はじめに

有機化学後半に学ぶこともあり、対策が遅れがちな多糖類。このページでは代表的な多糖類であるデンプン(アミロース/アミロペクチン)やセルロースについて、その構造や特徴、性質などを一から丁寧に解説していく。是非この機会に多糖類をマスターして、他の受験生と差をつけよう!


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多糖類とは

多数の単糖が縮合重合してできた糖(高分子化合物)を多糖という。

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る。

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となる。


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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う。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う。


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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ある。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る。

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

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ある。これら2つについて個別に詳しく解説していこう。

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る。

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)という。

一見まっすぐ延びた直鎖状だが、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る。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」に使われる。

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る。

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う。

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る。

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ある。

グリコーゲン

アミロペクチンとほぼ同じ構造をしている。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)という特徴がある。


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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る。

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う。

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る。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」も形成する。


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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ある。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る。

吸湿性

多糖類は吸湿性が非常に高い。これは化合物内にヒドロキシ基(-OH)が多いためである。

水溶性

デンプン

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。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る。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、白くなって下に沈む。(白色沈殿)

セルロース

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る。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ない。

プラスの知識

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ない。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よう。
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ヨウ素デンプン反応

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〜青紫色を呈する。この反応をヨウ素デンプン反応という。(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ない。

還元性がない

多糖類は高分子化合物である。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さない。

加水分解する

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る。

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

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。

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る(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る。

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る。この辺りについて詳しくは以下のコンテンツを参照しよう。

  • 【ビスコースレーヨン & 銅アンモニアレーヨン】作り方・原理・構造式・用途など!
  • 【ニトロセルロース & アセチルセルロース】作り方や構造、用途などを大公開!

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    関連:アルデヒドとケトン。

    銀鏡反応とフェーリング反応はいずれも「アルデヒドの還元性」を利用したものだった。アルデヒドとその異性体のケトンについて、基礎的な事項や命名法、各種反応などをまとめたのでそちらも見てみてね。

  • 【完全版】アルデヒドとケトンの違いからそれぞれの命名法や製法、反応について完全まとめ!!
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