§ 20. Полисахариды

Определения и обозначения

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, молекулы которых состоят из большого числа остатков моносахаридов. Такие молекулы называют макромолекулами, потому что они включают множество повторяющихся звеньев. Это определение помогает отличать полисахариды от небольших молекул сахаров, например глюкозы.

Крахмал — растительный запасной полисахарид, построенный из остатков α-глюкозы. Растения накапливают его, чтобы иметь запас вещества, который при необходимости можно расщепить и использовать для получения энергии. Поэтому крахмал встречается в семенах, клубнях и других органах растения.

Целлюлоза — структурный полисахарид растений, построенный из остатков β-глюкозы. Структурным его называют потому, что он служит материалом клеточных стенок и придаёт им прочность. Это помогает понять, почему целлюлоза составляет значительную часть древесины и волокон растений.

Гликоген — запасной полисахарид животных и грибов, имеющий сильно разветвлённое строение. У животных он накапливается главным образом в печени и мышцах, откуда организм может получать глюкозу по мере необходимости. Его разветвлённость связана с тем, что запас нужно быстро мобилизовать.

Как это устроено

Моносахариды соединяются друг с другом реакцией конденсации: от двух соседних молекул отщепляются части, образующие воду, а между остатками возникает гликозидная связь. Повторение этого процесса позволяет наращивать длинную цепь из множества звеньев. При обратном процессе — гидролизе — вода расходуется, связи разрываются, и цепь распадается на более короткие фрагменты или отдельные сахара.

Молекула глюкозы имеет формулу C₆H₁₂O₆, а остаток глюкозы после образования связи с соседним звеном соответствует составу C₆H₁₀O₅. Это происходит потому, что при соединении звеньев отщепляются элементы воды. Поэтому формулу полисахарида записывают как (C₆H₁₀O₅)ₙ, где n показывает число звеньев; оно велико, поскольку макромолекула состоит из многих повторов.

Одинаковый состав ещё не означает одинакового строения. Остатки α-глюкозы в крахмале образуют цепи, которые могут быть прямыми или разветвлёнными; крахмал включает амилозу и амилопектин. В целлюлозе остатки β-глюкозы соединяются в длинные неразветвлённые цепи, а гликоген из α-глюкозы разветвлён сильнее крахмала. Вид связи и форма цепи меняют свойства вещества.

Крахмал и гликоген служат запасами, потому что при гидролизе из них можно получить доступные организму молекулы глюкозы. Разветвлённые участки позволяют ферментам воздействовать на многие концы цепей, поэтому запас можно расщеплять быстро. Целлюлоза, напротив, формирует длинные прочные цепи, которые объединяются в волокнистые структуры клеточных стенок; такая организация подходит для опоры и защиты растения.

При полном гидролизе вода разрывает гликозидные связи, и остатки глюкозы переходят в молекулы глюкозы: (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆. Для крахмала это превращение можно провести с помощью кислотного катализатора или ферментов; полный гидролиз целлюлозы также приводит к глюкозе, но требует подходящих условий. Качественная реакция с раствором йода устроена иначе: синее окрашивание показывает наличие крахмала, но не означает, что он гидролизовался.

Сравнение крахмала, целлюлозы и гликогена

Чтобы сравнить вещества, сначала найдите в таблице их роль и мономер, затем сопоставьте строение цепей и свойства. Например, одинаковый продукт гидролиза не означает, что полисахариды устроены одинаково. Качественная реакция с йодом в этой таблице помогает отличить крахмал от целлюлозы.

Разбор задач

Определите вещество с формулой (C₆H₁₀O₅)ₙ, которое даёт синее окрашивание с раствором йода и при гидролизе образует глюкозу.

1. Общая формула указывает на полисахарид, построенный из остатков глюкозы, но сама по себе не позволяет выбрать одно вещество.
2. Гидролиз до глюкозы подходит для крахмала, целлюлозы и гликогена, поэтому нужен дополнительный признак.
3. Синее окрашивание с раствором йода — характерная качественная реакция на крахмал.

Ответ: крахмал. Решая подобные задания, используйте совокупность признаков: формула описывает состав, продукт гидролиза — мономер, а йодная проба помогает распознать крахмал.

Составьте уравнение полного гидролиза крахмала и найдите количество глюкозы, образующейся из 1 моль его структурных звеньев.

1. Запишите уравнение: (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆. Коэффициент n перед водой показывает, что на каждое структурное звено требуется одна молекула воды.
2. В уравнении на n звеньев приходится n молекул глюкозы, значит соотношение звеньев и глюкозы равно 1:1.
3. Для 1 моль звеньев умножать количество на n не нужно: получается 1 моль глюкозы.

Ответ: уравнение приведено выше; образуется 1 моль глюкозы. Под «1 моль звеньев» понимают количество вещества структурных единиц, а не обязательно целых макромолекул крахмала.

Какую массу глюкозы можно получить при полном гидролизе 162 г крахмала, если выход реакции составляет 90%?

1. Молярная масса структурного звена C₆H₁₀O₅ равна 162 г/моль. Значит, 162 г крахмала соответствуют примерно 1 моль звеньев; вклад концов длинных цепей здесь не учитывают.
2. По уравнению гидролиза 1 моль звеньев даёт 1 моль глюкозы. Молярная масса глюкозы C₆H₁₂O₆ равна 180 г/моль, поэтому теоретически получится 180 г.
3. Фактическую массу находят с учётом выхода: 180 г × 0,90 = 162 г.

Ответ: 162 г глюкозы. Сначала по уравнению определяют теоретический выход, а процент выхода применяют только после этого.

Типичные ошибки

Крахмал и целлюлозу иногда считают изомерами с одинаковыми свойствами, потому что их общая формула совпадает. Однако остатки глюкозы соединены по-разному: в крахмале преобладают α-связи, а в целлюлозе — β-связи, и цепи имеют разное строение. Проверка: сравните не только формулы, но и мономерные остатки, связи и биологическую роль веществ.

Для полисахарида порой записывают формулу C₆H₁₂O₆, как для глюкозы. Так происходит, если забыть, что при образовании связей между остатками отщепляется вода. Проверка: представьте повторяющееся звено C₆H₁₀O₅ и укажите число звеньев индексом n — получится (C₆H₁₀O₅)ₙ.

Неверно считать, что человек переваривает целлюлозу так же, как крахмал. Хотя оба полисахарида могут дать глюкозу при полном гидролизе, пищеварительные ферменты человека не расщепляют β-связи целлюлозы. Проверка: различайте возможность гидролиза вещества в подходящих условиях и способность организма провести его с помощью собственных ферментов.

Синее окрашивание крахмала раствором йода иногда путают с гидролизом. Причина — обе реакции связывают с распознаванием или превращением вещества, но йодная проба служит только качественной реакцией на крахмал. Проверка: если в условии говорится о появлении глюкозы и разрыве связей с участием воды, речь идёт о гидролизе, а не о реакции с йодом.

Связь с другими темами

Для изучения полисахаридов нужно знать строение глюкозы и других моносахаридов, а также понимать реакции конденсации и гидролиза. Связь с биологией помогает объяснить, как углеводы запасают энергию, укрепляют клеточные структуры и участвуют в пищеварении. Позже эти знания пригодятся при расчётах по уравнениям реакций, изучении природных полимеров и химической переработке целлюлозы.

Что запомнить

• Полисахариды состоят из большого числа остатков моносахаридов.
• Общая формула важнейших полисахаридов — (C₆H₁₀O₅)ₙ.
• Крахмал и гликоген служат запасными углеводами, а целлюлоза выполняет структурную функцию.
• Крахмал построен из остатков α-глюкозы, целлюлоза — из остатков β-глюкозы.
• Крахмал даёт синее окрашивание с раствором йода.
• При полном гидролизе крахмала и целлюлозы образуется глюкоза.
• Свойства полисахарида зависят не только от состава, но и от строения его цепей.