§ 9. Углеводы

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, обычно состоящие из углерода, водорода и кислорода. В клетках они участвуют в обмене веществ, дают энергию, могут служить её запасом и входить в состав клеточных структур. Поэтому углеводы важны не только как часть пищи, но и как вещества, необходимые для работы организма.

Моносахариды — простые углеводы, которые нельзя гидролизом расщепить на более простые углеводы. Гидролиз — расщепление вещества при участии воды. Глюкоза и фруктоза относятся к моносахаридам; такие молекулы могут быстро включаться в клеточные процессы.

Дисахариды — углеводы, образованные соединением двух моносахаридов. Например, сахароза состоит из глюкозы и фруктозы, соединённых химической связью. При гидролизе сахарозы эти два звена разделяются, и клетка получает отдельные моносахариды.

Полисахариды — сложные углеводы, построенные из множества остатков моносахаридов. К ним относятся крахмал, гликоген и целлюлоза. Число и соединение звеньев влияют на свойства полисахарида, поэтому одни из них подходят для запаса, а другие — для построения прочных структур.

Как это устроено

Деление углеводов на моносахариды, дисахариды и полисахариды зависит от числа соединённых сахарных звеньев: одно, два или множество. Число звеньев важно, потому что влияет на размер молекулы и на то, может ли она быть расщеплена на более простые сахара. Так, глюкоза уже является отдельным звеном, сахароза складывается из двух, а цепь полисахарида может включать множество остатков.

Строение определяет, как углевод используется клеткой. Небольшие молекулы простых сахаров доступны для обменных реакций без предварительного расщепления длинной цепи, поэтому быстро включаются в процессы получения энергии. Полисахариды, напротив, состоят из множества звеньев: они подходят для постепенного запаса веществ или создания устойчивых волокон. Их свойства зависят не только от числа звеньев, но и от того, как именно они соединены.

Глюкоза — важный источник энергии, потому что при её окислении в клетке высвобождается энергия. Клетка использует эту энергию для процессов жизнедеятельности, а часть запасает в молекулах АТФ — вещества, которое переносит доступную энергию. Поэтому глюкоза связывает поступление углеводов с работой клеток. Она также может использоваться как исходное вещество для синтеза других соединений.

Крахмал у растений и гликоген у животных и грибов выполняют запасную функцию: оба полисахарида состоят из остатков глюкозы, которые организм может использовать по мере необходимости. У растений крахмал образуется в результате фотосинтеза и накапливается, например, в семенах, клубнях и других запасающих органах. У животных гликоген особенно накапливается в печени и мышцах, а у грибов — в клетках. Различия в строении цепей крахмала и гликогена влияют на свойства запаса, но оба вещества могут быть источниками глюкозы.

Целлюлоза тоже состоит из остатков глюкозы, однако эти звенья соединены иначе, чем в крахмале. Цепи целлюлозы образуют прочные волокна, которые укрепляют клеточные стенки растений. Такое строение объясняет, почему целлюлоза выполняет структурную функцию, а не служит основным запасом энергии: она прочна и плохо расщепляется организмом человека. Крахмал, напротив, устроен так, что может расщепляться до глюкозы.

Основные группы углеводов и их функции

Сначала определите, сколько сахарных звеньев входит в молекулу: это поможет отличить группы углеводов. Затем сопоставьте строение и место нахождения вещества с его ролью. Помните, что к полисахаридам относятся и запасные, и структурные вещества.

Разбор задач

Задача 1. Распределите глюкозу, сахарозу и крахмал по группам углеводов. Чтобы решить задачу, нужно выяснить, сколько сахарных звеньев образует каждое вещество. Не следует ориентироваться только на вкус или распространённость: решающим признаком здесь служит строение.

1. Глюкоза — одно сахарное звено, поэтому это моносахарид.
2. Сахароза состоит из глюкозы и фруктозы, то есть из двух звеньев, поэтому это дисахарид.
3. Крахмал образован множеством остатков глюкозы, поэтому относится к полисахаридам.

Ответ: глюкоза — моносахарид, сахароза — дисахарид, крахмал — полисахарид. Классификация получилась по числу соединённых звеньев, а не по тому, насколько сладким кажется вещество. Такой способ проверки подходит и для других примеров углеводов.

