§ 5. Углеводы

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, состоящие главным образом из углерода, водорода и кислорода. Для многих представителей подходит общая формула Cₙ(H₂O)ₘ. Они нужны клеткам как источник энергии, запас питательных веществ и материал для построения структур.

Моносахариды — простые углеводы, которые не расщепляются гидролизом на более простые углеводы. К ним относятся глюкоза и фруктоза. Это важно, потому что именно такие молекулы могут быстро использоваться клетками и служить исходными звеньями для более сложных углеводов.

Дисахариды — углеводы, молекулы которых при гидролизе дают две молекулы моносахаридов. Примером служит сахароза, распадающаяся на глюкозу и фруктозу. Такое определение показывает, что дисахарид состоит из двух связанных простых сахарных звеньев.

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, построенные из множества остатков моносахаридов. К ним относятся крахмал, гликоген и целлюлоза. Большое число звеньев определяет их сложное строение и позволяет выполнять запасную или структурную функцию.

Как это устроено

Углеводы классифицируют по сложности молекулы, то есть по числу соединённых сахарных звеньев. Моносахарид содержит одно такое звено, дисахарид — два, а полисахарид — множество. Поэтому при гидролизе моносахарид не распадается, дисахарид даёт две молекулы простых сахаров, а полисахарид — большое число таких звеньев.

Глюкоза и фруктоза имеют небольшие молекулы, способные взаимодействовать с водой, поэтому они хорошо растворимы. Их сладкий вкус связан с особенностями строения и взаимодействия молекул с рецепторами. Клетки легко включают эти сахара в обмен веществ, поэтому они служат доступным источником энергии.

Более сложные углеводы образуются соединением остатков моносахаридов. При гидролизе связи между звеньями разрываются с участием воды, и образуются исходные простые сахара. Например, сахароза распадается на глюкозу и фруктозу, а полисахариды при полном гидролизе могут дать множество молекул глюкозы.

Функция углевода зависит от его строения и места использования. Глюкоза быстро окисляется в клеточном дыхании и обеспечивает организм энергией, тогда как крахмал у растений и гликоген у животных откладываются про запас. Целлюлоза не служит запасом: из неё строятся прочные клеточные стенки растений.

Крахмал, гликоген и целлюлоза состоят из остатков глюкозы, но различаются способом их соединения и пространственной организацией цепей. В крахмале и гликогене цепи приспособлены к запасанию и последующему расщеплению, причём гликоген обычно более разветвлён. В целлюлозе звенья образуют прямые прочные цепи, которые объединяются в волокна, поэтому она подходит для построения клеточных стенок.

Сравнение основных углеводов

Таблица помогает сопоставить углеводы не только по названию, но и по строению, свойствам и роли. Сначала определите группу вещества, затем свяжите её строение с тем, где углевод встречается и какую функцию выполняет.

Разбор задач

Задача 1

Условие: распределите глюкозу, сахарозу и крахмал по группам углеводов. Нужно определить группу каждого вещества по сложности молекулы и способности к гидролизу.

1. Глюкоза не распадается гидролизом на более простые углеводы, значит, это моносахарид.
2. Сахароза при гидролизе даёт две молекулы простых сахаров — глюкозу и фруктозу, поэтому это дисахарид.
3. Крахмал построен из множества остатков глюкозы и относится к полисахаридам.

Ответ: глюкоза — моносахарид, сахароза — дисахарид, крахмал — полисахарид.

Задача 2

Условие: при гидролизе сахарозы образуются глюкоза и фруктоза. Укажите группу сахарозы и число получающихся молекул моносахаридов.

1. Гидролиз сахарозы приводит к образованию двух простых сахаров.
2. По определению углевод, который при гидролизе даёт две молекулы моносахаридов, является дисахаридом.
3. Следовательно, образуются одна молекула глюкозы и одна молекула фруктозы, всего две молекулы.

Ответ: сахароза — дисахарид; при её гидролизе образуются две молекулы моносахаридов: глюкоза и фруктоза.

Задача 3

Условие: в клетках растений обнаружены крахмал и целлюлоза. Объясните, почему один углевод запасает питательные вещества, а другой входит в состав клеточных стенок.

1. Оба вещества являются полисахаридами и состоят из остатков глюкозы, но их цепи соединены по-разному.
2. Крахмал образует структуры, из которых при необходимости сравнительно легко высвобождаются простые сахара, поэтому он удобен для запаса.
3. Целлюлоза формирует длинные прочные волокна, объединяющиеся в каркас клеточной стенки.

Ответ: различия в строении определяют функции: крахмал — запасной полисахарид, целлюлоза — структурный.

Типичные ошибки

Считать все углеводы сладкими и растворимыми. Такую ошибку вызывают знакомые свойства сахара и глюкозы, но они характерны не для полисахаридов. Проверяйте, о какой группе идёт речь: крахмал, гликоген и целлюлоза не обладают такими свойствами, как простые сахара.

Путать глюкозу с сахарозой. Названия связаны с сахарами, поэтому вещества иногда считают одинаковыми. Проверьте результат гидролиза: глюкоза — моносахарид, а сахароза распадается на глюкозу и фруктозу.

Считать крахмал, гликоген и целлюлозу взаимозаменяемыми. Все они полисахариды, но различаются строением цепей и функциями. Чтобы не ошибиться, связывайте крахмал с запасом у растений, гликоген — с запасом у животных и грибов, а целлюлозу — с клеточными стенками.

Называть целлюлозу запасным веществом растений. Ошибка возникает из-за того, что целлюлоза тоже состоит из остатков глюкозы. Проверьте функцию: целлюлоза образует прочный каркас клеточной стенки, а не откладывается для последующего получения энергии.

Связь с другими темами

Для понимания углеводов нужны знания о химических элементах, составе органических веществ и связях между атомами. Эти представления помогают объяснить, почему небольшое изменение строения меняет свойства вещества.

Тема связана с клеточным дыханием и обменом веществ: глюкоза окисляется и обеспечивает клетки энергией. Позже знания пригодятся при изучении пищеварения, рационального питания и строения клеточной стенки растений.

Что запомнить

• Углеводы делят на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
• Глюкоза и фруктоза — моносахариды.
• Сахароза — дисахарид, при гидролизе которого образуются глюкоза и фруктоза.
• Крахмал и гликоген — запасные полисахариды.
• Целлюлоза выполняет структурную функцию и входит в состав клеточных стенок растений.
• Углеводы выполняют энергетическую, запасную и структурную функции.