【プロ講師解説】このページでは『多糖類であるデンプン(アミロース・アミロペクチン)/セルロースの構造・還元性・加水分解など』について解説しています。解説は高校化学・化学基礎を扱うウェブメディア『化学のグルメ』を通じて6年間大学受験に携わるプロの化学講師が執筆します。

はじめに

このページを読むと『多糖類(デンプン(アミロース・アミロペクチン)/セルロースの構造・還元性・加水分解など)』に関する以下の項目について学ぶことができます。

  • 栄養多糖と構造多糖について
  • 代表的な多糖類(デンプン・セルロース)の構造について
  • 各多糖類に関する基礎知識
  • 各二糖類の性質(吸湿性・水溶性・ヨウ素デンプン反応・還元性・加水分解など)について
  • セルロースの利用について
  • 多糖類に関する問題演習

多糖類とは

多数の単糖が縮合重合してできた糖
Point!

多数の単糖が縮合重合してできた糖(高分子化合物)を多糖といいます。

この例では、多数のα-グルコースが縮合重合し、デンプンの一種であるアミロースが形成されています。

また、nコの単糖が縮合重合すると、(n-1)ヶ所で水が取れるので、多糖の分子式は(C6H10O5)nとなります。

栄養多糖と構造多糖

多糖類にはデンプンやグリコーゲンのように栄養源(エネルギー源)として貯蔵するために作られたものがあり、それらを栄養多糖といいます。一方、セルロースは植物の細胞壁に存在し、植物体を支え、構造を維持する役割を果たしているので構造多糖といいます。

デンプン

デンプンはα-グルコースが縮合重合してできる多糖です。デンプンはその構造により「アミロース」「アミロペクチン」に分けることができます。

\[
\begin{eqnarray}
デンプン
\begin{cases}
アミロース & ( 20〜25 \% ) \\
アミロペクチン & ( 75〜80 \% )
\end{cases}
\end{eqnarray}
\]

デンプンのうち、20〜25%はアミロース、75〜80%はアミロペクチンです。これら2つについて個別に詳しく解説していきましょう。

アミロース

アミロースは、多数のα-グルコースがマルトース(麦芽糖)のように、1位と4位のヒドロキシ基(-OH)の間で脱水縮合した構造をしています。

このとき生じたエーテル結合をグリコシド結合(α-1,4-グリコシド結合)といいます。

一見まっすぐ延びた直鎖状ですが、マルトースのような折れ曲がった繋がり方をしているため、実際には直鎖状のらせん構造をしています。このとき、分子内の-OHはらせん構造を補強する「分子内水素結合」に使われます。

アミロペクチン

アミロペクチンは、多数のα-グルコースが1位と4位の-OHの間、及び1位と6位の-OHの間で脱水縮合した構造をしています。

このとき生じたエーテル結合をそれぞれα-1,4-グリコシド結合、α-1,6-グリコシド結合といいます。

1,4結合と1,6結合が存在するため、(アミロースと異なり)アミロペクチンは分枝状らせん構造をしています。

分子中の1つの枝は20個程度のグルコースが縮合したもので、らせんの長さはアミロースよりも短めです。

グリコーゲン

アミロペクチンとほぼ同じ構造をしています。ただし、アミロペクチンに比べて平均重合度が大きく(数万程度)、枝分かれの比率が多い(1分枝/10~20グルコース単位)という特徴があります。

セルロース

セルロースは、多数のβ-グルコースがセロビオースのように1位と4位の-OHの間で脱水縮合した構造をしています。

このとき生じたエーテル結合をβ-1,4-グリコシド結合といいます。

β-グルコース単位が表・裏・表・裏・・・とセロビオースのようなまっすぐな繋がり方をしているため、デンプンのアミロースとは異なり直線上構造となっています。このとき、分子内の-OHは直線構造を補強する「分子内水素結合」だけではなく、分子同士を結びつける「分子間水素結合」も形成しています。

多糖類の性質

多糖類は多数の単糖が脱水縮合してできた高分子化合物です。単糖類二糖類のような低分子化合物と異なり、分子量が非常に大きく複雑な立体構造をもつため、その点に注目して性質を理解していく必要があります。

吸湿性

-OHのため
Point!

多糖類は吸湿性が非常に高いです。化合物内にヒドロキシ基(-OH)が多いことが理由です。

水溶性

デンプン

冷水には溶けにくいが、熱水には溶ける
Point!

