§ 9. Углеводы

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, состоящие главным образом из углерода, водорода и кислорода. В клетке они дают энергию, входят в состав оболочек и мембран, а некоторые служат запасом питательных веществ. Поэтому углеводы нужны и для текущей работы клетки, и для построения её структур.

Моносахариды — простые углеводы, которые нельзя гидролизом расщепить на более простые углеводы. К ним относятся глюкоза и фруктоза. Они обычно хорошо растворяются в воде и быстро включаются в обмен веществ.

Дисахариды — углеводы, молекулы которых образованы остатками двух моносахаридов. Например, сахароза состоит из глюкозы и фруктозы, а мальтоза — из двух остатков глюкозы. При гидролизе дисахарида образуются исходные простые сахара.

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, состоящие из множества остатков моносахаридов. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Большие цепи делают их удобными для запаса веществ или создания прочных структур.

Как это устроено

Деление углеводов связано с числом моносахаридных звеньев и сложностью молекулы. Одно звено образует моносахарид, два соединённых звена — дисахарид, а длинная цепь или разветвлённая система звеньев — полисахарид. Чем больше звеньев, тем выше молекулярная масса и тем сильнее свойства вещества отличаются от свойств простых сахаров.

Остатки моносахаридов соединяются гликозидными связями — прочными химическими связями между звеньями. При образовании такой связи обычно выделяется молекула воды. При гидролизе происходит обратный процесс: вода участвует в разрыве гликозидной связи, и из сложного углевода снова получаются более простые соединения.

Глюкоза быстро используется клеткой как источник энергии, потому что её молекулы малы и могут непосредственно вступать в реакции клеточного дыхания. В результате окисления глюкозы образуется энергия, запасаемая в молекулах АТФ. Крахмал и гликоген для немедленного использования сначала расщепляются ферментами до более простых углеводов.

Крахмал, гликоген и целлюлоза похожи тем, что построены из остатков глюкозы, но отличаются типом связей и строением цепей. У крахмала цепи могут быть линейными и разветвлёнными, у гликогена разветвление выражено сильнее, а цепи целлюлозы образуют прочные волокна. Поэтому крахмал и гликоген удобны для запаса, а целлюлоза — для укрепления клеточных стенок растений.

Растворимость, сладкий вкус и способность к гидролизу зависят от размера и строения молекулы. Моносахариды и многие дисахариды сравнительно хорошо растворяются в воде и имеют сладкий вкус, тогда как большинство полисахаридов малорастворимы или нерастворимы и не сладкие. Дисахариды и полисахариды способны гидролизоваться, потому что содержат гликозидные связи, а моносахариды таких связей между звеньями не имеют.

Классы углеводов и их биологическое значение

Пользуйтесь таблицей так: сначала определите число моносахаридных звеньев, затем проверьте способность вещества к гидролизу. После этого легче связать его свойства с функцией в организме или клетке.

Разбор задач

Задача 1

Распределите глюкозу, сахарозу, крахмал, гликоген и целлюлозу по классам углеводов и укажите по одному биологическому значению каждого вещества. Нужно сначала установить сложность молекулы, а затем определить её основную роль.

1. Глюкоза состоит из одного моносахаридного звена, поэтому это моносахарид; она служит быстрым источником энергии.
2. Сахароза образована двумя остатками моносахаридов, поэтому это дисахарид; она является транспортной формой сахаров у растений.
3. Крахмал, гликоген и целлюлоза построены из множества звеньев, поэтому относятся к полисахаридам.
4. Крахмал запасает углеводы у растений, гликоген — у животных и грибов, а целлюлоза укрепляет клеточные стенки растений.

Ответ: глюкоза — моносахарид и источник энергии; сахароза — дисахарид и транспортный сахар растений; крахмал — растительный запасной полисахарид; гликоген — запасной полисахарид животных и грибов; целлюлоза — структурный полисахарид растений.

Задача 2

Запишите схему гидролиза сахарозы и сравните её с гидролизом крахмала. Важно учитывать, что вода не просто присутствует в реакции, а участвует в разрыве гликозидных связей.

1. Сахароза содержит остатки глюкозы и фруктозы, соединённые гликозидной связью.
2. При гидролизе к месту разрыва присоединяются элементы воды, поэтому образуются два моносахарида.
3. Схема реакции: сахароза + вода → глюкоза + фруктоза.
4. Крахмал содержит множество звеньев глюкозы, поэтому его гидролиз идёт поэтапно и в итоге приводит к образованию глюкозы.

Ответ: сахароза гидролизуется до глюкозы и фруктозы, а крахмал — до множества молекул глюкозы, часто через промежуточные продукты. Различие объясняется числом звеньев в молекулах этих углеводов.

Задача 3

Объясните, почему у растений запасным углеводом является крахмал, у животных — гликоген, а целлюлоза выполняет структурную функцию. Ответ нужно построить по цепочке «строение — свойства — функция».

1. Крахмал и гликоген состоят из остатков глюкозы и могут расщепляться, когда организму требуется энергия.
2. Их крупные молекулы сравнительно малорастворимы, поэтому они не создают большого осмотического давления в клетке.
3. Гликоген сильнее разветвлён, чем крахмал, поэтому его концевые участки быстро доступны ферментам.
4. Целлюлоза образует длинные прочные волокна с большим числом связей между цепями и почти не растворяется, что делает её подходящей для клеточной стенки.

Ответ: крахмал и гликоген удобны для компактного запаса глюкозы, а целлюлоза благодаря прочным волокнам формирует опорный материал растений.

Типичные ошибки

Все углеводы считают сладкими и хорошо растворимыми. Так чаще всего ведут себя моносахариды и некоторые дисахариды, но полисахариды обычно малорастворимы и несладкие. Проверяйте себя по размеру молекулы и по классу вещества.

Крахмал и целлюлозу считают одинаковыми. Оба вещества образованы остатками глюкозы, но тип связей и пространственное строение цепей различаются. Если функция не совпадает, сравните не только состав, но и строение молекулы.

Гликоген называют запасным углеводом растений. У растений основным запасным полисахаридом является крахмал, а гликоген характерен для животных и грибов. Для проверки вспомните, какой организм запасает соответствующее вещество.

Дисахариды и полисахариды считают готовой глюкозой. Сначала ферменты должны расщепить их гликозидные связи при гидролизе. Ищите в рассуждении продукты расщепления, а не только исходное название углевода.

Связь с другими темами

До изучения углеводов нужны знания о составе органических веществ, роли воды, мономерах и полимерах, а также о реакциях синтеза и гидролиза. Это помогает понять, почему длинные цепи образуются из повторяющихся звеньев и как они распадаются.

Тема связана с обменом веществ, клеточным дыханием, фотосинтезом, пищеварением и строением клеточной стенки растений. Глюкоза участвует в дыхании, растения синтезируют углеводы при фотосинтезе, а ферменты пищеварения расщепляют их до усваиваемых соединений.

В быту знания об углеводах помогают понимать состав продуктов, роль крахмала и значение пищевых волокон. Они также позволяют различать запасные вещества и структурные компоненты пищи.

Что запомнить

• Углеводы состоят главным образом из углерода, водорода и кислорода.
• Моносахариды не расщепляются гидролизом на более простые углеводы.
• Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов.
• Полисахариды построены из множества моносахаридных звеньев.
• Глюкоза — важный источник энергии для клеток.
• Крахмал и гликоген выполняют запасающую функцию.
• Целлюлоза и хитин выполняют преимущественно структурную функцию.