицериновый) и называется альдозой, при любом другом положении этой группы он является кетоном (например, диоксиацетон) и называется кетозой.

Моносахариды существуют также и в виде замкнутых циклических форм, которые образуются в результате реакции спиртовой и альдегидной (или кетонной) групп внутри самой молекулы.

Из тетроз в процессах жизнедеятельности наиболее важна эритроза. Этот сахар в растениях является одним из промежуточных продуктов фотосинтеза.

Эритроза (структурная и циклическая формы)

Наиболее широко распространены в животном и растительном мире пентозы и гексозы. Пентозы представлены такими важными соединениями, как рибоза (С₅Н₁₀О₅) и дезоксирибоза (С₅Н₁₀О₄). В дезоксирибозе около одного из атомов углерода отсутствует кислород, отсюда и название этого углевода. Рибоза и дезоксирибоза входят в состав мономеров нуклеиновых кислот – ДНК и РНК, а также в состав АТФ.

Из гексоз наиболее широко распространены глюкоза, фруктоза и галактоза. Их общая формула С₆Н₁₂О₆. Глюкоза – виноградный сахар. Она входит в состав важнейших ди- и полисахаридов. Глюкоза – первичный и главный источник энергии для клеток. Фруктоза в большом количестве встречается в плодах, поэтому ее часто называют плодовым сахаром. Особенно много фруктозы в меде, фруктах, сахарной свекле. Галактоза – пространственный изомер глюкозы. Она входит в состав лактозы – молочного сахара, а также некоторых полисахаридов.

Моносахариды могут быть представлены в форме - и -изомеров. Гидроксильная группа при первом атоме углерода может располагаться как под плоскостью цикла (-изомер), так и над ней (-изомер). Молекулы крахмала состоят из остатков -глюкозы, а молекулы целлюлозы – из остатков -глюкозы.

2. Олигосахариды (полисахариды первого порядка) составляют промежуточную группу между моносахаридами и высшими полисахаридами (полисахаридами второго порядка). Они содержат от 2 до 10 моносахаридных остатков. В зависимости от количества остатков моносахаридов (количества мономерных звеньев), входящих в молекулы олигосахаров, различают дисахариды, трисахариды и т.д. Наиболее широко распространены в природе дисахариды, молекулы которых образованы двумя остатками моносахаридов. К ним относятся сахароза, лактоза и мальтоза.

Сахароза

Сахароза – хорошо знакомый нам тростниковый или свекловичный сахар; общая формула С₁₂Н₂₂О₁₁. Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы. Она чрезвычайно широко распространена в растениях (семена, ягоды, корни, клубни, плоды) и играет большую роль в питании многих животных и человека. Этот дисахарид легко растворим в воде. Главное сырье для получения сахарозы – сахарная свекла и сахарный тростник.

Лактоза

Лактоза – молочный сахар, имеет в составе глюкозу и галактозу. Этот дисахарид находится в молоке (от 2 до 8,5%) и является основным источником энергии для детенышей млекопитающих. Используется в микробиологической промышленности для приготовления питательных сред.

Мальтоза

Мальтоза – солодовый сахар, состоит из двух молекул глюкозы. Мальтоза является основным структурным элементом крахмала и гликогена.

Схема строения крахмала и гликогена

Олигосахариды еще называют сахароподобными веществами.

Крахмальные зерна пшеницы (а), овса (б) и картофеля (в)

3. Полисахариды второго порядка, или несахароподобные сложные углеводы, в воде не растворяются, сладкого вкуса не имеют. Образуются в результате реакции поликонденсации и состоят из большого числа моносахаридов. Молекулярная масса велика и составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Важнейшими полисахаридами являются крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин, муреин.

Крахмал является смесью двух полимеров -глюкозы: амилозы и амилопектина. Амилоза состоит из остатков глюкозы, соединенных в неразветвленную цепь. В составе амилозы – от 60 до 300 остатков глюкозы. Молекулы амилозы свернуты в спирали. Амилоза способна растворяться в горячей воде и в присутствии йода окрашивается в синий цвет. Амилопектин состоит как из линейных, так и из разветвленных цепей, образованных примерно 1500 остатками глюкозы. Амилопектин окрашивается йодом в сине-фиолетовый цвет.

Количество остатков глюкозы в молекуле крахмала исчисляется несколькими тысячами. Его общая формула (С₆Н₁₀О₅)n. Крахмал содержится в большом количестве, например, в клубнях картофеля, в большинстве семян и во многих плодах. Запасается крахмал в виде крахмальных зерен, наиболее крупные они у картофеля, а самые мелкие – у риса и гречихи.

