§ 7. Углеводы в биосистемах

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, к которым относятся сахара и их полимеры; в их составе обычно есть углерод, водород и кислород. Для клетки они важны как источник энергии, запас питательных веществ и материал для построения структур. Слово «полимер» означает крупную молекулу, составленную из повторяющихся более простых частей. Поэтому свойства углевода зависят не только от состава, но и от того, как соединены его части.

Моносахариды — простые углеводы, которые при гидролизе не распадаются на более простые углеводы. Глюкоза служит распространённым источником энергии, а рибоза входит в состав нуклеиновых кислот и некоторых других молекул. Такие сахара могут непосредственно участвовать в обмене веществ. Их строение становится основой для образования более сложных углеводов.

Дисахариды — углеводы, состоящие из двух остатков моносахаридов, связанных гликозидной связью. К ним относятся сахароза и лактоза. Остаток — это часть молекулы моносахарида, оставшаяся после соединения с другой частью. Чтобы использовать дисахарид как источник простых сахаров, организму обычно нужно расщепить связь между его остатками.

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, построенные из множества остатков моносахаридов. Крахмал и гликоген запасают питательные вещества, а целлюлоза выполняет структурную роль. Большая длина цепей и особенности их ветвления влияют на свойства полисахарида. Поэтому вещества из похожих строительных частей могут выполнять в клетках разные задачи.

Как это устроено

Углеводы различаются числом остатков моносахаридов: один остаток образует моносахарид, два — дисахарид, множество — полисахарид. Чем сложнее молекула, тем больше её размер и тем больше связей между её частями. Небольшие сахара обычно хорошо растворяются в воде и могут быстро перемещаться в клетке. Крупные полисахариды часто растворяются хуже, что помогает хранить их или использовать как прочный материал.

Когда два моносахарида соединяются, между ними образуется гликозидная связь — химическая связь, соединяющая остатки сахаров. Так формируются дисахариды, а повторение соединений позволяет строить длинные полисахаридные цепи. При гидролизе к связи присоединяется вода, и она разрушается; молекула становится короче или распадается на отдельные сахара. Такое расщепление позволяет клетке получить доступ к запасённым строительным частям.

Глюкоза быстро служит источником энергии, поскольку это небольшой сахар, который клетка может сразу включить в реакции обмена. В ходе клеточного дыхания энергия химических связей глюкозы высвобождается и используется для работы клетки. Запасать всю энергию в виде свободной глюкозы неудобно: растворённый сахар влияет на свойства клеточной среды. Крахмал и гликоген позволяют хранить много остатков глюкозы и высвобождать их по мере потребности, расщепляя полимер.

Углеводы выполняют энергетическую, запасающую, структурную и защитную функции. Глюкоза даёт энергию, а крахмал у растений и гликоген у животных и грибов служат запасом. Целлюлоза укрепляет клеточные стенки растений; другие углеводы входят в состав оболочек и поверхностных структур клеток, где могут участвовать в защите и распознавании. Различие функций объясняется тем, что клетки по-разному используют растворимые сахара, запасающие цепи и устойчивые структурные молекулы.

Строение полисахарида помогает понять его роль. Гликоген имеет разветвлённые цепи, поэтому при необходимости ферменты могут получать доступ к их концам и быстро высвобождать глюкозу. Целлюлоза образует длинные прочные цепи, которые объединяются в волокна и придают стенкам растений устойчивость. Такая организация делает целлюлозу подходящей для опоры, а не для быстрого расходования в качестве запаса.

Сравнение основных групп углеводов

Чтобы определить группу вещества, сначала смотрите на число остатков моносахаридов, а затем проверяйте, можно ли расщепить его гидролизом. Столбец с функциями помогает связать строение молекулы с её ролью в организме. Указанные свойства — общие: конкретные углеводы могут отличаться по растворимости.

Разбор задач

1. Определите, к какой группе углеводов относятся глюкоза, сахароза и крахмал.

Здесь нужно классифицировать вещества по числу остатков моносахаридов, а не по вкусу или месту нахождения. Для этого вспоминаем, что простейшая группа состоит из одного остатка, дисахариды — из двух, а полисахариды — из множества. Затем сопоставляем каждое название с известным составом. Такой способ позволяет обосновать ответ, а не просто угадать его.

1. Глюкоза — один простой сахар, который не распадается гидролизом на более простые сахара. Значит, это моносахарид.

2. Сахароза образована двумя остатками моносахаридов, глюкозы и фруктозы. Следовательно, она относится к дисахаридам.

3. Крахмал построен из множества остатков глюкозы и представляет собой крупную цепочечную молекулу. Поэтому его относят к полисахаридам.

