Вещества, из которых состоят растения

Вещества, из которых состоят растения

В земной коре встречается около 100 химических элементов, но для жизни необходимы только 16 из них (табл. 1). Наиболее распространены в живых организмах четыре элемента: водород, углерод, кислород и азот. На их долю приходится более 99% как массы, так и числа атомов, входящих в состав всех живых организмов.
Какие вещества растений образованы этими элементами? Больше всего в растениях содержится воды H2O – от 60 до 95% общей массы организма. Кроме того, в растениях имеются «строительные блоки» – простые органические соединения, из которых строятся биомакромолекулы (табл. 2).
Таким образом, из сравнительно небольшого числа видов молекул получаются все макромолекулы и структуры живых клеток.
Макромолекулы представляют собой полимеры, построенные из многих повторяющихся единиц. Звенья, из которых состоят макромолекулы, называют мономерами. Существует три типа макромолекул: полисахариды, белки и нуклеиновые кислоты (рис. 1). Мономерами для них служат соответственно моносахариды, аминокислоты и нуклеотиды (табл. 3).

Рис. 1. Полимерные макромолекулы:
а — полисахарид (разветвленный); б — фрагмент двойной спирали ДНК (полинуклеотид);
в — полипептид (фрагмент молекулы миоглобина)

Углеводы

Углеводы являются основным питательным и опорным материалом растительных клеток и тканей. В молекулах большинства углеводов водород и кислород присутствуют в том же соотношении, что и в молекуле воды (например, глюкоза С6Н12О6 или С6(Н2О)6). Все углеводы – полифункциональные соединения. К ним относятся моносахариды – полигидроксиальдегиды (альдозы), полигидроксикетоны (кетозы) и полисахариды (крахмал, целлюлоза и др.) (см. табл.4).

Углеводы – один из важнейших классов природных веществ, содержащихся в растениях. На их долю приходится до 90% сухого вещества растений.

Углеводы являются главными продуктами фотосинтеза в зеленых растениях:

У многих растений углеводы в большом количестве накапливаются в виде сахара и крахмала в корнях, клубнях и семенах и используются затем в качестве запасных питательных веществ.

Рис. 2. Растения, из которых получают сахар в промышленности:
а — сахарная свекла; б — сахарный тростник

Полисахариды удобны в качестве запасных питательных веществ по ряду причин. Во-первых, большие размеры молекул делают их практически нерастворимыми в воде. Поэтому полисахариды не оказывают на клетку ни осмотического, ни химического влияния. Во-вторых, цепи полисахаридов могут компактно свертываться и при необходимости легко превращаться в сахара путем гидролиза:

Стенки клеток растений и растительные волокна состоят главным образом из целлюлозы. В плодах и ягодах также преобладают углеводы. Углеводы – это крахмал, клетчатка (целлюлоза), сахара, пектиновые вещества и многие другие соединения растительного происхождения (рис. 3). В процессе распада углеводов организмы получают основную часть энергии, которая необходима для поддержания жизни и биосинтеза других сложных соединений.

Рис. 3. Растительные продукты – поставщики крахмала и целлюлозы:
а — картофель; б — кукуруза; в — зерно; г — хлопчатник; д — древесина

Вопросы

1. В чем различие между молекулярной и структурной формулами соединений?
2. Напишите структурные формулы линейного и циклического изомеров глюкозы С6Н12О6.
3. Каковы молекулярные формулы моносахаридов, различающихся числом атомов углерода в молекуле: триозы (3С), тетрозы (4С), пентозы (5С), гексозы (6С) и гептозы (7С)?
4. Какова валентность элементов С, Н и О в их соединениях?
5. Сколько гидроксильных групп имеется в линейной и циклической формах углеводов: а) рибозы; б) глюкозы?
6. Укажите, какие из следующих сахаров представляют собой пентозы, а какие – гексозы.

7. Из каких остатков глюкозы (a - или b-формы) построены молекулы: а) крахмала, б) целлюлозы?

Фрагмент молекулы амилопектина (крахмала)

Фрагмент молекулы целлюлозы

8. Какие химические связи в молекулах ди - и полисахаридов называют гликозидными связями?

Липиды

Липиды – это нерастворимые в воде органические вещества, которые можно извлечь из клеток органическими растворителями – эфиром, хлороформом и бензолом. Классические липиды – это сложные эфиры жирных кислот и трехатомного спирта глицерина. Их называют триацилглицерины или триглицериды.

