§9. Углеводы и их роль в жизнедеятельности клетки

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества клетки, включающие сахара и их полимеры. В их составе обычно есть углерод, водород и кислород, а соотношение атомов водорода и кислорода часто близко к соотношению в воде. Углеводы нужны клетке как источник энергии, запас питательных веществ, строительный материал и часть более сложных молекул.

Моносахариды — простые углеводы, состоящие из одной молекулы сахара. К ним относятся глюкоза, фруктоза и рибоза. Такое строение позволяет многим моносахаридам быстро растворяться и включаться в реакции обмена веществ.

Дисахариды образуются при соединении двух моносахаридов. Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы, а мальтоза — из двух остатков глюкозы. Дисахариды могут расщепляться до моносахаридов, которые затем используются клеткой.

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, построенные из множества остатков моносахаридов. Примеры — крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Длинные цепи и особенности их связей делают полисахариды подходящими для запасания веществ или создания прочных структур.

Как это устроено

Основу углеводов составляют атомы углерода, водорода и кислорода, но молекулы отличаются их соотношением и расположением. У моносахаридов одна сахарная единица, у дисахаридов две, а у полисахаридов — множество повторяющихся остатков. Поэтому увеличение цепи меняет растворимость, размер молекулы и её биологическую роль.

Моносахариды соединяются гликозидной связью — прочной связью между сахарными остатками. При её образовании от молекул отщепляются водород и гидроксильная группа, поэтому выделяется вода. Обратная реакция называется гидролизом: вода присоединяется к связи, и крупная молекула распадается на более простые части.

Глюкоза быстро используется клеткой, потому что это небольшой растворимый моносахарид, уже готовый вступать в реакции клеточного дыхания. Крахмал и гликоген состоят из длинных цепей глюкозы и сначала должны быть расщеплены. В то же время крупные полисахариды почти не повышают осмотическое давление клетки, поэтому удобны для хранения большого запаса без сильного притока воды.

Целлюлоза построена из прямых цепей глюкозы с β-связями, между которыми образуются многочисленные водородные связи. Цепи объединяются в прочные волокна, поэтому целлюлоза укрепляет клеточные стенки растений. Хитин также образует длинные прочные цепи и входит в состав наружного покрова членистоногих и клеточных стенок грибов.

Углеводы выполняют энергетическую, запасающую и структурную функции, а также участвуют в передаче и хранении наследственной информации. Рибоза входит в состав РНК и нуклеотидов АТФ, а дезоксирибоза — в состав ДНК. Углеводная часть нуклеотида соединяет азотистое основание и фосфат, поэтому без неё невозможно построение нуклеиновых кислот.

Классы углеводов и их роль в клетке

В таблице сначала определяйте число сахарных остатков и особенности связи между ними, а затем сопоставляйте вещество с его функцией. Одинаковый мономер не означает одинаковую роль: например, из глюкозы построены и крахмал, и целлюлоза, но их связи и пространственное строение различаются. Это различие объясняет, почему один полисахарид запасает питательные вещества, а другой формирует стенку клетки.

Разбор задач

Распределение веществ по классам

Условие: распределите глюкозу, сахарозу, крахмал, гликоген и целлюлозу по классам углеводов и укажите число моносахаридных остатков. Нужно определить, является ли вещество одной сахарной единицей, парой единиц или длинной цепью. Число остатков у полисахаридов обозначают как множество, потому что оно может быть очень большим.

1. Глюкоза состоит из одной сахарной единицы, значит, это моносахарид.
2. Сахароза образована двумя остатками — глюкозы и фруктозы, поэтому это дисахарид.
3. Крахмал, гликоген и целлюлоза построены из множества остатков моносахаридов, следовательно, относятся к полисахаридам.

Ответ: глюкоза — моносахарид, один остаток; сахароза — дисахарид, два остатка; крахмал, гликоген и целлюлоза — полисахариды, множество остатков, главным образом глюкозы.

Глюкоза и запасная роль крахмала

Условие: объясните, почему глюкоза является непосредственным источником энергии, а крахмал служит запасным углеводом растений. Сравнить нужно не только состав, но и размер молекул, растворимость и необходимость предварительного расщепления. Эти признаки непосредственно связаны с разными функциями.

1. Глюкоза — маленький растворимый моносахарид, который сразу поступает в реакции клеточного дыхания.
2. Крахмал состоит из длинных цепей глюкозы, поэтому его молекулы крупнее и менее растворимы.
3. В растительной клетке крахмал можно накапливать без значительного изменения содержания воды, а при необходимости расщеплять до глюкозы.

Ответ: глюкоза быстро даёт энергию, а крахмал безопасно хранит большой запас углеводов и становится источником энергии после гидролиза.

Сравнение крахмала, гликогена и целлюлозы

Условие: сравните три полисахарида по строению, расположению и роли, а также объясните неперевариваемость целлюлозы человеком. Сначала установите общий мономер, затем рассмотрите тип связей и разветвлённость цепей. После этого свяжите строение с тем, где вещество находится и что делает.

1. Крахмал запасается в клетках растений, гликоген — в клетках животных и грибов, а целлюлоза входит в клеточные стенки растений.
2. Крахмал и гликоген построены из остатков α-глюкозы и могут расщепляться соответствующими ферментами; гликоген имеет более разветвлённую структуру.
3. Целлюлоза содержит β-гликозидные связи, формирует прямые прочные волокна, но фермента целлюлазы в организме человека нет.

Ответ: крахмал и гликоген выполняют запасную функцию, целлюлоза — структурную; человек не переваривает целлюлозу из-за отсутствия фермента для её β-связей.

Типичные ошибки

Считать все углеводы сладкими и растворимыми — ошибка, потому что такие свойства характерны главным образом для многих простых сахаров. Полисахариды часто не имеют сладкого вкуса и плохо растворяются. Проверка: определите класс вещества и размер его молекулы.

Путать крахмал и гликоген легко из-за их сходного состава: оба построены из глюкозы. Но крахмал запасается преимущественно у растений, а гликоген — у животных и грибов. Проверка: свяжите название с организмом-накопителем.

Называть целлюлозу запасным веществом растения неправильно: она образует клеточные стенки и придаёт им прочность. Запасную роль выполняет крахмал. Проверка: спросите себя, служит ли вещество стенкой или питательным резервом.

Утверждение, что любой полисахарид полностью расщепляется у человека, неверно. Ферменты человека не расщепляют целлюлозу, хотя она может быть пищевым волокном. Проверка: учитывайте не только состав цепи, но и тип гликозидной связи.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе клетки, органических веществах, мономерах и полимерах, химических связях и гидролизе. Углеводы связаны с клеточным дыханием, образованием АТФ и энергетическим обменом, поскольку глюкоза окисляется с высвобождением энергии. Эти сведения пригодятся при изучении клеточной стенки, нуклеиновых кислот, пищеварения и обмена веществ.

Что запомнить

• Углеводы — важные органические вещества клетки.
• Моносахариды состоят из одной сахарной единицы, дисахариды — из двух, полисахариды — из множества.
• Глюкоза является главным быстро используемым источником энергии.
• Крахмал — основной запасной углевод растений, гликоген — животных и грибов.
• Целлюлоза и хитин выполняют преимущественно структурную функцию.
• Рибоза и дезоксирибоза входят в состав нуклеотидов.
• Свойства углевода определяются его составом, типом связей и строением молекулы.