POLISACHARYDY: CHARAKTERYSTYKA, BUDOWA, KLASYFIKACJA, PRZYKŁADY - BIOLOGIA - 2025

Te polisacharydy , często nazywane glikany, są związkami chemicznymi o dużej masie cząsteczkowej utworzone przez więcej niż 10 jednostek w poszczególnych cukrów (monosacharydy). Innymi słowy, są to polimery monosacharydowe połączone ze sobą wiązaniami glikozydowymi.

Są to bardzo powszechne cząsteczki w przyrodzie, ponieważ znajdują się one we wszystkich żywych istotach, gdzie pełnią różnorodne funkcje, z których wiele jest nadal badanych. Uważane są za największe źródło odnawialnych zasobów naturalnych na ziemi.

Struktura celulozy, homopolisacharydu (źródło: http://www.monografias.com/trabajos46/celulosa-madera/celulosa-madera2.shtml / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa /4.0) przez Wikimedia Commons)

Na przykład ściana komórek roślinnych składa się z jednego z najbardziej rozpowszechnionych polisacharydów w biosferze: celulozy.

Związek ten, składający się z powtarzających się jednostek monosacharydu zwanego glukozą, służy jako pokarm dla tysięcy mikroorganizmów, grzybów i zwierząt, oprócz funkcji, które spełnia w utrzymaniu struktury roślin.

Z biegiem czasu człowiekowi udało się wykorzystać celulozę do celów praktycznych: używa bawełny do produkcji odzieży, „pulpy” drzew do produkcji papieru i tak dalej.

Innym bardzo rozpowszechnionym polisacharydem, również produkowanym przez rośliny i mającym duże znaczenie dla człowieka, jest skrobia, ponieważ jest ona jednym z głównych źródeł węgla i energii. Występuje w ziarnach zbóż, bulwach itp.

Charakterystyka polisacharydów

- Są to makrocząsteczki o bardzo dużej masie cząsteczkowej

- Zbudowane są głównie z atomów węgla, wodoru i tlenu

- Są bardzo zróżnicowani strukturalnie i funkcjonalnie

- Występują praktycznie we wszystkich istotach żyjących na ziemi: roślinach, zwierzętach, bakteriach, pierwotniakach i grzybach

- Niektóre polisacharydy są dobrze rozpuszczalne w wodzie, a inne nie, co zwykle zależy od obecności rozgałęzień w ich strukturze

- Działają w magazynowaniu energii, w komunikacji komórkowej, we wspomaganiu strukturalnym komórek i tkanek itp.

- Jego hydroliza powoduje na ogół uwolnienie pojedynczych pozostałości (cukrów prostych)

- Można je znaleźć jako część bardziej złożonych makrocząsteczek, takich jak część węglowodanowa wielu glikoprotein, glikolipidów itp.

Struktura

Jak omówiliśmy na początku, polisacharydy to polimery zawierające więcej niż 10 reszt cukrowych lub monosacharydowych, które są połączone ze sobą wiązaniami glukozydowymi.

Chociaż są to niezwykle różnorodne cząsteczki (istnieje nieskończona różnorodność możliwych typów struktur), najpowszechniejszymi monosacharydami znajdującymi się w strukturze polisacharydu są cukry pentozowe i heksozowe, czyli cukry o odpowiednio 5 i 6 atomach węgla.

Różnorodność

Różnorodność tych makrocząsteczek polega na tym, że oprócz różnych cukrów, które mogą je tworzyć, każda reszta cukrowa może występować w dwóch różnych formach cyklicznych: furanozy lub piranozy (tylko te cukry z 5 i 6 atomami węgla).

Ponadto wiązania glikozydowe mogą mieć konfigurację α- lub β i, jakby tego było mało, tworzenie tych wiązań mogłoby obejmować podstawienie jednej lub więcej grup hydroksylowych (-OH) w sąsiedniej reszcie.

Mogą być również utworzone przez cukry o rozgałęzionych łańcuchach, przez cukry bez jednej lub więcej grup hydroksylowych (-OH) oraz przez cukry o więcej niż 6 atomach węgla, a także przez różne pochodne monosacharydów (powszechne lub nie).

