26.1. Общая характеристика

Определения и обозначения

Углеводы — обширная группа органических веществ, обычно содержащих углерод, водород и кислород. Название связано с тем, что у многих представителей отношение числа атомов водорода к числу атомов кислорода такое же, как в воде, то есть 2:1. Однако это не строгое правило для всех углеводов, поэтому состав и строение каждого вещества нужно рассматривать отдельно.

Моносахариды — углеводы, молекулы которых нельзя расщепить гидролизом на более простые углеводы. Гидролиз — реакция разложения вещества водой, часто при участии кислоты или фермента. Это понятие помогает выделить самые простые звенья углеводного ряда, например глюкозу.

Дисахариды — вещества, молекулы которых при гидролизе образуют две молекулы моносахаридов. Их молекула состоит из двух соединённых углеводных звеньев. Поэтому число продуктов гидролиза служит удобным признаком для определения этой группы.

Полисахариды — высокомолекулярные углеводы, построенные из большого числа остатков моносахаридов. Остатком называют часть исходной молекулы, которая сохраняется после соединения звеньев с выделением воды. К полисахаридам относятся крахмал и целлюлоза.

Как это устроено

Углеводы объединяют не потому, что все они одинаковы по внешнему виду или растворимости. Их родство определяется составом и тем, что сложные представители можно мысленно представить как соединения повторяющихся моносахаридных звеньев. Поэтому в одну группу входят и небольшая молекула глюкозы, и огромная цепь целлюлозы, хотя их свойства заметно различаются.

Главный принцип классификации связан с гидролизом. Если молекула уже является простейшим углеводом и дальше на углеводы не распадается, это моносахарид. Если при реакции получается ровно две молекулы моносахаридов, вещество считают дисахаридом, а образование множества звеньев указывает на полисахарид.

Число структурных звеньев влияет на размер молекулы и её молекулярную массу. У моносахарида звено одно, у дисахарида их два, а у полисахарида — сотни и тысячи. При соединении звеньев образуются новые связи, поэтому вещество может хуже растворяться, терять сладкий вкус и приобретать прочность.

Углеводы широко распространены в природе, потому что образуются в растениях в процессе фотосинтеза. Растения используют их для получения энергии и построения клеточных оболочек, а животные получают значительную часть энергии с пищей. Разные углеводы затем превращаются друг в друга или откладываются в запас.

Биологическая функция зависит от строения молекулы. Крахмал у растений и гликоген у животных служат запасными веществами: при необходимости они расщепляются и дают моносахариды для энергетического обмена. Целлюлоза образует прочные клеточные стенки растений, поэтому выполняет главным образом строительную функцию.

Классификация углеводов

Пользуйтесь таблицей так: сначала определите, есть ли у вещества более простые углеводные продукты гидролиза. Затем посчитайте, сколько молекул моносахарида образуется, и сопоставьте результат со строением вещества.

Если в условии назван конкретный пример, его можно сразу связать с группой, но полезно подтвердить ответ строением и гидролизом. Это защищает от ошибок, когда вещества внешне похожи, но относятся к разным классам.

Разбор задач

Задача 1

Распределите глюкозу, сахарозу и крахмал по группам углеводов. Нужно использовать не бытовое значение слова сахар, а способность вещества к гидролизу и количество его структурных звеньев.

1. Глюкоза не расщепляется гидролизом на более простые углеводы.
2. Сахароза гидролизуется с образованием двух моносахаридов — глюкозы и фруктозы.
3. Крахмал состоит из большого числа остатков глюкозы и при гидролизе даёт множество более простых продуктов.

Ответ: глюкоза — моносахарид, сахароза — дисахарид, крахмал — полисахарид.

Задача 2

При гидролизе дисахарида образуются две молекулы моносахаридов. Установите, к какой группе относится исходное вещество и чем это подтверждается. В условии уже дан главный классификационный признак, поэтому искать название вещества необязательно.

1. Гидролиз показывает, что исходная молекула распадается на более простые углеводы.
2. Количество продуктов равно двум, значит, распадаются два моносахаридных звена.
3. Такой результат соответствует определению дисахарида.

Ответ: исходное вещество относится к дисахаридам; это подтверждается образованием двух молекул моносахаридов при гидролизе.

Задача 3

Сравните крахмал и целлюлозу по строению, способности к гидролизу и биологической функции. Оба вещества имеют много звеньев, но соединены и организованы они по-разному, поэтому одинаковая принадлежность к группе не означает одинаковых свойств.

1. Крахмал и целлюлоза состоят из большого числа остатков глюкозы, следовательно, оба являются полисахаридами.
2. Оба могут гидролизоваться до более простых углеводов и в конечном счёте до глюкозы.
3. Крахмал запасает питательные вещества у растений, а целлюлоза формирует прочные клеточные стенки.

Ответ: по группе и общей способности к гидролизу вещества сходны, но крахмал выполняет запасную, а целлюлоза — структурную функцию; причина различий заключается в строении цепей.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что у всех углеводов одинаковое соотношение водорода и кислорода. Так происходит из-за школьного происхождения названия, связанного с водой. Проверяйте не только состав, но и формулу конкретного вещества.

Ошибка: называть любой углевод сахаром в бытовом смысле. Крахмал и целлюлоза относятся к углеводам, но не являются обычным столовым сахаром и обладают другими свойствами. Уточняйте химическую группу вещества.

Ошибка: путать дисахариды с полисахаридами. Дисахарид даёт при гидролизе две молекулы моносахаридов, а полисахарид — большое число звеньев. Сверяйте ответ с количеством продуктов реакции.

Ошибка: считать одинаковый общий состав гарантией одинаковых свойств. Размер молекулы, тип связей и порядок расположения звеньев тоже имеют значение. Сравнивайте не только элементы, но и строение вещества.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о составе и строении органических веществ, функциональных группах и гидролизе. Классификация станет основой при изучении глюкозы, сахарозы, крахмала и целлюлозы. Строение углеводов поможет объяснить их превращения в обмене веществ и роль в биологических системах.

Что запомнить

• Углеводы — обширная группа органических веществ, различающихся строением и размером молекул.
• По способности к гидролизу углеводы делят на моносахариды, дисахариды и полисахариды.
• Моносахариды не расщепляются гидролизом на более простые углеводы.
• Дисахариды при гидролизе дают две молекулы моносахаридов.
• Полисахариды состоят из большого числа структурных звеньев.
• Углеводы выполняют энергетическую и структурную функции.