§ 22. Полисахари

Определения и обозначения

Полисахарид — высокомолекулярный углевод, молекулы которого состоят из большого числа остатков моносахаридов. Остаток — это часть молекулы сахара, сохранившаяся после отщепления воды. Такое определение показывает, почему полисахариды относят к природным полимерам.

Гликозидная связь — связь между остатками моносахаридов, образующаяся при отщеплении воды. Именно повторение таких связей превращает отдельные молекулы сахаров в длинную цепь. Вид этой связи во многом определяет форму и свойства полисахарида.

Крахмал — запасной растительный полисахарид, построенный из остатков α-глюкозы. Растения накапливают его в семенах, клубнях и других органах как источник энергии. Для человека крахмал важен как пищевой углевод, расщепляемый до глюкозы.

Целлюлоза — структурный растительный полисахарид, построенный из остатков β-глюкозы. Она образует клеточные стенки и придаёт растениям прочность. Поэтому целлюлозу рассматривают не как запас пищи, а как строительный материал растительного организма.

Как это устроено

Полисахариды образуются реакцией поликонденсации: множество молекул моносахарида соединяется, а при каждом образовании связи отщепляется молекула воды. Для глюкозы обобщённо записывают: n C₆H₁₂O₆ → (C₆H₁₀O₅)ₙ + n H₂O. Поэтому в повторяющемся звене на два атома водорода и один атом кислорода меньше, чем в свободной глюкозе. Индекс n показывает число звеньев и может быть очень большим.

Форма цепи зависит от того, какие атомы углерода участвуют в гликозидной связи и как ориентирована глюкоза. Связи α(1→4) обычно создают цепи, способные закручиваться в спирали, а β(1→4) — вытянутые цепи. Связь α(1→6) создаёт ответвление от основной цепи. Поэтому один и тот же набор атомов может образовывать линейные, разветвлённые или спиральные структуры.

Крахмал состоит из двух компонентов: амилозы и амилопектина. Амилоза имеет преимущественно линейные участки с α(1→4)-связями и образует спирали, а амилопектин дополнительно содержит ветвления с α(1→6)-связями. Гликоген построен сходным образом, но его боковые цепи встречаются чаще, поэтому молекула компактнее и быстрее отдаёт глюкозу при необходимости.

В целлюлозе остатки β-глюкозы соединены β(1→4)-связями, из-за чего цепи вытянуты и легко располагаются рядом. Между соседними цепями возникают многочисленные водородные связи, объединяющие их в прочные волокна. Человек не переваривает целлюлозу, потому что его пищеварительные ферменты не разрывают β(1→4)-связи. Однако клетчатка важна для работы кишечника как пищевое волокно.

Состав, строение и свойства важнейших полисахаридов

В таблице сначала сравниваются биологическая роль и место накопления, затем — химическое строение и характерные реакции. Особое внимание обращайте на тип связи: именно он помогает объяснить различия между крахмалом и целлюлозой. Последние строки показывают, что одинаковый продукт полного гидролиза не означает одинаковые свойства исходных веществ.

Разбор задач

Задача 1

Определите продукты полного гидролиза крахмала и целлюлозы. Запишите обобщённые уравнения реакций. Нужно связать продукт реакции с мономерными остатками обоих полисахаридов.

1. Крахмал и целлюлоза построены из остатков глюкозы, поэтому при полном разрыве всех гликозидных связей образуется глюкоза.
2. В процессе гидролиза к каждому структурному звену присоединяется молекула воды: (C₆H₁₀O₅)ₙ + n H₂O → n C₆H₁₂O₆.
3. Уравнение одинаково для обоих веществ, хотя тип связей и строение их цепей различаются.

Ответ: при полном гидролизе и крахмала, и целлюлозы образуется глюкоза; обобщённое уравнение: (C₆H₁₀O₅)ₙ + n H₂O → n C₆H₁₂O₆.