Связь между карбонильным углеродом и кислородом при алкильной группе жирной кислоты называют сложноэфирной связью:

Триолеат

Триацилглицерины принято делить на жиры и масла в зависимости от того, остаются ли они твердыми при 20 °C (жиры) или имеют при этой температуре жидкую консистенцию (масла). Температура плавления липида тем ниже, чем больше в нем доля ненасыщенных жирных кислот.

Большая часть жирных кислот RCOOH содержит четное число атомов углерода, от 14 до 22 (чаще всего R=C15 и С17). В составе растительных жиров обычно встречаются ненасыщенные (имеющие одну или несколько двойных связей С=С) кислоты – олеиновая, линолевая и линоленовая кислоты и насыщенные жирные кислоты, у которых все связи С—С одинарные. В некоторых маслах в больших количествах содержатся редкие жирные кислоты. Например, в касторовом масле, получаемом из семян клещевины, накапливается много рицинолевой кислоты (см. табл.).

Липиды, содержащиеся в растениях, могут находиться в них в форме запасного жира или являться структурным компонентом протопласта клеток. Запасные и «структурные» жиры выполняют различные биохимические функции. Запасной жир откладывается в определенных органах растений, чаще всего в семенах, и используется при их хранении и прорастании в качестве питательного вещества. Липиды протопласта являются необходимой составной частью клеток и содержатся в них в постоянных количествах. Из липидов и соединений липидной природы (комбинаций с белками – липопротеинов, углеводами – гликолипидов) построены цитоплазматическая мембрана на поверхности клеток и мембраны клеточных структур – митохондрий, пластид, ядра. Благодаря мембранам регулируется проницаемость клеток для различных веществ. Количество мембранных липидов в листьях, стеблях, плодах, корнях растений обычно достигает 0,1—0,5% от веса сырой ткани. Содержание запасного жира в семенах разных растений различно и характеризуется следующими величинами: у ржи, ячменя, пшеницы – 2—3%, хлопчатника, сои – 20—30% (рис. 4).

Рис. 4. Масличные культуры: а — лен; б — подсолнечник; в — конопля; г — олива; д — соя

Интересно, что примерно у 90% всех видов растений в качестве основного запасного вещества в семенах откладывается не крахмал (как у зерновых культур), а жиры (как у подсолнечника). Объясняется это тем, что в качестве источника энергии при прорастании семян используются главным образом запасные жиры. Отложение жиров в запас выгодно для растений, так как при их окислении выделяется примерно в два раза больше энергии, чем при окислении углеводов или белков.

Основными константами, характеризующими свойства жира, являются его температура плавления, кислотное число, число омыления и йодное число. Ниже приведены температуры плавления некоторых растительных масел:

хлопковое масло —1... —6 °C;
оливковое масло —2... —6 °C;
подсолнечное масло —16... —18 °C;
льняное масло —16... —27 °C.

Кислотное число жира – количество миллиграммов щелочи КОН, необходимой для нейтрализации свободных жирных кислот, содержащихся в 1 г жира. По кислотному числу контролируют качество жиров.

Число омыления – количество миллиграммов щелочи КОН, необходимой для нейтрализации свободных и связанных в виде глицеридов кислот, содержащихся в 1 г жира. Число омыления характеризует среднюю величину молекулярной массы жира.

Йодное число – количество граммов галогена I2, которое способно присоединиться к 100 г жира. Йодное число характеризует степень ненасыщенности жирных кислот в составе жира. Йодные числа большинства растительных жиров находятся в пределах 100—160.

Пример 1. Найдите кислотное число жира, для нейтрализации 2,8 г которого понадобилось 3 мл раствора, содержащего в 1 л 0,1 моль КОН.

Решение. Молярная масса гидроксида калия

М (КОН) = 56 г/моль.

В 1 л 0,1 молярного раствора содержится 5,6 г КОН, а в 3 мл (0,003 л) – 3 х 5,6 х 10-3=16,8 мг.

Составим пропорцию:

для нейтрализации 2,8 г жира требуется 16,8 мг КОН,
для нейтрализации 1 г жира требуется Х мг КОН;
откуда Х=16,8:2,8=6 мг КОН.

Ответ: кислотное число жира = 6.

Фосфолипиды

Фосфолипиды отличаются от истинных жиров тем, что в их состав входит фосфорная кислота и какое-либо азотсодержащее соединение.

Общая формула фосфолипидов следующая:

Воска

Воска – это сложные эфиры высокомолекулярных одноатомных спиртов и жирных кислот. В состав эфиров, образующих воска, наиболее часто входят пальмитиновая СН3(СН2)14СООН и церотиновая СН3(СН2)24СООН кислоты, а из спиртов – цетиловый СН3(СН2)14СН2ОН, цериловый СН3(СН2)24СН2ОН и мирициловый СН3(СН2)28СН2ОН спирты.