アミロースの-OHはらせん構造を形成するための「分子内水素結合」に使われるため、多数の-OHがあるにも関わらず、冷水には溶けにくいです。しかし、熱すると分子内水素結合が切れてらせん構造が崩れます。結果、アミロースの-OHが水分子と水素結合を形成することができ、熱水によく溶けます。

一方、アミロペクチンは枝分かれが多く、アミロースに比べて分子量も大きいため、熱水の場合も溶けにくく、白くなって下に沈みます。(白色沈殿)

セルロース

水に不溶であり、ほぼ全ての溶媒に溶けない
Point!

セルロースの-OHは、分子内だけではなく、分子間での水素結合にも使われています。規則正しく生じた水素結合によって分子同士が強く結びついているため、熱水に対しても結晶部分が崩れないので、溶けることはほとんどありません。

PLUS+

セルロースは水に溶けにくいが、溶かす方法がないわけではありません。セルロースを溶かす方法について詳しくはシュバイツァー試薬や二硫化炭素を用いてセルロースを溶かす方法を参照しましょう。

ヨウ素デンプン反応

デンプン → 呈色する
セルロース → 呈色しない
Point!

デンプンのアミロースやアミロペクチンにヨウ素ヨウ化カリウム溶液を加えると青〜青紫色を呈します。この反応をヨウ素デンプン反応といいます。(ヨウ素デンプン反応について詳しくは【図解】ヨウ素デンプン反応とは?原理や色の違い、反応式などを解説!を参照)

一方、セルロースはらせん構造をもたないので呈色はしません。

還元性がない

多糖類は高分子化合物です。したがって、還元性を示す「末端」の分子全体に対する比率が極めて小さいので、実質的に還元性を示しません。

加水分解する

Point!

多糖類は、酵素又は酸の触媒作用により加水分解し、二糖または単糖となります。

\[
\underbrace{(C_{6}H_{10}O_{5})_{n} }_{ 多糖 }+(\frac{ n }{ 2 }-1)H_{2}O →^{ 酵素 } \underbrace{ \frac{ n }{ 2 }C_{12}H_{22}O_{11} }_{ 二糖 } \\
\underbrace{(C_{6}H_{10}O_{5})_{n} }_{ 多糖 }+(n-1)H_{2}O →^{ 酸 } \underbrace{ nC_{12}H_{22}O_{11} }_{ 単糖 }
\]

デンプンは酵素アミラーゼにより加水分解され、途中分解生成物であるデキストリンを経て、マルトース(麦芽糖)になります。(ここにマルターゼを加えるとさらにグルコースまで分解されます:二糖の加水分解)。一方、酸を用いるとマルトースで止まらず、グルコースまで一気に分解されます。

セルロースは酵素セルラーゼにより加水分解されてセロビオースになります(ここにセロビアーゼを加えるとさらにグルコースまで分解される:二糖の加水分解)。一方、酸を用いるとセロビオースで止まらずに、グルコースまで一気に分解されます。

セルロースの利用

セルロースは再生繊維(レーヨン)やエステル化した化合物として利用されます。この辺りについて詳しくは以下のコンテンツを確認しましょう。

演習問題

問1

【】に当てはまる語を答えなさい。

多数の単糖が縮合重合してできた糖(高分子化合物)を【1】という。【1】には、栄養源(エネルギー源)として貯蔵する役割を果たす【2】と、植物の細胞壁などに存在し、その構造を維持する役割を果たす【3】がある。

【問1】解答/解説:タップで表示
解答:【1】多糖【2】栄養多糖【3】構造多糖

多数の単糖が縮合重合してできた糖(高分子化合物)が多糖です。多糖類にはデンプンやグリコーゲンのように栄養源(エネルギー源)として貯蔵するために作られたものがあり、それらを栄養多糖といいます。一方、セルロースは植物の細胞壁に存在し、植物体を支え、構造を維持する役割を果たしているので構造多糖といいます。

問2

【】に当てはまる語を答えなさい。

デンプンは【1(αorβ)】-グルコースが縮合重合した多糖である。デンプンのうち、20〜25%は【2】、75〜80%は【3】である。

【問2】解答/解説:タップで表示
解答:【1】α【2】アミロース【3】アミロペクチン

アミロース

アミロペクチン

問3

【】に当てはまる語を答えなさい。

多数のα-グルコースが1位と4位のヒドロキシ基(-OH)の間で脱水縮合してできた多糖を【1】という。【1】中に存在するエーテル結合は【2】と呼ばれる。【1】は【3(直鎖or分枝)】状のらせん構造をしており、ヒドロキシ基はらせん構造を補強する分子【4(内or間)】水素結合に使われている。