Задача 2

Какую массу глюкозы можно получить из 16,2 г крахмала? Считаем, что крахмал состоит только из звеньев (C₆H₁₀O₅). Сначала найдём массу структурных звеньев, а затем учтём присоединение воды при гидролизе.

1. Молярная масса звена C₆H₁₀O₅ равна 162 г/моль, а молярная масса глюкозы — 180 г/моль.
2. По уравнению реакции 162 г звеньев дают 180 г глюкозы.
3. Составим пропорцию: 16,2 г : m = 162 г : 180 г.
4. m = 16,2 × 180 / 162 = 18,0 г.

Ответ: можно получить 18,0 г глюкозы. Масса увеличивается, потому что при гидролизе к звеньям присоединяется вода.

Задача 3

Смесь крахмала и целлюлозы массой 32,4 г дала после полного гидролиза 36,0 г глюкозы. Требуется определить состав смеси. Обозначим массу крахмала через x, тогда масса целлюлозы равна 32,4 − x.

1. Для каждого из двух полисахаридов действует одно и то же соотношение: 162 г структурных звеньев дают 180 г глюкозы, то есть масса глюкозы равна массе вещества, умноженной на 180/162.
2. Для всей смеси получаем m(глюкозы) = 32,4 × 180/162 = 36,0 г.
3. Это равенство выполняется при любом значении x от 0 до 32,4 г, поэтому отдельные массы компонентов из условия не находятся.

Ответ: состав смеси определить нельзя. Данных достаточно лишь для проверки общей массы, поскольку крахмал и целлюлоза дают одинаковый массовый выход глюкозы.

Типичные ошибки

Ошибка: считать полисахариды простыми сахарами. Так происходит, если ориентироваться только на наличие углеводных групп и забывать о размере молекул. Проверьте себя: у полисахарида есть повторяющиеся остатки моносахаридов и полимерная цепь.

Ошибка: записывать формулу полисахарида как C₆H₁₂O₆. Такое смешение возникает из-за отождествления структурного звена со свободной глюкозой. При образовании связей отщепляется вода, поэтому звено имеет состав C₆H₁₀O₅.

Ошибка: путать крахмал и целлюлозу из-за одинакового мономерного состава. Одинаковые остатки глюкозы соединены по-разному: в крахмале преобладают α-связи, а в целлюлозе — β(1→4)-связи. Сверяйте не только мономер, но и его конфигурацию, тип связи и строение цепи.

Ошибка: считать синее окрашивание йодом общей реакцией всех полисахаридов. Характерная окраска связана прежде всего со спиральными участками амилозы в крахмале, а не просто с полимерной природой вещества. Если полисахарид не крахмал, синюю окраску по этой реакции ожидать нельзя.

Связь с другими темами

Для понимания полисахаридов нужны знания о строении и свойствах глюкозы, а также о реакциях поликонденсации и гидролиза. Без этого трудно объяснить появление формулы C₆H₁₀O₅ и образование гликозидных связей.

Тема продолжает изучение углеводов: моносахариды являются исходными звеньями, а дисахариды показывают принцип соединения нескольких сахарных остатков. Полисахариды позволяют применить эти представления к природным полимерам.

Практическое значение темы связано с биохимией, пищевой промышленностью и биотехнологией. Целлюлоза используется в производстве бумаги, тканей и полимерных материалов, а крахмал — в пищевой и химической промышленности.

Что запомнить

• Полисахариды состоят из большого числа остатков моносахаридов.
• При образовании полисахарида между остатками моносахаридов возникают гликозидные связи.
• Обобщённая формула структурного звена крахмала и целлюлозы — C₆H₁₀O₅.
• Крахмал является запасным полисахаридом растений, а гликоген — запасным полисахаридом животных и грибов.
• Целлюлоза выполняет структурную функцию в клеточных стенках растений.
• Полный гидролиз крахмала, гликогена и целлюлозы приводит к образованию глюкозы.
• Крахмал обнаруживают по синему окрашиванию с раствором йода.