Воска играют важную роль в растениях, главным образом как защитное средство. Покрывая тонким слоем листья, плоды, стебли, восковой налет предохраняет растения от поражения вредителями, болезнетворными микроорганизмами и от излишней потери воды.

Стероиды и терпены

Стероиды и терпены можно отнести к веществам липидной природы, исходя из того, что жирные кислоты участвуют в их синтезе. Эти соединения построены из пятиуглеродных строительных блоков (С5Н8), принадлежащих к классу изопренов. Терпенами называют углеводороды состава С10Н16, чаще всего встречающиеся в природе в смоле хвойных растений и во многих эфирных маслах. В тех же природных объектах содержатся и многие кислородсодержащие вещества, по строению близкие к терпенам.

Скипидар (растворитель липидов) получают из смолистых выделений сосны. Он состоит преимущественно из a-пинена. Ментол обусловливает запах мяты перечной. Лимонен содержится в скипидаре, мятном масле, а также в лимонном масле, сельдерейном и тминном маслах (рис. 5).

Рис. 5. Растения – источники терпенов: а — сосна; б — мята перечная; в — сельдерей; г — тмин

Стероидами называют соединения с тетрациклической конденсированной системой:

 Стерины относятся к классу стероидов. Их выделяют из неомыляемой фракции жиров. Все стерины построены по общей схеме:

 Например, эргостерин (R=CH3) выделен из спорыньи, а также из дрожжей. Стигмастерин (R=C2H5) содержится в соевом масле и масле семян других высших растений.

Вопросы

9. На примере взаимодействия уксусной кислоты CH3СООН с этанолом C2H5ОН поясните, что представляет собой реакция конденсации.

10. Который из двух липидов – тристеарин (температура плавления 72 °C) или триолеин (температура плавления —5 °C) – вы отнесли бы к маслам?

11. Известно, что при окислении 1 г жиров выделяется 9 ккал энергии, а при окислении 1 г углеводов или белков примерно 4,5 ккал. Сколько граммов сахарозы C12H22О11 может заменить 0,1 моль тристеарина?

12. Сколько миллилитров воды можно получить при полном окислении 50 г жира тристеарина в организме?

13. Сколько двойных связей С=С в ненасыщенной жирной кислоте – эруковой C22H42О2?

14. Сколько различных пространственных изомеров у линолевой кислоты C18H32О2?

15. Каково кислотное число жира, для нейтрализации 6 г которого потребовалось 10 г 0,3%-ного раствора КОН?

16. Определите число омыления жира триолеина, содержащего 2% несвязанной олеиновой кислоты?

17. Каково йодное число стеаринодиолеина?

Аминокислоты и белки

Аминокислотами называют соединения, содержащие в молекуле аминогруппу (—NН2) и карбоксильную группу (—СООН). Аминокислоты, входящие в состав белков, являются a-аминокислотами.

Общая формула аминокислот:

У большей части аминокислот имеется одна кислотная и одна основная группы. Эти кислоты называют нейтральными. Существуют также основные аминокислоты – с более чем одной аминогруппой и кислые аминокислоты – с двумя карбоксильными группами:

Растения синтезируют все необходимые им аминокислоты из более простых веществ.

Аминокислоты способны соединяться друг с другом с отщеплением воды и образованием азот-углеродной пептидной связи:

Новое соединение – дипептид – содержит на концах молекулы аминогруппу и карбоксильную группу. Благодаря этому дипептид может присоединять другие аминокислоты с образованием полипептида:

Содержание аминокислот в растениях меняется в зависимости от возраста растений, внешних условий: температуры, длины дня, увлажнения и т. д., а также от питания. При этом изменяется не только концентрация, но и качественный состав аминокислот. Количество свободных аминокислот с возрастом растений понижается. В вегетативных органах растений свободных аминокислот больше, чем в репродуктивных (для белков наблюдается обратная зависимость). Увеличение общего количества свободных аминокислот наблюдается при пониженном питании растений калием, фосфором, серой, кальцием и магнием. Такое же действие происходит при недостатке ряда микроэлементов: цинка, меди, марганца, железа. Это связано с ослаблением синтеза белков из аминокислот в этих условиях. Увеличение содержания аминокислот наблюдается также при улучшении азотного питания.