【問3】解答/解説:タップで表示
解答:【1】アミロース【2】グリコシド結合(α-1,4-グリコシド結合)【3】直鎖【4】内

アミロースは多数のα-グルコースが1位と4位のヒドロキシ基(-OH)の間で脱水縮合した構造をしています。

※アミロース中のエーテル結合は(α-グルコースが1位と4位の-OHの間で脱水縮合しているので)α-1,4-グリコシド結合と呼ばれる。

※一見まっすぐ延びた直鎖状ですが、マルトースのような折れ曲がった繋がり方をしているため、実際には直鎖状のらせん構造をしています。このとき、分子内の-OHはらせん構造を補強する「分子内水素結合」に使われます。

問4

【】に当てはまる語を答えなさい。

多数のα-グルコースが1位と4位の-OHの間、及び1位と6位の-OHの間で脱水縮合してできた多糖を【1】という。【1】に含まれるエーテル結合にはα-1,4-グリコシド結合とα-1,6-グリコシド結合があるため、【2(直鎖or分枝)】状のらせん構造をとる。また、【1】のらせんの長さはアミロースよりも【3(長or短)】めである。

【問4】解答/解説:タップで表示
解答:【1】アミロペクチン【2】分枝【3】短

アミロペクチンは、多数のα-グルコースが1位と4位の-OHの間、及び1位と6位の-OHの間で脱水縮合した構造をしています。

アミロペクチン中のエーテル結合はα-1,4-グリコシド結合とα-1,6-グリコシド結合の2種類存在します。
その結果(アミロースと異なり)アミロペクチンは分枝状らせん構造を取ります。

分子中の1つの枝は20個程度のグルコースが縮合したもので、らせんの長さはアミロースよりも短めです。

問5

【】に当てはまる語を答えなさい。

多数のβ-グルコースが1位と4位の-OHの間で脱水縮合してできた多糖を【1】という。【1】中に存在するエーテル結合は【2】と呼ばれる。【1】は直線構造をしており、構造中に含まれる水素結合には、直線構造を補強する分子【3(内or間)】水素結合と、分子同士を結びつける分子【3(内or間)】水素結合がある。

【問5】解答/解説:タップで表示
解答:【1】セルロース【2】グリコシド結合(β-1,4-グリコシド結合)【3】内【4】間

セルロースの構造

※セルロース中のエーテル結合は(β-グルコースが1位と4位の-OHの間で脱水縮合しているので)β-1,4-グリコシド結合と呼ばれる

※セルロース中に存在する水素結合のうち、同一分子内に存在して直線構造を補完するものを分子内水素結合、異分子間に存在し分子同士を結びつけるものを分子間水素結合という。

問4

【】に当てはまる語を答えなさい。

多糖類は化合物内に【1】基が非常に多いため、吸湿性が極めて【2(高or低)】い。

【問4】解答/解説:タップで表示
解答:【1】ヒドロキシ【2】高

多糖類は化合物内にヒドロキシ基(-OH)が非常に多いため、吸湿性が極めて高いです。

問5

【】に当てはまる語を答えなさい。

アミロースは冷水に溶け【1(やすorにく)】い。これは、アミロース中のヒドロキシ基が、らせん構造を形成する分子【2(内or間)】水素結合に使われるためである。

【問5】解答/解説:タップで表示
解答:【1】にく【2】内
問6

アミロースとアミロペクチンのうち、熱水に溶けやすいのはどちらか。
【問6】解答/解説:タップで表示
解答:アミロース

アミロースを熱すると水素結合が切れてらせん構造が崩れ、ヒドロキシ基が水分子と水素結合を形成し、熱水によく溶ける。一方、アミロペクチンは枝分かれが多く、アミロースに比べて分子量も大きいため、熱水の場合も溶けにくく、白色沈殿となる。

問7

【】に当てはまる語を答えなさい。

セルロースは熱水に溶け【1(やすorにく)】い。これは、規則正しく生じた【2】によって分子同士が強く結びついているためである。ただし、【3】試薬を用いる方法や、水酸化ナトリウムと【4】を用いる方法などで溶かすことも可能である。

