23.2. Общая характеристика полисахаридов

Определения и обозначения

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, состоящие из большого числа остатков моносахаридов, соединённых гликозидными связями. Остаток получается из молекулы моносахарида после отщепления воды при образовании цепи. Это понятие объединяет крахмал, целлюлозу и другие природные полимеры.

Гликозидная связь — связь между остатками моносахаридов, которая образуется при отщеплении молекулы воды. Она соединяет звенья в длинную цепь и может разрываться при гидролизе. Тип такой связи определяет форму цепи и свойства полисахарида.

Крахмал — растительный запасной полисахарид, состоящий из остатков α-глюкозы. Растения накапливают его в семенах, клубнях и других органах как источник глюкозы. В состав крахмала входят линейная амилоза и разветвлённый амилопектин.

Целлюлоза — основной структурный полисахарид клеточных стенок растений, построенный из остатков β-глюкозы. Она формирует прочные волокна и поддерживает форму растительных клеток. Поэтому целлюлоза важна не как запас пищи, а как строительный материал.

Как это устроено

При соединении молекул моносахаридов между ними образуются новые связи, а часть атомов водорода и кислорода удаляется в составе воды. Повторение этого процесса создаёт длинную цепь из звеньев. Большое число звеньев и высокая относительная молекулярная масса объясняют принадлежность таких веществ к высокомолекулярным соединениям.

Крахмал состоит из амилозы и амилопектина, потому что глюкозные остатки могут соединяться с образованием цепей разной формы. Амилоза почти линейна, а амилопектин содержит ответвления. Такое строение позволяет компактно накапливать много остатков глюкозы и постепенно высвобождать их при расщеплении.

Цепи целлюлозы построены иначе: β-связи задают им вытянутую, почти прямую форму. Соседние цепи притягиваются за счёт многочисленных водородных связей, поэтому объединяются в пучки и волокна. Так возникает прочная структура клеточной стенки, способная выдерживать механическую нагрузку.

Большие молекулы крахмала и целлюлозы не переходят в воду так легко, как маленькие молекулы глюкозы. При нагревании крахмальные частицы набухают и удерживают воду, поэтому образуется вязкий клейстер. Целлюлозные волокна сохраняют каркас и в воде не превращаются в клейстер.

При гидролизе вода присоединяется по месту гликозидной связи, и цепь постепенно укорачивается. Сначала могут появляться более короткие углеводы, затем образуются отдельные молекулы глюкозы. Крахмал обнаруживают йодом: включение частиц йода в спиральные участки амилозы вызывает синее окрашивание.

Сравнение крахмала и целлюлозы

Таблицу удобно читать по строкам: один и тот же признак сразу сопоставляется у двух веществ. По строкам о мономерах и связях можно объяснить различия в строении, а по строкам о воде и реакции — распознать вещества на практике. Совпадение продукта полного гидролиза не означает одинакового строения исходных полисахаридов.

Разбор задач

Задача 1

Определите класс углевода, если при полном гидролизе вещество даёт только глюкозу и имеет очень большую молекулярную массу. Нужно связать состав продукта с размером исходной молекулы. Одного факта образования глюкозы недостаточно: глюкоза может быть и исходным моносахаридом.

1. Полный гидролиз разрывает гликозидные связи и показывает, из каких мономерных звеньев построено вещество.
2. Если единственный продукт — глюкоза, исходное вещество могло состоять из множества глюкозных остатков.
3. Очень большая молекулярная масса подтверждает наличие длинной цепи, то есть полимерное строение.

Ответ: вещество относится к полисахаридам; примером могут быть крахмал или целлюлоза.

Задача 2

Предложите опыт, позволяющий отличить раствор крахмала от раствора глюкозы. Выбор реакции должен учитывать различие в строении веществ и давать заметное наблюдение. Для этого применяют йодную пробу.

1. В две пробирки наливают исследуемые растворы и добавляют по несколько капель раствора йода.
2. Наблюдают цвет смеси сразу после добавления реагента, не путая его с исходной окраской самого йода.
3. Синее или сине-фиолетовое окрашивание указывает на крахмал, а отсутствие такого окрашивания — на глюкозу.

Ответ: раствор крахмала окрашивается йодом в синий цвет, раствор глюкозы характерного синего цвета не даёт.

Задача 3

Запишите схему полного гидролиза крахмала и вычислите массу глюкозы, образующейся из 162 г крахмала, если его звенья имеют формулу C₆H₁₀O₅. При гидролизе к каждому звену присоединяется вода, поэтому масса продукта больше массы исходных звеньев.

1. Записываем уравнение: (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆.
2. Молярная масса звена C₆H₁₀O₅ равна 162 г/моль, значит 162 г составляют 1 моль звеньев.
3. Одно звено даёт одну молекулу глюкозы, поэтому образуется 1 моль глюкозы.
4. Молярная масса глюкозы равна 180 г/моль, следовательно, масса продукта равна 180 г.

Ответ: схема — (C₆H₁₀O₅)ₙ + nH₂O → nC₆H₁₂O₆; из 162 г звеньев образуется 180 г глюкозы.

Типичные ошибки

Считать крахмал и целлюлозу одинаковыми веществами ошибочно: оба полимера дают глюкозу, но используют разные типы связей и имеют разную форму цепей. Такую ошибку допускают, если сравнивают только состав, не учитывая строение. Проверьте себя по обозначениям α-глюкоза для крахмала и β-глюкоза для целлюлозы.

Нельзя записывать звено полисахарида формулой свободной глюкозы C₆H₁₂O₆. При соединении звеньев отщепляется вода, поэтому повторяющееся звено имеет состав C₆H₁₀O₅. Самопроверка проста: сравните формулу цепи с уравнением гидролиза и учтите присоединение H₂O.

Крахмал не следует называть хорошо растворимым в холодной воде. Он набухает, а при нагревании образует клейстер, но это не обычный истинный раствор, как у глюкозы. Если сомневаетесь, вспомните, что крупные частицы полимера сохраняют коллоидное или набухшее состояние.

Синее окрашивание с йодом характерно для крахмала, а не для целлюлозы. Ошибка возникает из-за общего происхождения этих веществ из глюкозы. Проверьте утверждение по назначению реакции: йод выявляет особенности крахмальной структуры, тогда как целлюлоза такого цвета не даёт.

Связь с другими темами

Для понимания полисахаридов нужны знания о строении и свойствах моносахаридов, прежде всего глюкозы, а также о гидролизе и химических связях. Эти сведения помогают объяснить состав звена и расщепление цепи.

Тема связана с обменом углеводов и пищеварением: крахмал расщепляется до глюкозы, а целлюлоза человеком не переваривается. Она также нужна при изучении природных полимеров и применения целлюлозы в производстве бумаги и волокон.

Что запомнить

• Полисахариды состоят из множества остатков моносахаридов, соединённых гликозидными связями.
• При образовании полисахаридной цепи отщепляется вода.
• Крахмал — запасной полисахарид растений.
• Крахмал построен из остатков α-глюкозы и включает амилозу и амилопектин.
• Целлюлоза — структурный полисахарид растений, построенный из остатков β-глюкозы.
• Крахмал распознают по синему окрашиванию с йодом.
• При полном гидролизе крахмала и целлюлозы образуется глюкоза.