Graficzne przedstawienie liniowego i rozgałęzionego polisacharydu (źródło: jphwang / Public domain, za pośrednictwem Wikimedia Commons), zmodyfikowane przez Raquel Parada Puig

Polisacharydy o łańcuchach liniowych na ogół lepiej upakują się w sztywnych lub nieelastycznych strukturach i są nierozpuszczalne w wodzie, w przeciwieństwie do rozgałęzionych polisacharydów, które są dobrze rozpuszczalne w wodzie i tworzą „ciastowate” struktury w roztworach wodnych.

Klasyfikacja polisacharydów

Klasyfikacja polisacharydów zwykle opiera się na ich naturalnym występowaniu, jednak coraz częściej klasyfikuje się je ze względu na ich budowę chemiczną.

Wielu autorów uważa, że ​​najlepszy sposób klasyfikacji polisacharydów opiera się na typie cukrów, z których się składają, zgodnie z którym zdefiniowano dwie duże grupy: homopolisacharydów i heteropolisacharydów.

Homopolisacharydy lub homoglikany

Ta grupa obejmuje wszystkie polisacharydy, które składają się z identycznych jednostek cukrowych lub monosacharydów, to znaczy są homopolimerami tego samego rodzaju cukru.

Najprostsze homopolisacharydy to te o konformacji liniowej, w których wszystkie reszty cukrowe są połączone tym samym typem wiązania chemicznego. Dobrym przykładem jest celuloza: to polisacharyd złożony z reszt glukozy połączonych wiązaniami β (1 → 4).

Istnieją jednak bardziej złożone homopolisacharydy i są to takie, które mają więcej niż jeden typ wiązań w łańcuchu liniowym, a nawet mogą mieć rozgałęzienia.

Przykładami homopolisacharydów bardzo powszechnych w przyrodzie są celuloza, glikogen i skrobia, wszystkie złożone z powtarzających się jednostek glukozy; Do tej grupy zalicza się także chitynę, która składa się z powtarzających się jednostek pochodnej glukozy, N-acetyloglukozaminy.

W literaturze są też inne, mniej popularne, takie jak fruktany (złożone z jednostek fruktozy), pentozany (zbudowane z arabinozy lub ksylozy) i pektyny (złożone z pochodnych kwasu galakturonowego, pochodzącego z kolei z galaktozy).

Heteropolisacharydy lub heteroglikany

Z drugiej strony, w tej grupie klasyfikowane są wszystkie polisacharydy, które składają się z dwóch lub więcej różnych rodzajów cukrów, to znaczy są heteropolimerami różnych cukrów.

Najprostsze heteropolisacharydy są utworzone przez dwie odmienne reszty cukrowe (lub pochodne cukrów), które mogą (1) znajdować się w tym samym łańcuchu liniowym lub (2) być jednym tworzącym główny łańcuch liniowy, a drugim tworzącym łańcuchy boczne.

Jednak mogą również występować heteropolisacharydy złożone z więcej niż 2 rodzajów silnie rozgałęzionych lub niecukrowych reszt.

Wiele z tych cząsteczek wiąże się z białkami lub lipidami, tworząc glikoproteiny i glikolipidy, których jest bardzo dużo w tkankach zwierzęcych.

Bardzo powszechnymi przykładami heteropolisacharydów są te, które są częścią mukopolisacharydów, takich jak kwas hialuronowy, szeroko rozpowszechnione wśród zwierząt i składające się z reszt kwasu glukuronowego połączonych z resztami N-acetylo-D-glukozaminy.

Chrząstka, obecna u wszystkich kręgowców, zawiera również liczne heteropolisacharydy, zwłaszcza siarczan chondroityny, który składa się z powtarzających się jednostek kwasu glukuronowego i N-acetylo-D-galaktozaminy.

Ogólny fakt dotyczący nomenklatury

Polisacharydy są nazywane ogólnym terminem glikan, więc w najbardziej precyzyjnych nomenklaturach podaje się nazwę, przedrostek „cukru rodzicielskiego” i końcówkę „-ano”. Na przykład polisacharyd oparty na jednostkach glukozy można nazwać glukanem.

Przykłady polisacharydów

W całym tekście przytoczyliśmy najczęstsze przykłady, które niewątpliwie reprezentują tę dużą grupę makrocząsteczek. Następnie niektóre z nich rozwiniemy nieco bardziej i wymienimy inne, równie ważne.