Белки – главная составная часть любой клетки, в том числе растительной. Они представляют собой высокомолекулярные соединения, построенные из аминокислот. Именно белки играют основную роль в обмене веществ. Молекулярная масса белков составляет от нескольких тысяч до нескольких миллионов углеродных единиц. Как правило, в растениях белков меньше, чем в организмах животных. В вегетативных органах культурных растений количество белков достигает 5—15% веса сухой ткани, в семенах злаков – 10—20%, в семенах бобовых и масличных культур – 25—35% (рис. 6). Основную часть белков в клетках любых организмов составляют белки-ферменты.

Рис. 6. Растения, богатые белками: а — пшеница; б — люпин; в — фасоль; г — горох

Ферменты

Ферменты – это биологические катализаторы, способные в тысячи и даже в миллионы раз ускорять течение химических реакций. Ферменты играют главную роль в обмене веществ. Молекулы ферментов значительно больше молекул превращающихся веществ (субстратов). В ходе ферментативной реакции субстрат соединяется с определенным небольшим участком молекулы фермента. Гидролиз сахарозы под действием фермента протекает в три стадии (рис.7).

Рис. 7. Ферментативный гидролиз субстрата

1. Связывание молекулы субстрата с ферментом с образованием активированного комплекса.
2. Гидролиз молекулы сахарозы под действием воды с образованием глюкозы и фруктозы.
3. Освобождение фермента с отделением молекул продуктов реакции.

Белки в клетках постоянно подвергаются обмену. Непрерывно идет синтез и распад белков, перераспределение их между отдельными тканями и органами растений.

18. Какое из перечисленных соединений является аминокислотой:

CH3СООН, CH3CH2NH2, H2NCH2СООН, CH3С(О) NH2, НОСН2СН2NH2?

19. Отметьте пептидную связь:

20. Напишите уравнение реакции, в которой происходит конденсация трех молекул глицина H2NCH2СООН.

21. В какой из аминокислот – лейцин, лизин, метионин – массовая доля азота n (N) наибольшая?

22. Сколько миллилитров азота выделится при дезаминировании (разложении с отщеплением молекулярного азота) 0,2 моль дипептида глицилфенилаланина?

23. Напишите уравнения реакций кислотного и щелочного гидролиза цистеиласпарагиновой кислоты (дипептида).

Нуклеиновые кислоты

Нуклеиновые кислоты представляют собой генетический материал всех живых организмов. Они участвуют в биосинтезе клеточных белков, в том числе и белков-ферментов. Таким образом, все процессы обмена веществ в клетках (как растений, так и животных) управляются нуклеиновыми кислотами.

Количество нуклеиновых кислот в молодых листьях и в точках роста побегов значительно больше, чем в старых листьях и в стеблях. Содержание этих кислот в органах растений следующее (в процентах от сухой массы): семяпочка мака – 5–6%, зародыши кедрового ореха – 7%, зародыши пшеницы – 8%. В листьях и стеблях большинства растений содержание нуклеиновых кислот составляет 0,1–1%.

Нуклеиновые кислоты состоят из мономерных единиц (нуклеотидов), соединенных сахарофосфатными связями. Нуклеотиды отличаются друг от друга азотистыми гетероциклическими основаниями (В), связанными с моносахаридами (рибозой или дезоксирибозой) (рис. 8). В полинуклеотиде имеется сахарофосфатная цепь, построенная с помощью диэфирных мостиков между 3-м и 5-м углеродами остатков сахаров.

Рис. 8. Нуклеотидные звенья, соединенные сахарофосфатными связями

В природе существуют нуклеиновые кислоты двух типов. Это рибонуклеиновые кислоты (РНК), содержащие сахар рибозу, и дезоксирибонуклеиновые кислоты (ДНК), содержащие сахар 2-дезоксирибозу.

Молекула ДНК состоит из двух спиральных нуклеотидных цепей, удерживающихся вместе благодаря спариванию оснований, принадлежащих соседним цепям. Азотистые основания удерживаются между собой водородными связями. При этом аденин всегда спаривается с тимином (А–Т), а гуанин – с цитозином (Г–Ц). То есть пуриновое основание образует специфическую водородную связь с пиримидиновым основанием. При таком сочетании основания оказываются точно подогнанными друг к другу. Общий размер и форма двух этих пар оснований одинаковы. Это – комплементарные основания. Водородные связи при других сочетаниях оснований в принципе возможны, но они гораздо слабее. Схематически развернутые цепи ДНК изображены на рис. 9.

Рис. 9. Схема развернутой цепи ДНК

Спаривание оснований – аденина с тимином и гуанина с цитозином – показано на рис.10.

