§ 3. Органические вещества. Углеводы

Определения и обозначения

Органические вещества — соединения углерода, входящие в состав живых организмов. Это большая группа веществ, куда входят не только углеводы, но и, например, белки и жиры. При этом углекислый газ и некоторые другие соединения углерода считают неорганическими, поэтому одного наличия углерода для определения недостаточно.

Углеводы — органические вещества, в состав которых входят углерод, водород и кислород. Они нужны клеткам как источник энергии, запас питательных веществ и материал для построения клеточных структур. Разные углеводы выполняют разные задачи, потому что их молекулы могут быть устроены по-разному.

Моносахариды — простые углеводы, молекулы которых не распадаются на более простые углеводы. К ним относятся глюкоза и фруктоза. Такие молекулы могут быстро включаться в процессы клетки без предварительного расщепления на сахарные звенья.

Полисахариды — сложные углеводы, состоящие из множества соединённых между собой остатков простых сахаров. Примеры — крахмал, гликоген и целлюлоза. Их свойства и функции различаются: одни полисахариды служат запасом, а другие входят в состав клеточных структур.

Как это устроено

Углеводы относят к органическим веществам, потому что в их молекулах есть углерод, а сами они образуются и используются живыми организмами. Помимо углерода в их состав входят водород и кислород. Однако одинаковый набор элементов ещё не означает одинакового вещества: атомы могут соединяться в разном порядке и количестве, образуя молекулы с разными свойствами и функциями.

Деление углеводов связано с числом сахарных звеньев в молекуле. Моносахарид состоит из одного такого звена, дисахарид — из двух соединённых звеньев, а полисахарид — из множества. Поэтому глюкоза относится к моносахаридам, сахароза — к дисахаридам, а крахмал — к полисахаридам. Чем длиннее цепь, тем чаще клетке требуется сначала расщепить её на более простые части.

Глюкоза быстро становится источником энергии, поскольку это простая молекула, которую клетка может сразу включить в реакции клеточного дыхания. Крахмал и гликоген состоят из множества сахарных остатков и подходят для запаса: при необходимости ферменты постепенно расщепляют их до простых сахаров. Так клетка получает доступный материал для получения энергии не сразу, а по мере потребности. Это позволяет хранить запас в компактной форме.

Целлюлоза тоже состоит из повторяющихся сахарных остатков, но их соединение придаёт молекулам прочность и делает целлюлозные волокна подходящими для построения клеточных стенок растений. В отличие от крахмала, целлюлоза не расщепляется в организме человека до глюкозы ферментами пищеварения. Поэтому человек не использует её как источник энергии так же, как крахмал. Различие функций связано не только с составом, но и с особенностями строения молекул.

Углеводы распространены в природе, потому что нужны организмам и для обмена веществ, и для создания запасов. При фотосинтезе растения образуют глюкозу, которая может сразу расходоваться или превращаться в другие углеводы. Крахмал накапливается у растений, например в клубнях и семенах, а гликоген — у животных и грибов. Так продукты фотосинтеза становятся запасом, доступным организму позднее.

Основные группы углеводов и их значение

Чтобы определить группу вещества, сначала посмотрите, сколько сахарных звеньев входит в его молекулу: одно, два или много. Затем сравните его роль с примерами в таблице. Так, крахмал и гликоген относятся к полисахаридам, хотя накапливаются у разных организмов и выполняют запасающую функцию.

Разбор задач

Задача 1. Распределите глюкозу, сахарозу и крахмал по группам углеводов. Сначала нужно определить, состоит ли молекула каждого вещества из одного, двух или многих сахарных звеньев. Не следует относить вещества к одной группе только потому, что все они являются углеводами. Проверим строение каждого вещества по очереди.

1. Глюкоза — одно простое сахарное звено, поэтому это моносахарид.
2. Сахароза образована двумя соединёнными сахарными звеньями, поэтому относится к дисахаридам.
3. Крахмал состоит из множества остатков простых сахаров, значит, это полисахарид.