【問7】解答/解説:タップで表示
解答:【1】にく【2】水素結合【3】シュバイツァー【4】二硫化炭素

セルロースは規則正しく生じた水素結合により、分子同士が強く結びついているため、熱水を加えても結晶部分が崩れず、溶けることはほとんどない。

セルロースを溶かしたいときには、熱によって分子間水素結合を切るのではなく、セルロースのもつヒドロキシ基(-OH)を反応させ、別の状態(別の官能基など)にして水素結合を形成できないようにする。その結果、セルロースはコロイド状になり、溶解する。

詳しくは下記ページ参照。
シュバイツァー試薬や二硫化炭素を用いてセルロースを溶かす方法

問8

【】に当てはまる語を答えなさい。

デンプンのアミロースやアミロペクチンにヨウ素ヨウ化カリウム溶液を加えると青〜青紫色に呈色する。この反応を【1】反応という。一方、セルロースは【2】構造をもたないので、ヨウ素ヨウ化カリウム溶液を加えても呈色しない。

【問8】解答/解説:タップで表示
解答:【1】ヨウ素デンプン【2】らせん
問9

【】に当てはまる語を答えなさい。

多糖類は、【1】又は【2】の触媒作用により加水分解し、二糖または単糖となります。

【問9】解答/解説:タップで表示
解答:【1】酵素【2】酸(【1】・【2】は順不同)
問10

【】に当てはまる語を答えなさい。

多糖類は、【1】又は【2】の触媒作用により加水分解し、二糖または単糖となります。

【問10】解答/解説:タップで表示
解答:【1】酵素【2】酸(【1】・【2】は順不同)
\[
\underbrace{(C_{6}H_{10}O_{5})_{n} }_{ 多糖 }+(\frac{ n }{ 2 }-1)H_{2}O →^{ 酵素 } \underbrace{ \frac{ n }{ 2 }C_{12}H_{22}O_{11} }_{ 二糖 } \\
\underbrace{(C_{6}H_{10}O_{5})_{n} }_{ 多糖 }+(n-1)H_{2}O →^{ 酸 } \underbrace{ nC_{12}H_{22}O_{11} }_{ 単糖 }
\]
問11

【】に当てはまる語を答えなさい。

デンプンは酵素【1】により加水分解され、途中分解生成物である【2】を経て【3】になる。また、ここでさらに【4】を加えると【5】まで分解される。一方、【6】を用いると【3】で止まらず、【5】まで一気に分解されます。

【問11】解答/解説:タップで表示
解答:【1】アミラーゼ【2】デキストリン【3】マルトース(麦芽糖)【4】マルターゼ【5】グルコース【6】酸

デンプンは酵素アミラーゼにより加水分解され、途中分解生成物であるデキストリンを経て、マルトース(麦芽糖)になる。(ここにマルターゼを加えるとさらにグルコースまで分解される:二糖の加水分解)。

一方、酸を用いるとマルトースで止まらず、グルコースまで一気に分解される。

問12

【】に当てはまる語を答えなさい。

セルロースは酵素【1】により加水分解されて【2】になる。また、ここでさらにセロビアーゼを加えると【3】まで分解される:二糖の加水分解)。一方、酸を用いるとセロビオースで止まらずに、グルコースまで一気に分解されます。

【問12】解答/解説:タップで表示
解答:【1】セルラーゼ【2】セロビオース

デンプンは酵素アミラーゼにより加水分解され、途中分解生成物であるデキストリンを経て、マルトース(麦芽糖)になる。(ここにマルターゼを加えるとさらにグルコースまで分解される:二糖の加水分解)。

一方、酸を用いるとマルトースで止まらず、グルコースまで一気に分解される。

関連:有機のドリルが、できました。

有機化学の問題演習を行うための"ドリル"ができました。解答・解説編には大学入試頻出事項が網羅的にまとまっています。詳細は【公式】有機化学ドリルにて!


著者プロフィール

・化学のグルメ運営代表
・高校化学講師
・薬剤師
・デザイナー/イラストレーター

数百名の個別指導経験あり(過去生徒合格実績:東京大・京都大・東工大・東北大・筑波大・千葉大・早稲田大・慶應義塾大・東京理科大・上智大・明治大など)
2014年よりwebメディア『化学のグルメ』を運営
公式オンラインストアで販売中の理論化学ドリルシリーズ・有機化学ドリル等を執筆

著者紹介詳細