Рис. 10. Водородные связи между комплементарными пуриновыми и пиримидиновыми основаниями

РНК в отличие от ДНК бывает по большей части одноцепочечной. Различают три формы РНК – транспортную (тРНК), рибосомальную (рРНК) и информационную, или матричную (мРНК). Все эти формы РНК участвуют в синтезе белков.

Нуклеотиды в растениях могут фосфорилироваться с образованием моно-, ди - и трифосфонуклеотидов. При фосфорилированииаденина получают последовательно аденозинмонофосфат (АМФ), аденозиндифосфат (АДФ) и аденозинтрифосфат (АТФ).

При гидролитическом отщеплении двух концевых фосфатных групп от АТФ выход свободной энергии на 1 моль каждой из них составляет 30,6 кДж. При гидролизе АТФ выделяется больше энергии, чем при гидролизе многих других соединений. По этой причине принято говорить, что АТФ и АДФ содержат высокоэнергетические пирофосфатные связи.

АТФ – постоянный источник энергии для клетки. Когда клетка нуждается в энергии, она гидролизует АТФ. Ферментативные реакции подразделяют на анаболические (реакции синтеза) и катаболические (реакции распада).

Распад нуклеиновых кислот в растениях до более простых соединений происходит в несколько стадий и катализируется ферментами. В первую очередь расщепляются сахарофосфатные связи. В результате из ДНК и РНК получаются мононуклеотиды. Образовавшиеся нуклеотиды используются в синтезе новых молекул нуклеиновых кислот или распадаются дальше до нуклеозидов и фосфорной кислоты:

В нуклеозидах, в свою очередь, расщепляется гликозидная связь между основанием и пентозой.

Все реакции распада молекул нуклеиновых кислот проходят с участием молекул воды, поэтому ферменты, осуществляющие эти реакции, получили название гидролиз.

Растения очень экономно используют азотсодержащие соединения и превращают их в ряд других низкомолекулярных соединений, участвующих в обмене веществ. Так, пуриновые основания (аденин и гуанин) подвергаются ферментивному, гидролитическомудезаминированию с образованием гипоксантина и ксантина. Гипоксантин ферментативно окисляется до ксантина, а затем последовательно до мочевой кислоты, аллантоина, глиоксиловой кислоты и мочевины. Конечными продуктами распада являются аммиак и углекислый газ (рис. 11). Азот аммиака вновь используется для синтеза аминокислот и других азотсодержащих мономеров.

Рис. 11. Схема распада пуриновых оснований в растениях

Вопросы

24. Что является мономерным звеном нуклеиновых кислот?

25. Посредством какой химической связи соединены друг с другом нуклеотиды в нуклеиновых кислотах (отметьте верный вариант ответа): а) углерод-углеродная связь С—С;
б) двойная связь С=С; в) амидная (пептидная) связь С(О)—N; д) водородная связь типа
N...—O или O...HN; д) фосфоэфирная (сахарофосфатная) связь Р(О)—О—С; е) простая эфирная связь С—О—С?

26. Где выше содержание нуклеиновых кислот — в молодых листьях и в точках роста побегов или в старых листьях и стеблях?

27. В чем сходство и различие нуклеотидов и нуклеозидов?

28. Приведите две-три особенности, отличающие РНК от ДНК.

29. Что такое АТФ и каковы ее функции в живых клетках?

30. Какие азотистые основания присутствуют только в РНК или ДНК, а какие – повторяющиеся, встречающиеся в обоих видах?

31. К каким типам реакций – анаболическим или катаболическим – относятся следующие ферментативные процессы: а) синтез нуклеотидов из сахаров и азотистых оснований и соединение нуклеотидов в нуклеиновые кислоты; б) разложение ДНК и РНК до нуклеотидов и превращение последних в низкомолекулярные соединения – мочевину (H2N)2C=O, аммиак NH3, метан СН4; в) синтез информационной РНК на двойной спирали ДНК (транскрипция), а также самоудвоение (репликация) молекул ДНК при делении клеток?

32. Назовите комплементарные основания.

Витамины

Для нормального развития организма кроме углеводов, жиров и белков в пище должны присутствовать и низкомолекулярные соединения. Такие жизненно необходимые соединения (от лат. vita— жизнь) обычно содержат аминогруппу. Поэтому в 1912 г. польский ученый Функ предложил называть вещества этого класса витаминами.

Позднее было введено обозначение витаминов первыми большими буквами латинского алфавита. Витамин, предохраняющий от заболевания глаз — ксерофтальмий, был назван витамином А; витамин, излечивающий полиневрит, — витамином В; вещество, излечивающее цингу, — витамином С; витамин против рахита — витамином D. Многие витамины содержатся в растениях (рис. 12).