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

2. При гидролизе сахарозы образуются глюкоза и фруктоза. Укажите, какие связи разрушаются и к какой группе относилась исходная молекула.

В условии уже указаны продукты реакции, поэтому нужно проследить, из каких частей они образовались. Гидролиз означает расщепление связи с участием воды. Поскольку появляются две отдельные молекулы простых сахаров, исходное вещество было соединено из двух моносахаридных остатков. Это позволяет определить и тип связи, и класс исходного углевода.

1. Находим продукты: глюкоза и фруктоза — моносахариды. До реакции их остатки были частью одной молекулы.

2. При гидролизе между остатками разрушается гликозидная связь, а вода участвует в разделении частей молекулы.

3. Молекула, состоящая из двух остатков моносахаридов, относится к дисахаридам. Сахароза как раз имеет такое строение.

Ответ: разрушается гликозидная связь между остатками глюкозы и фруктозы; сахароза — дисахарид.

3. В клетках мышц запасается разветвлённый полисахарид, а в клеточных стенках растений находится прочный структурный полисахарид. Назовите их и объясните, почему они выполняют разные функции.

Сначала используем указание на место нахождения: запасной углевод мышц животных — гликоген, а прочный компонент растительной клеточной стенки — целлюлоза. Оба вещества являются полисахаридами, но сходство по классу не означает одинаковую функцию. Разницу объясняют организация цепей и то, как клетка использует эти молекулы. Нужно связать признак из условия с конкретным строением.

1. Мышечные клетки животного запасают глюкозу в виде гликогена. Его ветвление позволяет быстро расщеплять цепи и получать сахар для обмена веществ.

2. Целлюлоза образует длинные прочные цепи, объединённые в волокна. Благодаря этому она укрепляет клеточную стенку и помогает растительной клетке сохранять форму.

3. Значит, гликоген приспособлен к запасанию и последующему расходованию, а целлюлоза — к созданию устойчивой опорной структуры.

Ответ: запасной полисахарид мышц — гликоген, структурный полисахарид стенок растений — целлюлоза; их разные функции связаны с разным строением цепей.

Типичные ошибки

Ошибка — считать все углеводы сладкими и хорошо растворимыми. Так думают, потому что многие знакомые сахара действительно имеют эти свойства, но полисахариды обычно крупнее и часто плохо растворяются. Проверяйте себя по размеру молекулы: свойства глюкозы нельзя автоматически переносить на крахмал или целлюлозу. Вкусовые качества не определяют принадлежность к классу углеводов.

Крахмал и гликоген не являются одним и тем же веществом, хотя оба служат запасом глюкозы. Их путают из-за сходства функций, но крахмал характерен для растений, а гликоген — для животных и грибов; различается и строение цепей. Проверка простая: спрашивайте, в каких организмах находится вещество и как организованы его цепи. Общая функция не отменяет различий.

Сахарозу иногда называют моносахаридом, потому что это сахар и она растворяется в воде. Однако сахароза состоит из двух остатков — глюкозы и фруктозы, поэтому относится к дисахаридам. Чтобы проверить себя, определите число частей, на которые молекула распадается при гидролизе. Если образуются два моносахарида, исходное вещество — дисахарид.

Целлюлозу ошибочно считают запасным углеводом растений, поскольку она находится в растительных клетках и является полисахаридом. Но её основная роль — структурная: волокна целлюлозы укрепляют клеточные стенки. Для проверки сравните, может ли вещество быстро расщепляться ради получения сахаров или оно образует прочную опору. Запас растений — крахмал, а не целлюлоза.

Связь с другими темами

Для понимания углеводов полезно знать состав органических веществ клетки, а также различие между мономером и полимером: мономер — простая часть, из повторения которой может складываться крупная молекула. Понятие химической связи помогает понять, как остатки моносахаридов соединяются и почему при гидролизе цепь распадается. Эти знания связывают строение вещества с его свойствами.

Тема пригодится при изучении обмена веществ и клеточного дыхания, где глюкоза используется для получения энергии, а запасы крахмала и гликогена могут расщепляться. Целлюлоза связывает тему углеводов со строением клеточной стенки растений. Понимание состава углеводов также помогает объяснять питание организмов и превращение пищи в вещества, необходимые клеткам.

Что запомнить

• Углеводы делятся на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
• Моносахариды — простые углеводы; глюкоза является важным источником энергии.
• Дисахарид состоит из двух остатков моносахаридов.
• Полисахариды состоят из множества остатков моносахаридов.
• Крахмал служит запасным углеводом растений, гликоген — животных и грибов.
• Целлюлоза выполняет структурную функцию в клеточных стенках растений.
• Строение углевода связано с его свойствами и ролью в организме.