Гликоген – полисахарид, содержащийся в тканях тела животных и человека, а также грибах, дрожжах и зерне сахарной кукурузы. Гликоген играет важную роль в превращениях углеводов в животных организмах. Он в значительных количествах накапливается в печени, мышцах, сердце и других органах. Гликоген поставляет глюкозу в кровь. Он является полимером -глюкозы и по структуре напоминает амилопектин, но разветвлены его полимерные цепи сильнее. Молекула гликогена состоит примерно из 30 тыс. остатков глюкозы.

Конформация молекулы целлюлозы

Клетчатка (целлюлоза) – главный структурный полисахарид клеточных стенок растений. В ней аккумулировано около 50% всего углерода биосферы. Клетчатка нерастворима в воде. По своей структуре это линейный полимер. Ее молекула представляет собой неразветвленную вытянутую цепочку моносахаридов, представленных -глюкозой. Множество линейных молекул целлюлозы уложено параллельно и «связано в пучки» водородными связями. Поперечная связь между цепями препятствует проникновению воды, поэтому целлюлоза очень устойчива к гидролизу и, следовательно, является прекрасным строительным материалом, идеально подходящим для растений.

Хитин – это другой полимер, мономером которого является аминопроизводное -глюкозы – N-ацетилглюкозамин. Хитин является еще одним строительным материалом, которого особенно много в наружном скелете членистоногих и в клеточных стенках грибов.

Таким образом, углеводы – разнообразная по своему строению, а следовательно, и по физическим и химическим свойствам, группа веществ. Это многообразие позволяет им выполнять в клетках и организмах многочисленные функции.

4. Биологические функции углеводов

Со многими функциями этих органических веществ мы уже познакомились выше, поэтому подчеркнем лишь главные функции углеводов.

1. Энергетическая – углеводы служат источником энергии для организма. При окислении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж (4,2 ккал) энергии. Следует отметить, что сахара являются главным источником быстро мобилизуемой энергии, так как в процессе пищеварения они легко переводятся в форму, пригодную для удовлетворения энергетических потребностей клеток.

2. Строительная – целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, хитин обнаруживается в клеточной стенке грибов и в наружном скелете членистоногих, гликопротеиды – соединения углеводов с белками входят в состав хрящевой и костной ткани животных.

3. Запасающая – выражается в том, что крахмал накапливается клетками растений, а гликоген – клетками животных. Эти вещества служат для клеток и организмов источником глюкозы, которая легко высвобождается по мере необходимости.

4. Защитная – гепарин – ингибитор свертывания крови; слизи, выделяемые различными железами и богатые углеводами, предохраняют пищевод, кишечник, желудок, бронхи от механических повреждений, препятствуют проникновению в организм бактерий и вирусов; камеди, выделяющиеся в местах повреждения стволов и ветвей, защищают деревья и кустарники от проникновения инфекций через раны.

5. Составная часть жизненно важных веществ – входят вместе с белками в состав ферментов, входят в состав ДНК, РНК, АТФ, участвуют в синтезе коферментов НАД⁺, НАДФ⁺, ФАД⁺.

6. Участие в фиксации углерода – рибулозобисфосфат является непосредственным акцептором углекислого газа в темновой фазе фотосинтеза.

Фиксация СО₂ в темновой фазе фотосинтеза

III. Закрепление знаний

Обобщающая беседа по ходу изучения нового материала.

IV. Домашнее задание

Изучить параграф учебника (углеводы, их содержание в организмах, строение, свойства и биологическая роль). Повторить материал по темам «Неорганические вещества» и «Липиды» для тестирования на следующем уроке.

Урок 8–9. Белки, их содержание в клетке, молекулярная масса. Строение и свойства аминокислот. Первичная, вторичная, третичная и четвертичная структура белка

Оборудование: таблицы по общей биологии, схемы и рисунки, иллюстрирующие строение углеводов и белков, схема классификации белков.

I. Проверка знаний

Работа по карточкам

Карточка 1. Почему промороженный картофель вскоре после оттаивания становится сладким? За счет чего сорванные незрелыми плоды растений (например, яблоки, груши, бананы) при хранении становятся мягкими и сладкими?

Карточка 2. Почему глюкоза в организме животных хранится в форме гликогена, хотя его синтез из глюкозы требует дополнительных затрат энергии? А для чего в организме растений из глюкозы образуется целлюлоза и крахмал?