Рис.12. Растения – источники витаминов: а — шиповник (витамины А, С); б — земляника (витамины С, Е); в — облепиха (витамины С, В1, В2, Е, F); г — черная смородина (витамины А, В1, В9, С, Р); д — киви (300—400 мг% витамина С); е — крыжовник (витамины С, B1, P, A); ж — фейхоа (витамин С)

К витаминам относятся свыше 100 различных химических соединений. Классифицируют витамины на основании их растворимости в воде или в жирах. В таблицах 5 и 6 приведены структурные формулы, названия и некоторые сведения о витаминах.

Таблица 5. Химические формулы витаминов

Многие витамины входят в состав ферментов, соединяясь с белком и образуя активный центр. Другие являются антиоксидантами и защищают биологические молекулы от окисления активными формами кислорода. Третьи – участвуют в клеточных реакциях.
Итак, витамины – это биологические катализаторы, без которых невозможно нормальное течение биохимических процессов.

Вопросы

33. Назовите витамины, не содержащие азота: а) жирорастворимые; б) растворимые в воде.
34. У какого широко используемого витамина массовая доля кислорода w (О) равна 54,5%?
35. Чему равна массовая доля азота w (N) в цианкобаламине С63Н88СОN14O14P (витамине В12)?
36. Сколько литров газа СО2 выделится при обработке 0,2 моль никотиновой кислоты (витамина РР) избытком водного раствора гидрокарбоната натрия NaHCO3?
37. Сколько граммов 10%-ного раствора NaOH потребуется для приготовления 9,6 г мононатриевой соли пиридоксина (витамина В6)? Какому количеству вещества (в молях) пиридоксина это соответствует?

Алкалоиды

Алкалоиды – гетероциклические азотсодержащие вещества щелочного характера, обладающие сильным физиологическим действием.

Отдельные семейства растений очень богаты алкалоидоносными видами. Это семейство кутровых (Apocynaceae), маковых (Papaveraceae), бобовых (Leguminosae), лютиковых (Ranunculaceae), мареновых (Rubiaceae) и пасленовых (Solanaceae), в других семействах вовсе не обнаружено видов растений, содержащих алкалоиды.

В природе алкалоиды встречаются в виде солей органических кислот. Особенно часто с алкалоидами связаны такие кислоты, как яблочная, лимонная, щавелевая, янтарная и дубильная. Менее распространены уксусная, пропионовая, молочная и роданистоводородная кислоты.

В настоящее время известно свыше 5000 алкалоидов. Многие алкалоиды содержатся в пищевых продуктах и используются в качестве тонизирующих и наркотических средств. К таким продуктам относятся чай, кофе, какао, мак, табак, махорка и др. Количество алкалоидов в растениях обычно невелико, всего лишь сотые или десятые доли процента. Однако некоторые растения (хинное дерево, табак, барбарис) способны накапливать много алкалоидов – до 10% и более. В табл. 7 приведены сведения о некоторых алкалоидах.

Таблица 7. Строение, природные источники и характер биологического действия алкалоидов

Вопросы

38. Напишите структурные формулы гетероциклических колец – фрагментов молекул: а) морфина; б) лизергиновой кислоты; в) кофеина.

39. Какая структурная особенность определяет принадлежность веществ к классу алкалоидов?

40. Припишите названия классов веществ следующим соединениям:

41. Алкалоид опия папаверин содержит 70,8% углерода, 6,2% водорода, 18,9% кислорода и 4,1% азота. Определите молекулярную формулу папаверина.

42. Алкалоид горденин содержится в проростках ячменя. Горденин в растениях образуется из аминокислоты тирозина по следующей схеме:

Сколько граммов горденина получится из 0,1 моль тирозина, если выход на каждой стадии 80%?

43. Считая содержание атропина в корнях растений белладонны равным 0,5% от сухой массы, определите, сколько граммов корней необходимо собрать, чтобы получить 5 г атропина. (При сушке масса корней уменьшается в 4 раза.)

1. Молекулярная формула показывает, какие атомы и сколько каждого вида в молекуле. Например, из молекулярной формулы глюкозы С6Н512О6 следует, что молекула состоит из атомов трех видов – С, Н, и О, причем их число такое: 6 С, 12 Н и 6 О. В структурной формуле каждый атом С показан отдельно и ясны все заместители при нем.

2.

3. Молекулярные формулы моносахаридов:

триозатетроза пентоза гексоза гептоза

4. Валентность элементов: С – IV, Н – I, О – II.

5. В линейной и циклической формах: а) рибозы содержится по 4 группы –ОН, б) глюкозы – по 5 групп –ОН.