Glikogen i celuloza, dwa polisacharydy (źródło: Sunshineconnelly at en.wikibooks / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5) przez Wikimedia Commons, zmodyfikowane przez Raquel Parada Puig)

Celuloza i chityna

Celuloza, polimer reszt glukozy, jest wraz z chityną polimerem reszt N-acetyloglukozaminy, jednym z najpowszechniejszych polimerów na Ziemi.

Cząsteczka chityny

Pierwsza jest fundamentalną częścią ściany pokrywającej komórki roślinne, a druga znajduje się w ścianie komórkowej grzybów i egzoszkieletu stawonogów, niezwykle różnorodnych i licznie występujących bezkręgowców, w tym owadów i owadów. na przykład skorupiaki.

Oba homopolisacharydy są równie ważne nie tylko dla człowieka, ale dla wszystkich ekosystemów w biosferze, ponieważ stanowią strukturalną część organizmów znajdujących się u podstawy łańcucha pokarmowego.

Glikogen i skrobia

Polisacharydy, wśród ich wielu funkcji, służą jako materiał rezerwowy energii. Skrobia jest produkowana przez rośliny, a glikogen - przez zwierzęta.

Oba są homopolisacharydami złożonymi z reszt glukozy, które są połączone różnymi wiązaniami glikozydowymi, przedstawiającymi liczne rozgałęzienia o dość złożonych wzorach. Z pomocą niektórych białek te dwa typy cząsteczek mogą tworzyć bardziej zwarte granulki.

Skrobia to kompleks złożony z dwóch różnych polimerów glukozy: amylozy i amylopektyny. Amyloza jest liniowym polimerem reszt glukozy połączonych wiązaniami α (1 → 4), podczas gdy amylopektyna jest polimerem rozgałęzionym, który wiąże się z amylozą poprzez wiązania α (1 → 6).

Ziarna skrobi w komórce ziemniaczanej. Źródło: Ganymede / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Z drugiej strony, glikogen jest także polimerem jednostek glukozy połączonych wiązaniami α (1 → 4) oraz licznymi odgałęzieniami połączonymi wiązaniami α (1 → 6). Ma znacznie większą liczbę rozgałęzień niż skrobia.

Struktura glikogenu

Heparyna

Heparyna jest glikozaminoglikanem związanym z grupami siarczanowymi. Jest to heteropolisacharyd złożony z jednostek kwasu glukuronowego, z których wiele jest zestryfikowanych, oraz jednostek siarczanu N-glukozaminy, które mają dodatkową grupę siarczanową na swoich 6-atomach węgla połączonych wiązaniami α (1 → 4).

Struktura heparyny. Źródło obrazu: Jü / CC0

Związek ten jest powszechnie stosowany jako antykoagulant, zwykle przepisywany w leczeniu zawałów serca i niestabilnej dławicy piersiowej.

Inne polisacharydy

Rośliny wytwarzają wiele substancji bogatych w złożone heteropolisacharydy, w tym gumy i inne związki klejące lub emulgujące. Substancje te są często bogate w polimery kwasu glukuronowego i innych cukrów.

Bakterie wytwarzają również heteropolisacharydy, które wielokrotnie uwalniają się do otaczającego je środowiska, dlatego nazywane są egzopolisacharydami.

Wiele z tych substancji jest stosowanych jako środki żelujące w przemyśle spożywczym, zwłaszcza te syntetyzowane przez bakterie kwasu mlekowego.

Bibliografia

1. De Vuyst, L. i Degeest, B. (1999). Heteropolisacharydy bakterii kwasu mlekowego. Recenzje mikrobiologiczne FEMS, 23 (2), 153-177.
2. Aspinall, GO (red.). (2014). Polisacharydy. Academic Press.
3. The Reditors of Encyclopaedia Britannica (2019). Encyclopaedia Britannica. Pobrano 18 kwietnia 2020 r. Ze strony www.britannica.com/science/polysaccharide
4. Dische, ZACHABIAS (1955). Cukry w polisacharydach. W Metodach analizy biochemicznej (tom 2, str. 313–358). Interscience Nowy Jork.
5. Brown Jr, RM (2004). Struktura celulozy i biosynteza: co nas czeka w XXI wieku? Journal of Polymer Science, część A: Polymer Chemistry, 42 (3), 487-495.
6. Roach, PJ (2002). Glikogen i jego metabolizm. Current Molecular medicine, 2 (2), 101–120. Al of Polymer Science Part A: Polymer Chemistry, 42 (3), 487-495.