Задача 2. Сравните крахмал, гликоген и целлюлозу по строению, месту образования и биологической функции. Все три вещества — полисахариды, поэтому одного названия группы для сравнения недостаточно. Нужно отдельно выяснить, где они образуются и какую задачу выполняют.

1. Установите общее: крахмал, гликоген и целлюлоза построены из множества остатков глюкозы.
2. Определите распространение: крахмал характерен для растений, гликоген — для животных и грибов, целлюлоза входит в клеточные стенки растений.
3. Свяжите место и строение с функцией: крахмал и гликоген запасают питательные вещества, а прочные цепи целлюлозы укрепляют клетки.

Ответ: крахмал и гликоген — запасные полисахариды, различающиеся организмами, в которых они накапливаются; целлюлоза — структурный полисахарид растений. Хотя все они состоят из остатков глюкозы, особенности соединения звеньев придают молекулам разные свойства. Поэтому нельзя считать эти вещества взаимозаменяемыми.

Задача 3. В образце обнаружено запасное вещество из множества остатков глюкозы, характерное для животных клеток. Определите вещество и обоснуйте ответ. Условие содержит сразу три подсказки: вещество является запасным, имеет полимерное строение и встречается у животных. Каждую подсказку следует сверить с известными углеводами.

1. Множество остатков глюкозы указывает на полисахарид, а не на моносахарид или дисахарид.
2. Запасную роль у животных выполняет гликоген; крахмал запасается у растений, а целлюлоза образует клеточные стенки.
3. Сопоставьте все признаки: гликоген подходит и по строению, и по функции, и по распространению.

Ответ: это гликоген. Вывод основан не на одном признаке, а на их сочетании. Если бы в условии говорилось о клеточной стенке растения, подходящим ответом была бы целлюлоза, хотя она тоже состоит из остатков глюкозы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все углеводы сладкими и хорошо растворимыми в воде. Такое представление возникает из-за знакомства с сахаром и некоторыми простыми сахарами, но оно не подходит для всех представителей группы. Полисахариды часто нерастворимы или малорастворимы и обычно не имеют выраженного сладкого вкуса. Проверяйте себя: уточните, к какой группе относится вещество, прежде чем делать вывод о его свойствах.

Ошибка — называть крахмал, гликоген и целлюлозу взаимозаменяемыми запасными веществами. Все три являются полисахаридами, но сходство в составе не означает одинаковой функции. Крахмал и гликоген служат запасом, а целлюлоза прежде всего укрепляет клеточные стенки растений. Чтобы проверить себя, спросите, где находится вещество и какую задачу там выполняет.

Ошибка — путать моносахариды с дисахаридами и считать сахарозу простым сахаром. Слово «сахар» в быту часто используют без различения химического строения, поэтому легко забыть, что сахароза состоит из двух звеньев. Глюкоза, в отличие от неё, является одним моносахаридным звеном. Проверка проста: выясните, можно ли расщепить вещество на более простые углеводы и сколько звеньев в нём соединено.

Ошибка — считать, что углеводы нужны только для получения энергии. Такое мнение связано с тем, что глюкоза активно используется клетками, но оно не учитывает запасную и структурную функции. Крахмал и гликоген позволяют хранить запас, а целлюлоза образует прочные клеточные стенки. Проверяя ответ, перечислите функции углеводов и приведите пример вещества для каждой из них.

Связь с другими темами

Для изучения углеводов полезно знать состав органических веществ и понимать, что атомы углерода могут образовывать основу молекул — углеродный скелет. Представление о химических связях помогает объяснить, как отдельные сахарные звенья соединяются в дисахариды и длинные цепи. Эти знания пригодятся при изучении обмена веществ и фотосинтеза, в ходе которого растения образуют органические вещества. Углеводы также важны при изучении клеточных мембран и пищеварения: они входят в состав клеточных структур и расщепляются до более простых молекул.

Что запомнить

• Углеводы подразделяют на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
• Глюкоза — моносахарид и важный источник энергии для клеток.
• Сахароза — дисахарид, состоящий из глюкозы и фруктозы.
• Крахмал служит запасным углеводом у растений.
• Гликоген служит запасным углеводом у животных и грибов.
• Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений.
• Строение углевода связано с его функцией.