6. Пентозы – рибоза и рибулоза, гексозы – глюкоза, манноза и фруктоза.

7. Крахмал – полимер a-глюкозы, целлюлоза – полимер b-глюкозы.

8.Гликозидной связью называют связь С—О, углерод при которой находится в a-положении к кислороду пиранового или фуранового цикла, т. е соединен с двумя атомами кислорода:

9. Реакция конденсации протекает с расщеплением связей С(О)—ОН кислоты и Н—ОС спирта. В результате образуется сложный эфир с новой связью С(О)—ОС и вода Н—ОН.

10. Триолеин – масло (жидкий непредельный жир).

11. Молярная масса жира тристеарина С57Н110О6 равна 890 г/моль. Массу 0,1 моль жира найдем по формуле m = n x M = 0,1 x 890 = 89 г. Масса сахарозы будет вдвое больше, т. е. 178 г.

12. Окисление или «сгорание» жира в организме записывается уравнением:

Составим пропорцию по уравнению реакции:

2 x 890 г жира дает 110 x 18 г воды,
50 г жира — х г воды,
откуда х = 50 x 110 x 18 : 1780 = 55,6 г. Поскольку плотность воды r = 1 г/мл, то объем численно равен массе: V (воды) = m/r = 55,6 мл.

13. Общая формула насыщенной карбоновой (жирной) кислоты СnH2nO2. Введение в молекулу одной двойной связи С=С уменьшает число атомов водорода на два. В эруковой кислоте С22Н42О2 (СnH2n-2O2, при n = 22) одна двойная связь.

14. В линолевой кислоте С18Н32О2 имеются две двойные связи С=С. При каждой из них возможна цис - и транс- ориентация заместителей. Всего получается четыре пространственных изомера: (цис, цис-изомер; цис, транс-изомер; транс, транс-изомер и транс, цис-изомер).

15. В 10 г 0,3 %-ного раствора КОН содержится щелочи m (КОН) = С% x m (раствора) : 100 % = 0,3 x 10 : 100 = = 0,03 г (или 30 мг). Кислотное число жира (расход КОН в мг на 1 г жира) равно 30 : 6 = 5.

16. В 1 г жира содержится 980 мг триолеина и 20 мг несвязанной олеиновой кислоты. Уравнения реакций этих веществ с водным раствором щелочи КОН имеют вид:

Найдем массу щелочи, расходуемой в этих реакциях:

х = 980 x 56 x 3 / 884 = 186 мг;
у = 20 x 56 / 282 = 4 мг;
m (КОН) = х + у = 190 мг.

Ответ: число омыления жира равно 190.

17. Йодное число жира равно массе галогена йода, способного присоединиться к 100 г жира по двойным С=С связям.

Уравнение реакции иодированиястеаринодиолеина:

Искомая масса йода: m (I2) = 2 x 254 x 100 : 886 = 57 г.

Ответ: йодное число жира равно 57.

18. Аминокислота – глицин Н2NCH2COOH.

19. Пептидная связь – между карбонильным углеродом и азотом:

20. Реакция конденсации трех молекул глицина:

21. Массовая доля азота w (N) рассчитывается по формуле:

(N) = n x Ar (N) / Mr(AK), где n – число атомов азота в молекуле, Аr (N) – относительная атомная масса азота, Мr (АК) – относительная молекулярная масса аминокислоты. Массовая доля азота тем выше, чем больше атомов азота в аминокислоте и чем меньше ее молекулярная масса.

В нашем случае это лизин С6Н14N2О2, Mr = 146;
w (N) лизина = 2 x 14 / 146 = 0,19 (или 19 %).

22. Дезаминирование – отщепление аминного азота в виде N2, например, под действием азотистой кислоты НNO2. Возможны два случая дезаминирования дипептида: а) с сохранением амидной связи, б) с первоначальным гидролизом до аминокислот и последующим их дезаминированием. Заметим, что в молекуле N2 один атом азота приходит от аминокислоты, другой – от кислоты НNO2.

В реакции а) из 0,2 моль дипептида выделится 0,2 моль или 4,48 л азота N2.
В реакции б) из 0,2 моль дипептида получится 0,4 моль или 8,96 л N2.

23.

24. Мономерные звенья нуклеиновых кислот – нуклеотиды.

25. Связь между нуклеотидами в нуклеиновых кислотах – фосфоэфирная связь: Р –О-С.

26. Ответ не приводится.