Карточка 3. Почему в тканях растений количество углеводов значительно больше, чем у животных?

Карточка 4. Каково значение углеводов в жизнедеятельности человека? Какие виды патологий может вызывать нарушение превращений углеводов в организме?

Карточка 5. Почему наши клетки обычно запасают глюкозу в виде полимера гликогена, а не в виде собственно глюкозы?

Карточка 6. Желудочно-кишечный тракт большинства животных и человека не приспособлен к перевариванию целлюлозы, тогда как крахмал и гликоген расщепляются до глюкозы и усваиваются организмом. Объясните причину такого явления, учитывая, что все перечисленные полисахариды состоят из остатков глюкозы. За счет чего происходит переваривание клетчатки в организме травоядных животных?

Устная проверка знаний по вопросам

1. Полимеры (привести примеры), деление полимеров на регулярные и нерегулярные.
2. Содержание углеводов в органическом веществе.
3. Строение и свойства углеводов (три учащихся).
4. Биологические функции углеводов.

Тестовая проверка знаний

Выбрать правильные ответы.

Вариант 1

1. Какие суждения верны:

а) жиры относятся к гидрофильным веществам;
б) вода обладает большой теплоемкостью и теплопроводностью;
в) щелочная среда формируется в клетке при избытке водородных ионов;
г) вода принимает участие в образовании структуры молекул растворенных веществ.

2. К моносахаридам относятся:

а) крахмал;
б) гликоген;
в) глюкоза;
г) дезоксирибоза;
д) сахароза;
е) мальтоза;
ж) лактоза;
з) целлюлоза.

3. Липиды выполняют в организме следующие функции:

а) структурную;
б) энергетическую;
в) теплоизолирующую;
г) регуляторную;
д) каталитическую;
е) источник эндогенной воды;
ж) запасающую;
з) входят в виде витаминов в состав некоторых ферментов.

4. В состав молекулы ДНК входят остатки моносахарида:

а) рибозы;
б) дезоксирибозы;
в) глюкозы;
г) фруктозы.

5. Основу клеточных мембран образуют:

а) жиры;
б) фосфолипиды;
в) воска;
г) гликолипиды.

6. Вода имеет максимальную плотность при температуре:

а) 0 °С;
б) +4 °С;
в) +20 °С;
г) +25 °С.

7. Верны следующие суждения:

а) молекулы воды удерживаются друг около друга за счет ковалентных связей;
б) молекулы воды удерживаются друг около друга за счет водородных связей
в) ковалентные связи в 15–20 раз прочнее водородных;
г) водородные связи в 15–20 раз прочнее ковалентных.

Вариант 2

1. Каково соотношение ионов натрия и калия по обе стороны наружной клеточной мембраны:

а) снаружи клетки больше калия и меньше натрия, чем внутри;
б) снаружи клетки больше натрия и меньше калия, чем внутри;
в) и натрия, и калия снаружи клетки больше, чем внутри;
г) и натрия, и калия внутри клетки больше, чем снаружи.

2. К полисахаридам относятся:

а) крахмал;
б) гликоген;
в) глюкоза;
г) дезоксирибоза;
д) хитин;
е) мальтоза;
ж) лактоза;
з) целлюлоза.

3. Утверждение: «Фосфолипиды – сложные эфиры глицерина и жирных кислот»:

а) верно;
б) неверно.

4. Углеводы выполняют следующие функции:

а) структурную;
б) энергетическую;
в) каталитическую;
г) регуляторную;
д) источник эндогенной воды;
е) запасающую.

5. Молекула крахмала состоит из остатков:

а) рибозы;
б) -глюкозы;
в) -глюкозы;
г) дезоксирибозы.

Продолжение следует

* Весьма распространенное заблуждение, часто встречающееся даже в учебниках. При окислении жира действительно выделяется значительно больше воды, чем при окислении белков и углеводов. Но для окисления эквивалентного количества жира необходимо и значительно большее количество кислорода, а значит, усиленная вентиляция легких. Каждая порция воздуха согревается в легких до температуры тела и полностью насыщается водяным паром, который при очередном выдохе теряется из организма. Это сводит преимущества жира, как источника метаболической воды, на нет. Для пустынных животных, в т.ч. верблюда, жир является в первую очередь именно источником энергии, а способность долгое время обходится без воды связана с рядом физиологических приспособлений. – Прим.ред.