§ 15. Дисахариды и полисахариды

Определения и обозначения

Дисахариды — углеводы, молекулы которых состоят из двух остатков моносахаридов, соединённых друг с другом. К ним относятся сахароза и мальтоза. Это определение показывает, что сладкий вкус сам по себе не позволяет определить класс вещества: нужно знать, сколько структурных частей входит в его молекулу.

Сахароза — дисахарид из остатков глюкозы и фруктозы с формулой C₁₂H₂₂O₁₁. В природе она содержится, например, в сахарной свёкле и сахарном тростнике, а также переносится по растениям. Это главный пищевой сахар, поэтому знание её состава помогает понять, на какие сахара она распадается при гидролизе.

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, образованные большим числом остатков моносахаридов. К ним относятся крахмал и целлюлоза. Их молекулы могут быть очень длинными, поэтому полисахариды выполняют не только энергетические, но и строительные функции.

Крахмал — растительный запасной полисахарид, построенный из остатков глюкозы. Растения накапливают его как запас питательного вещества, а человек получает крахмал из многих продуктов. С раствором йода крахмал даёт синее окрашивание, поэтому эта реакция позволяет распознать его в образце.

Как это устроено

Дисахарид образуется, когда соединяются две молекулы моносахаридов. В ходе реакции конденсации от их функциональных групп отщепляются частицы, из которых получается вода, а между остатками возникает гликозидная связь. Так называют связь, соединяющую остатки сахаров; её образование объясняет, почему формула дисахарида содержит меньше атомов водорода и кислорода, чем две отдельные молекулы моносахарида вместе.

Дисахариды различаются составом и тем, как именно соединены их остатки. Сахароза построена из глюкозы и фруктозы, мальтоза — из двух остатков глюкозы, а лактоза — из глюкозы и галактозы. Даже при сходном составе расположение частей и тип связи влияют на свойства и на то, какие ферменты могут расщепить сахар.

При гидролизе к гликозидной связи присоединяется вода, и связь разрывается. Поэтому дисахарид даёт два моносахарида, а полисахарид при полном гидролизе — множество молекул моносахаридов. Например, сахароза распадается на глюкозу и фруктозу; крахмал и целлюлоза при полном гидролизе дают глюкозу.

Крахмал и целлюлоза построены из остатков глюкозы, но соединённых по-разному. В крахмале преобладают связи, позволяющие цепям сворачиваться и местами разветвляться; целлюлоза образует длинные прямые цепи, которые соединяются друг с другом в прочные волокна. Поэтому крахмал подходит для запасания вещества, а целлюлоза — для создания опоры и оболочек клеток.

Ферменты действуют на определённые связи, и ферменты человека способны расщеплять связи крахмала, высвобождая глюкозу. Связи целлюлозы имеют другую пространственную конфигурацию, поэтому пищеварительные ферменты человека их не расщепляют. Это различие определяет функции веществ: крахмал служит источником энергии, а целлюлоза укрепляет клеточные стенки растений и работает в питании человека как пищевое волокно.

Состав, строение и свойства дисахаридов и полисахаридов

Сначала определите класс вещества и состав его остатков, затем сравните продукты гидролиза. Столбцы о строении и свойствах помогают связать устройство молекул с их ролью и качественными реакциями. Формула полисахарида показывает повторяющееся звено, а n обозначает большое число таких звеньев.

Разбор задач

Задача 1. Запишите уравнение гидролиза сахарозы и определите образующиеся моносахариды. Сахароза состоит из остатков глюкозы и фруктозы, а при гидролизе расходуется вода. Запись должна показывать оба продукта реакции и быть уравненной по числу атомов.

1. Записываем формулу сахарозы C₁₂H₂₂O₁₁ и добавляем воду H₂O, поскольку гидролиз — расщепление связи с участием воды. Для продуктов используем формулу глюкозы C₆H₁₂O₆ и такую же формулу фруктозы. Это разные вещества, хотя их молекулярные формулы совпадают.
2. Составляем уравнение: C₁₂H₂₂O₁₁ + H₂O → C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆. Слева и справа по 12 атомов углерода, 24 атома водорода и 12 атомов кислорода, поэтому коэффициенты равны единице. Ответ: образуются глюкоза и фруктоза.