Ответ: глюкоза — моносахарид, сахароза — дисахарид, крахмал — полисахарид. Для проверки достаточно сопоставить число звеньев с определением каждой группы. Особенно важно не путать общий признак «углевод» с конкретной группой по строению.

Задача 2. В клетках растения обнаружили глюкозу и крахмал. Какое вещество быстрее может быть использовано для получения энергии и почему? Чтобы ответить, нужно сравнить не только назначение веществ, но и сложность их молекул. Одно из них является простой сахарной молекулой, а другое представляет собой запас из множества сахарных остатков.

1. Глюкоза — моносахарид, поэтому её не требуется предварительно расщеплять на более простые углеводы.
2. Крахмал — полисахарид, и для получения глюкозы клетке сначала нужно расщепить его цепи.
3. Следовательно, при прочих равных условиях быстрее непосредственно использовать можно глюкозу.

Ответ: быстрее для получения энергии используется глюкоза. Крахмал тоже может стать источником энергии, но сначала должен быть расщеплён до простых сахаров. Разница объясняется строением молекул, а не тем, что одно вещество является углеводом, а другое — нет.

Задача 3. Сравните крахмал в клубне картофеля и гликоген в печени животного. Что общего у этих веществ и чем различается место их накопления? Здесь нужно отдельно рассмотреть химическую группу, функцию и организм, в котором находится запас. Если смешать эти признаки, можно ошибочно решить, что крахмал и гликоген выполняют разные задачи.

1. Оба вещества — полисахариды, состоящие из множества сахарных остатков.
2. Оба служат запасом углеводов и могут расщепляться до простых сахаров.
3. Крахмал накапливается у растений, в данном случае — в клубне картофеля; гликоген у животного находится в печени.

Ответ: крахмал и гликоген сходны строением как полисахариды и запасающей функцией, но различаются тем, у каких организмов и где накапливаются. Крахмал в примере находится в растительном клубне, а гликоген — в печени животного. Сравнивая запасные вещества, всегда указывайте и общую роль, и место накопления.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все органические вещества углеводами. Так думают, потому что углеводы действительно относятся к органическим соединениям и входят в состав организмов. Но к органическим веществам относятся и другие группы, например белки и жиры. Проверьте себя: спросите, идёт ли речь о большой группе соединений или только об одном её виде.

Ошибка — называть глюкозу и крахмал веществами одной группы по строению. Их объединяет принадлежность к углеводам, но глюкоза состоит из одного звена, а крахмал — из множества. Путаница возникает, когда обращают внимание только на общий химический класс. Проверка простая: определите число сахарных звеньев и назовите моно- или полисахарид.

Ошибка — смешивать функции крахмала и целлюлозы. Оба вещества являются полисахаридами растений, поэтому их можно ошибочно считать одинаковыми по назначению. Крахмал запасает питательные вещества, а целлюлоза формирует клеточные стенки. Чтобы проверить ответ, уточните: вещество хранит запас сахаров или служит строительным материалом?

Ошибка — утверждать, что все углеводы сладкие и хорошо растворимы в воде. Такое представление появляется из-за знакомых сахаров, например глюкозы и сахарозы. Однако большинство полисахаридов не обладает такими свойствами: крахмал и целлюлоза не сладкие, а целлюлоза практически не растворяется в воде. Проверяйте утверждение на примерах разных групп, а не только на простых сахарах.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что клетка состоит из химических веществ, а атомы соединяются в молекулы. Углеводы связаны с фотосинтезом: в его ходе образуется глюкоза, которую растение использует или превращает в запасные вещества. Эти знания понадобятся при изучении обмена веществ и питания организмов. Целлюлоза также помогает объяснить строение клеточной стенки растений.

Что запомнить

• Углеводы содержат углерод, водород и кислород.
• Глюкоза — моносахарид и важный источник энергии для клеток.
• Сахароза относится к дисахаридам.
• Крахмал — запасной углевод растений.
• Гликоген служит запасным углеводом животных и грибов.
• Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений.