§ 5. Углеводы

Определения и обозначения

Углеводы — органические вещества, обычно состоящие из углерода, водорода и кислорода. Они входят в состав клеток и участвуют в обеспечении организма энергией, запасании веществ и построении клеточных структур. Поэтому углеводы важны не только как компоненты пищи: они нужны и самим клеткам для работы и роста.

Моносахариды — простые углеводы, которые не расщепляются гидролизом на более простые углеводы. Гидролиз — расщепление вещества с участием воды; для моносахаридов такое дальнейшее расщепление невозможно. К этой группе относятся глюкоза, фруктоза и рибоза, участвующие в разных процессах организма.

Дисахариды — углеводы, молекулы которых образованы двумя остатками моносахаридов. При гидролизе они распадаются на составляющие их простые сахара. Примеры дисахаридов — сахароза, мальтоза и лактоза; знание их строения помогает понять, из каких частей они состоят.

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, состоящие из множества остатков моносахаридов. Из-за большого размера и особенностей строения такие молекулы отличаются от простых сахаров по растворимости и другим свойствам. К полисахаридам относятся крахмал и гликоген, запасаемые организмами, а также целлюлоза, входящая в состав клеточных стенок растений.

Как это устроено

Молекулы моносахаридов содержат атомы углерода, водорода и кислорода, но их свойства определяются не только составом, а также тем, как атомы соединены между собой. Например, глюкоза и фруктоза имеют одинаковую молекулярную формулу C₆H₁₂O₆, однако различное строение. Такие вещества называют изомерами: перестройка связей и расположения атомов влияет на свойства молекул, поэтому глюкоза и фруктоза — разные вещества.

Когда два моносахарида соединяются, между их остатками образуется гликозидная связь. Остатком называют часть молекулы сахара, которая сохраняется после соединения в составе более крупного вещества. Так возникают дисахариды; соединение большого числа остатков приводит к образованию полисахаридной цепи. Степень укрупнения молекулы объясняет, почему свойства сложных углеводов не совпадают со свойствами исходных простых сахаров.

Многие моносахариды и некоторые дисахариды растворяются в воде и имеют сладкий вкус. Небольшие молекулы легче взаимодействуют с водой и растворяются, а вкус зависит от строения молекулы и её взаимодействия с рецепторами. Однако по одному названию «углевод» нельзя заключать, что вещество обязательно сладкое или хорошо растворимое: крупные полисахариды обычно ведут себя иначе.

Полисахариды подходят для запаса веществ или создания прочных структур, потому что их длинные цепи можно по-разному строить и упаковывать. Крахмал у растений и гликоген у животных служат запасом углеводов: при потребности организм может расщепить их и получить доступные сахара. Целлюлоза устроена так, что её молекулы образуют прочные волокна; поэтому она входит в клеточные стенки растений и помогает им сохранять форму.

Углеводы выполняют энергетическую, запасающую и структурную функции. Глюкоза служит важным источником энергии: при клеточном дыхании она расщепляется, а высвобождаемая энергия используется для процессов жизнедеятельности. Запасные полисахариды позволяют хранить углеводы, а целлюлоза обеспечивает прочность клеточных стенок. Значит, функции группы связаны с различиями в строении её представителей.

Основные группы углеводов и их представители

Чтобы классифицировать углевод, сначала выясните, сколько остатков моносахаридов образуют его молекулу: один, два или много. Затем сопоставьте пример с таблицей и обратите внимание на его функцию. Не переносите свойства одного представителя на всю группу: полисахариды, например, могут быть как запасными, так и структурными.

Разбор задач

Задача 1. Распределите глюкозу, сахарозу, крахмал и целлюлозу по группам углеводов.

1. Определяем, сколько остатков моносахаридов входит в молекулу каждого вещества. Глюкоза — отдельный простой сахар, поэтому она относится к моносахаридам. Сахароза состоит из двух остатков моносахаридов.

2. Относим сахарозу к дисахаридам, а крахмал и целлюлозу — к полисахаридам. Их молекулы построены из множества остатков сахаров. Для ответа достаточно различить один, два и множество остатков.

3. Проверяем, что распределение согласуется с примерами групп: моносахарид — глюкоза, дисахарид — сахароза, полисахариды — крахмал и целлюлоза. При классификации не нужно ориентироваться только на сладкий вкус или растворимость вещества. Эти свойства не позволяют надёжно определить группу.

Ответ: глюкоза — моносахарид; сахароза — дисахарид; крахмал и целлюлоза — полисахариды.

Задача 2. Объясните, почему крахмал и целлюлоза имеют разные свойства и выполняют разные функции, хотя оба являются полисахаридами.

1. Сначала отмечаем общее: оба вещества состоят из множества остатков моносахаридов, значит, оба относятся к полисахаридам. Но принадлежность к одной группе не означает полного совпадения строения. Важны особенности соединения остатков и устройство молекул.

2. Связываем строение с функцией крахмала. Его молекулы подходят для накопления углеводов растением, а при необходимости крахмал можно расщепить и использовать полученные сахара. Поэтому это запасное вещество.

3. Сопоставляем целлюлозу с крахмалом: молекулы целлюлозы образуют прочные волокна. Такое строение подходит для создания клеточных стенок, которым нужно сохранять форму и прочность. Значит, целлюлоза выполняет структурную функцию.

Ответ: различия в строении молекул определяют свойства и функции: крахмал служит запасом углеводов, а целлюлоза образует прочные клеточные стенки.

Задача 3. При полном расщеплении одной молекулы сахарозы образуются глюкоза и фруктоза. Сколько молекул каждого моносахарида получится из 10 молекул сахарозы?

1. Записываем состав одной молекулы сахарозы после расщепления: из неё образуются одна молекула глюкозы и одна молекула фруктозы. Следовательно, на каждую молекулу сахарозы приходится по одной молекуле каждого продукта. Соотношение глюкозы и фруктозы равно 1:1.

2. Умножаем количество продуктов от одной молекулы на число молекул сахарозы. Для глюкозы получаем 10 × 1 = 10 молекул. Для фруктозы расчёт такой же: 10 × 1 = 10 молекул.

3. Проверяем результат по составу дисахарида: число молекул каждого продукта одинаково, потому что из каждой сахарозы образуется по одной молекуле каждого вида. Всего получается 20 молекул моносахаридов из 10 молекул дисахарида. Это соответствует двум остаткам в каждой молекуле сахарозы.

Ответ: образуются 10 молекул глюкозы и 10 молекул фруктозы.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что все углеводы сладкие и хорошо растворяются в воде. Такое представление обычно возникает из знакомства с сахаром и сладкими растворами, но свойства простых сахаров нельзя переносить на все группы. Крахмал и целлюлоза не имеют сладкого вкуса и иначе взаимодействуют с водой. Проверяйте себя: уточните, о каком именно углеводе идёт речь, и не делайте вывод только по названию группы.

Ошибка — путать дисахариды с полисахаридами. В обоих случаях в молекулах есть соединённые остатки сахаров, поэтому легко упустить различие в их количестве. У дисахарида остатков ровно два, у полисахарида — множество. Чтобы проверить ответ, пересчитайте, сколько частей указано в определении вещества.

Ошибка — считать крахмал, гликоген и целлюлозу взаимозаменяемыми запасными веществами. Их объединяет принадлежность к полисахаридам, но общая группа не означает одинаковую функцию. Крахмал и гликоген запасают углеводы, а целлюлоза выполняет структурную роль в клеточных стенках растений. При проверке соотносите название вещества не только с группой, но и с его назначением.

Ошибка — заключать, что одинаковая молекулярная формула означает одно и то же вещество. Так можно перепутать глюкозу и фруктозу: у них одинаковый состав C₆H₁₂O₆, но различное строение. Разное соединение атомов приводит к разным свойствам, поэтому вещества являются изомерами. Проверка проста: сравните не только формулы, но и строение молекул.

Связь с другими темами

Для понимания углеводов нужно знать, из каких элементов состоят органические вещества, что такое молекула и химическая связь. Представление о клеточном дыхании помогает объяснить, почему глюкоза служит источником энергии. Эти знания связывают строение вещества с процессами в клетке и организме.

Тема пригодится при изучении обмена веществ, фотосинтеза и пищеварения: углеводы образуются, преобразуются и расщепляются в организме. Она также помогает понять строение клеточных стенок растений, где целлюлоза выполняет структурную функцию. Поэтому классификация углеводов понадобится при рассмотрении и биохимических процессов, и устройства клетки.

Что запомнить

• Углеводы входят в состав клеток и выполняют несколько важных функций.
• Глюкоза — моносахарид с формулой C₆H₁₂O₆.
• Глюкоза и фруктоза имеют одинаковую молекулярную формулу, но различаются строением.
• Дисахарид образован двумя остатками моносахаридов.
• Полисахариды состоят из множества остатков моносахаридов.
• Крахмал и гликоген — запасные углеводы, а целлюлоза выполняет структурную функцию.