Задача 2. Рассчитайте массу глюкозы, которая образуется при полном гидролизе 342 г сахарозы. По уравнению реакции один моль сахарозы даёт один моль глюкозы. Значит, сначала нужно перевести массу сахарозы в количество вещества, а затем использовать соотношение коэффициентов.

1. Молярная масса сахарозы M(C₁₂H₂₂O₁₁) = 342 г/моль, а глюкозы M(C₆H₁₂O₆) = 180 г/моль. Количество сахарозы n = m/M = 342/342 = 1 моль. По уравнению реакции это соответствует 1 молю глюкозы.
2. Находим массу глюкозы: m = nM = 1 · 180 = 180 г. Не следует удваивать результат: при гидролизе образуется также фруктоза, но спрашивают только массу глюкозы. Ответ: 180 г глюкозы.

Задача 3. Сравните образцы крахмала и целлюлозы по строению, реакции с йодом и отношению к нагреванию. При добавлении раствора йода крахмал окрашивается в синий цвет, а целлюлоза — нет. При нагревании синяя окраска крахмала исчезает, а при охлаждении обычно восстанавливается; такое изменение связано с обратимым изменением структуры комплекса крахмала с йодом, а не с тем, что крахмал стал целлюлозой.

1. Сопоставляем строение: крахмал содержит цепи с характерными для него связями, а целлюлоза — прямые цепи, соединённые в прочные волокна. Хотя остатки глюкозы есть в обоих полимерах, конфигурация связей различается. Поэтому различны и свойства образцов.
2. Проверяем реакцию йода: синее окрашивание указывает на крахмал, отсутствие окраски ожидаемо для целлюлозы. При нагревании окраска йодного комплекса с крахмалом исчезает, а при охлаждении может появиться снова. Ответ: реакция с йодом отличает крахмал; строение цепей объясняет различия свойств и поведения при нагревании.

Типичные ошибки

Считать сахарозу моносахаридом из-за сладкого вкуса — ошибка: вкус не определяет класс вещества. Её допускают, потому что в быту сахаром называют разные сладкие углеводы. Проверьте себя по строению: в сахарозе два остатка моносахаридов, значит, это дисахарид.

Путать гидролиз с горением не следует: при гидролизе вода разрывает связь и образуются более простые сахара. Вероятная причина путаницы — представление, что любое разложение вещества сопровождается сгоранием. Проверьте уравнение: вода должна быть среди реагентов, а продукты реакции — сахара, а не углекислый газ и вода.

Неверно утверждать, что крахмал и целлюлоза имеют разные элементарные составы: оба построены из остатков глюкозы и имеют одинаковую формулу повторяющегося звена. Путаница возникает потому, что их свойства и функции сильно отличаются. Сверьте не только состав, но и строение цепей, тип связей и их пространственное расположение.

Нельзя переносить синее окрашивание с йодом на целлюлозу или сахарозу: это качественная реакция именно на крахмал. Ошибку провоцирует сходство названий углеводов или общая принадлежность к сахарам. Для проверки вспомните результат опыта: характерный синий цвет появляется в присутствии крахмала, а не любого углевода.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о строении моносахаридов, формулах глюкозы и фруктозы, а также о конденсации и гидролизе. С биологией дисахариды и полисахариды связывают их роль в питании, запасании энергии и строении клеточных стенок растений. Дальше эти представления пригодятся при расчётах по уравнениям гидролиза, изучении биополимеров и химии природных соединений.

Что запомнить

• Дисахариды состоят из двух остатков моносахаридов, соединённых гликозидной связью.
• При гидролизе сахароза распадается на глюкозу и фруктозу.
• Полисахариды состоят из большого числа остатков моносахаридов.
• Крахмал является запасным полисахаридом растений.
• Целлюлоза образует основу клеточных стенок растений.
• Крахмал даёт синее окрашивание с раствором йода.
• Различия в строении полисахаридов определяют различия их свойств и функций.