§ 9. Углеводы, их строение и функции

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, состоящие преимущественно из углерода, водорода и кислорода. Их молекулы могут быть небольшими или состоять из множества повторяющихся сахарных остатков. В клетке углеводы участвуют в получении и запасании энергии, а некоторые из них образуют прочные структуры.

Моносахариды — простые углеводы, которые не расщепляются гидролизом на более мелкие углеводы. Гидролиз — это расщепление вещества с участием воды. Глюкоза и фруктоза служат примерами моносахаридов с формулой C₆H₁₂O₆, а рибоза — с формулой C₅H₁₀O₅.

Олигосахариды состоят из небольшого числа остатков моносахаридов, соединённых между собой. Дисахарид — олигосахарид из двух таких остатков; к дисахаридам относятся сахароза, лактоза и мальтоза. Различия между ними определяются тем, какие именно моносахариды соединены и как устроена связь.

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, построенные из множества остатков моносахаридов. К ним относятся крахмал и гликоген, запасающие глюкозу, а также целлюлоза и хитин, выполняющие структурную роль. Название «полисахарид» указывает на множество сахарных звеньев в одной большой молекуле.

Как это устроено

Связь углеводов с фотосинтезом объясняется тем, что растения используют энергию света для создания органических веществ из неорганических. При фотосинтезе из углекислого газа и воды образуется глюкоза, а кислород выделяется в окружающую среду. Другие организмы получают углеводы с пищей, а клетки могут преобразовывать одни вещества в другие в ходе обмена веществ.

Моносахариды различаются, в частности, числом атомов углерода и расположением атомов в молекуле. Глюкоза и фруктоза имеют одинаковую формулу C₆H₁₂O₆, но различное строение, поэтому это разные вещества с неодинаковыми свойствами. Рибоза содержит пять атомов углерода и имеет формулу C₅H₁₀O₅; она важна как часть нуклеиновых кислот. Сравнение формул показывает число атомов, а строение молекулы объясняет, почему одинаковая формула не всегда означает одно и то же вещество.

Дисахариды образуются, когда два остатка моносахаридов соединяются гликозидной связью — химической связью между сахарными звеньями. Если к такому веществу добавить воду и запустить гидролиз, связь разорвётся, а исходные моносахариды высвободятся. Например, сахароза распадается на глюкозу и фруктозу. При соединении множества остатков возникают полисахариды, поэтому гидролиз таких молекул может идти поэтапно.

Полисахариды отличаются тем, как соединены их сахарные остатки и как устроены цепи. Крахмал у растений и гликоген у животных и грибов служат запасом глюкозы: их можно расщепить, когда клеткам понадобится энергия. Целлюлоза формирует прочные волокна клеточных стенок растений, а хитин входит в состав наружных покровов членистоногих и клеточных стенок грибов. Именно особенности связей и укладки цепей делают одни полисахариды подходящими для запаса, а другие — для построения прочных структур.

Энергетическая функция углеводов связана с тем, что при клеточном дыхании глюкоза расщепляется, и клетка получает энергию для процессов жизнедеятельности. Запасающая функция позволяет хранить избыток сахаров в форме крахмала или гликогена. Структурные углеводы укрепляют клетки и организмы, а отдельные сахара входят в состав других важных молекул: например, рибоза входит в состав РНК. Поэтому значение углеводов не сводится к сладкому вкусу или быстрому получению энергии.

Основные группы углеводов и их функции

Сначала определите, сколько сахарных остатков входит в молекулу: один, два или множество. Затем сопоставьте строение с примерами и функцией — это помогает не путать запасные полисахариды со структурными. Таблица показывает общие признаки групп, а свойства конкретного вещества могут зависеть от его строения.

Разбор задач

Задача 1. Укажите группу углеводов, к которой относятся глюкоза и рибоза, и объясните, почему их нельзя считать полисахаридами.