27. Для нуклеотидов и нуклеозидов:

а) элементы сходства – каждый содержит остатки сахара и азотистого основания, соединенные гликозидной связью;
б) различие – нуклеотид представляеи собой фосфорилированный по 5-положению рибозы (или дезоксирибозы) нуклеозид.

28. РНК отличается от ДНК по следующим признакам:

1) большая часть РНК находится в рибосомах цитоплазмы клетки, а ДНК содержится в ядре;
2) и ДНК, и РНК – полимеры с сахарофосфатным остовом, но в ДНК сахар – дезоксирибоза, а в РНК сахар – рибоза;
3) из четырех различных типов азотистых оснований три одинаковые в РНК и ДНК. Это – аденин(А), гуанин (Г) и цитозин (Ц). Четвертое основание особенное: для ДНК – тимин (Т), а для РНК – урацил (У);
4) ДНК состоит из двух цепей, а РНК – одноцепочечная молекула.

29. АТФ – аденозинтрифосфорная кислота.

30. Ответ см. в № 28.

31. Анаболические реакции – а) и в), катаболическая – б).

32. Пары комплементарных оснований: А-Т, Г-Ц.

33. Не содержат азота витамины: а) жирорастворимые – ретинол (витамин А1), эргокальциферол (D2), токоферол (Е); б) водорастворимые – аскорбиновая кислота (С), цитрин (Р).

34. В соединении с таким высоким содержанием кислорода (54,5 %) на каждый атом углерода должен приходиться один атом кислорода. Рассчитаем массовую долю кислорода w (О) в аскорбиновой кислоте (витамин С, –С6Н8О6, Мr = 176) и в инозите (С6Н12О6, Мr = 180).

w (О) (витамин С) = 6 x 16 / 176 = 0,545 (или 54,5 %);
w (О) (инозит) = 6 x 16 / 180 = 0,533 (или 53,3 %).

Ответ: w (О) = 54,5 % в витамине С.

35. Массовая доля азота в цианкобаламине С63Н88СоN14O14P (Mr = 1354),

w (N) = 14 x 14 / 1354 = 0,145 (или 14,5 %).

36. Никотиновая кислота содержит одну карбоксильную группу. Реакция органической кислоты с пищевой содой NaHCO3 записывается уравнением:

В соответствии с коэффициентами в уравнении реакции количество вещества v(СО2) = v(RCOOH) = 0,2 моль. Объем, занимаемый таким количеством газа, V (CO2) = v x VM = 0,2 x 22,4 = 4,48 л.

Ответ: 4,48 л СО2.

37. По известной массе продукта надо определить массу и количество (в моль) исходных веществ. Составим уравнение реакции:

Количества вещества всех участников реакции одинаковые:

v(пиридоксина) = v(NaOH) = n (натрийпиридоксина) = m / M = 9,6 / 191 = 0,05 моль. Масса расходуемой в реакции щелочи m (NaOH) = v x M = 0,05 x 40 = 2 г.
Масса 10 %-ного раствора m (10 % NaOH) = [m (NaOH) / C%] x 100 % = (2 / 10) Ч 100 = 20 г.

Ответ: 20 г 10 % NaOH и 0,05 моль пиридоксина.

38. Решить самостоятельно.

39. Алкалоиды – гетероциклические азотсодержащие вещества щелочного характера (т. е. с тремя s-связями при азоте).

40. Анабазин – гетероцикл, аланин – аминокислота, аскорбиновая кислота – витамин, трипальмитин – жир.

41. Для молекулярной формулы вида САНБNВОГ отношение индексов равно отношению количеств вещества элементов химической формулы:

А : Б : В : Г = v(С) : v(Н) : v(N) : v(О) = C % (C) / M (C)] : [C % (H) / M (H)] : [C % (N) / M (N)] : [C % (O) / M (O)] = (70,8 / 12) : (6,2 / 1) : (4,1 / 14) : (18,9 / 16) = 5,9 : 6,2 : 0,293 : 1,18 = 20,14 : 21,16 : 1 : 4,0 » 20 : 21 : 1 : 4.

Ответ: молекулярная формула папаверина С20Н21NO4.

42. В двухстадийном синтезе выход продукта в молях: v = 0,1x 0,8 x 0,8 = 0,64 моль.

Молярная масса горденина М (С10Н15NO) = 165 г/моль. Массу горденина найдем по формуле:

m = v x M = 0,64 x165 = 105,6 г.

43. Воспользуемся формулой С % – [m(атропина) / m (сухих корней)] x 100 %, в которой требуется найти массу корней. Для сырых корней m = 4 x m (атропина) x 100 % / С % = 4 x 5 x 100 / 0,5 = 4000 г (или 4 кг)