1. Глюкоза и рибоза — отдельные простые сахарные молекулы.
2. Сопоставим их с определением: моносахарид не расщепляется гидролизом на более мелкие углеводы.
3. Полисахарид, напротив, должен состоять из множества соединённых сахарных остатков, а такого строения у одной молекулы глюкозы или рибозы нет.

Ответ: глюкоза и рибоза относятся к моносахаридам, потому что каждая из них представляет собой одну молекулу простого сахара, а не цепь из множества остатков.

Задача 2. Сахароза гидролизуется с образованием глюкозы и фруктозы. Определите группу исходного вещества и назовите продукты реакции.

1. При гидролизе разрывается связь между сахарными остатками.
2. В результате сахарозы образуются две более простые молекулы: глюкоза и фруктоза.
3. Исходное вещество, дающее при гидролизе два моносахарида, соответствует определению дисахарида.

Ответ: сахароза — дисахарид; продукты её гидролиза — глюкоза и фруктоза. Наличие двух продуктов помогает определить число исходных сахарных звеньев.

Задача 3. В образцах обнаружены гликоген, целлюлоза и крахмал. Распределите вещества по функциям и укажите, в каких организмах или клеточных структурах они встречаются.

1. Определим, какие из веществ запасают глюкозу: это крахмал и гликоген.
2. Крахмал служит запасным углеводом растений, а гликоген — животных и грибов.
3. Оставшееся вещество, целлюлоза, выполняет структурную функцию и входит в состав клеточных стенок растений.

Ответ: крахмал и гликоген — запасающие полисахариды; крахмал характерен для растений, гликоген — для животных и грибов. Целлюлоза — структурный полисахарид клеточных стенок растений. При распределении веществ полезно сначала установить, запасают ли они сахарные остатки или формируют прочную структуру.

Типичные ошибки

Считать все углеводы сладкими и хорошо растворимыми — неверно: эти свойства чаще заметны у простых сахаров, но не описывают все крупные углеводы. Ошибка возникает из-за привычного представления о сахаре как о главном примере этой группы. Проверьте себя, спросив, подходит ли характеристика целлюлозе: она не сладкая и плохо растворима в воде.

Путать крахмал и целлюлозу, считая их взаимозаменяемыми запасными веществами, — значит не учитывать строение и роль молекул. Оба полисахарида построены из остатков глюкозы, однако различия связей влияют на свойства: крахмал служит запасом, целлюлоза образует прочные волокна. Чтобы проверить ответ, сопоставьте не только состав, но и функцию каждого вещества.

Называть глюкозу полимером неправильно, потому что её молекула — один моносахарид, а полимерная цепь включает множество звеньев. Путаница появляется, когда термин «углеводы» принимают за название только крупных молекул. Проверьте число остатков: один означает моносахарид, множество соединённых остатков — полисахарид.

Смешивать сахарозу и сахара — значит принимать название одного вещества за название всей группы. Сахароза — конкретный дисахарид, тогда как словом «сахара» могут обозначать разные простые углеводы. Для проверки уточните, говорится ли о веществе с определённым составом или о группе соединений.

Связь с другими темами

Для понимания углеводов пригодятся знания о составе органических веществ, строении атома углерода и химических связях. Представление о фотосинтезе объясняет, откуда растения получают глюкозу, а клеточное дыхание показывает, как клетка использует её энергию. Дальше эта тема связана с пищеварением и обменом веществ: углеводы поступают с пищей, расщепляются и включаются в процессы организма. Сопоставление строения и функций полисахаридов поможет изучать белки, липиды и нуклеиновые кислоты.

Что запомнить

• Моносахариды — простые углеводы, которые не расщепляются гидролизом на более мелкие углеводы.
• Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов, соединённых гликозидной связью.
• Полисахариды построены из множества остатков моносахаридов.
• Глюкоза — важный источник энергии для клеток.
• Крахмал и гликоген выполняют запасающую функцию.
• Целлюлоза и хитин выполняют структурную функцию.
• При гидролизе углеводов разрываются связи между сахарными остатками.