3D struktura celulózy.

Polysacharid je některý ze skupiny relativně složitých vysokomolekulárních sacharidů sestávajících z dlouhých řetězců mnoha monosacharidů spojených glykosidickými vazbami. Za tyto velmi velké, často rozvětvené makromolekuly se obecně považuje více než deset monosacharidových zbytků a často se jedná o stovky spojených monosacharidů. Jejich obecný vzorec je Cn(H2O)m, přičemž n se běžně pohybuje mezi 200 a 2500. Mezi dobře známé polysacharidy patří zásobní polysacharidy, jako je škrob a glykogen, a strukturní polysacharidy, jako je celulosa a chitin.

Polysacharidy jsou v podstatě polymery, ve kterých jsou monosacharidy spojeny glykosidickými vazbami při odstranění vody. Při hydrolýze se polysacharidy rozkládají na monosacharidy, jako je glukóza, ribóza a fruktóza. Pokud jsou všechny monosacharidy v polysacharidu stejného typu, například glukóza, nazývá se polysacharid homopolysacharid, ale pokud je přítomno více typů monosacharidů, nazývají se heteropolysacharidy.

Polysacharidy hrají v přírodě celou řadu důležitých rolí. Schopnost škrobu a glykogenu rozkládat se na jednoduché cukry jim umožňuje sloužit jako důležité zásobní formy glukózy u rostlin, respektive živočichů, a stabilita vazeb v celulose a pevnost vazeb v chitinu z nich činí vynikající strukturní složky rostlin, respektive členovců. Inulin využívají některé rostliny jako prostředek k ukládání energie.

Přehled

Polysacharidy jsou jednou ze čtyř tříd sacharidů, což jsou zase biologické molekuly, které obsahují především atomy uhlíku (C) lemované atomy vodíku (H) a hydroxylovými (OH) skupinami (H-C-OH). Nejjednoduššími sacharidy jsou monosacharidy, což jsou monomery – například jednoduché cukry glukóza, ribóza a – z nichž se skládají větší sacharidy. Pokud jsou dva monosacharidy spojeny kovalentními vazbami, označují se jako disacharidy. Oligosacharidy se skládají z více než 3 a obvykle z 10 (nebo třeba 20) monosacharidů. Polysacharidy jsou ještě větší řetězce monosacharidů. Některé sacharidy jsou tedy malé s molekulovou hmotností menší než sto, zatímco jiné jsou skutečné makromolekuly s molekulovou hmotností v řádu statisíců.

V monosacharidu je relativní poměr uhlíku, vodíku a kyslíku 1:2:1, a proto je vzorec C(H2O). V disacharidech, oligosacharidech a polysacharidech se molární poměry mírně odchylují od obecného vzorce, protože při každé z kondenzačních reakcí, při nichž vznikají, se ztrácejí dva vodíky a jeden kyslík. Tyto sacharidy mají obecnější vzorec Cn(H2O)m. Typicky je u polysacharidů n velké číslo mezi 200 a 2500. Vzhledem k tomu, že opakující se jednotky v páteři polymeru jsou často šestiuhlíkaté monosacharidy, lze obecný vzorec znázornit také jako (C6H10O5)n, kde n={40…3000}.

Polysacharidy jsou polymery. Polymer je velká molekula (makromolekula) složená z opakujících se strukturních jednotek obvykle spojených kovalentními chemickými vazbami. V případě polysacharidů je touto chemickou vazbou glykosidická vazba. Disacharidy, oligosacharidy a polysacharidy vznikají v podstatě kondenzační reakcí, při níž dochází při spojování monosacharidových jednotek ke ztrátě vodíku (H) z jedné molekuly a hydroxylové skupiny (OH) z druhé a ke vzniku glykosidické vazby.

Když molekuly glukózy vytvoří glykosidickou vazbu, bude tato vazba jednoho ze dvou typů, α nebo β, podle toho, zda molekula, která váže svůj uhlík 1, je α-glukóza nebo β-glukóza. V konfiguraci alfa se atom kyslíku nachází pod rovinou kruhu cukru. Tyto různé vazby tvoří sloučeniny s různými vlastnostmi. Škrob je polysacharid glukózy s α-1,4 glykosidickými vazbami (v nichž je uhlík 1 jedné molekuly cukru spojen s uhlíkem 4 sousední molekuly). Glykogen je vysoce rozvětvený polysacharid glukózy s α-glykosidickými vazbami. Celulóza je nevětvený polysacharid glukózy s β-1,4 glykosidickými vazbami, které jsou chemicky velmi stabilní. (A

Polysacharidy jsou velmi velké, často rozvětvené makromolekuly. Bývají amorfní, nerozpustné ve vodě a nemají sladkou chuť (Campbell et al. 2006).

Skladovací polysacharidy

Škroby

Škroby jsou glukózové polymery, v nichž jsou glukopyranózové jednotky vázány alfa-vazbami. Tvoří je směs amylózy (15-20 %) a amylopektinu (80-85 %). Amylóza i amylopektin jsou polymery glukózy spojené převážně vazbami α(1→4). Amylózu tvoří lineární řetězec několika set molekul glukózy a amylopektin je vysoce rozvětvená molekula složená z několika tisíc glukózových jednotek s větvením pomocí vazeb α(1→6) každých 24 až 30 glukózových jednotek. Podíl amylózy a amylopektinu se liší v závislosti na zdroji; například podíl amylopektinu je vyšší u střednězrnné rýže a voskovitých brambor, ale nižší u dlouhozrnné rýže a brambor russet.

Tvorba škrobů je způsob, jakým rostliny ukládají glukózu. Škroby jsou ve vodě nerozpustné. Mohou být tráveny hydrolýzou, katalyzovanou enzymy zvanými amylázy, které mohou přerušit alfa-vazby (glykosidické vazby). Lidé a další živočichové mají amylázy, takže mohou trávit škroby. Hlavními zdroji škrobu v lidské stravě jsou brambory, rýže, pšenice a kukuřice.

Glykogen

Glykogen je hlavní zásobní formou glukózy v živočišných buňkách. Glykogen je vysoce rozvětvený polymer s přibližně 30 000 glukózovými zbytky a molekulovou hmotností mezi 106 a 107 daltony. Většina glukózových zbytků je spojena α-1,4 glykosidickými vazbami. Přibližně jeden z deseti glukózových zbytků také tvoří α-1,6 glykosidickou vazbu se sousední glukózou, což vede k vytvoření větve. Glykogen má pouze jeden redukující konec a velký počet neredukujících konců s volnou hydroxylovou skupinou na uhlíku-4. Větve zvyšují rozpustnost glykogenu

Strukturní polysacharidy

Celulosa

Strukturní složka rostlin je tvořena především celulosou. Celulóza je zdaleka nejrozšířenější organickou sloučeninou (obsahující uhlík) na Zemi. Dřevo je z velké části tvořeno celulózou a ligninem, zatímco papír a bavlna jsou téměř čistou celulózou. Celulóza je polymer tvořený opakujícími se jednotkami glukózy spojenými beta-vazbami. Díky stabilitě svých β-glykosidických vazeb je celulóza vynikajícím strukturním materiálem, který odolává drsným podmínkám prostředí. Člověku a mnoha dalším živočichům chybí enzym, který by rozbíjel beta-vazby, takže celulózu nestráví. Někteří živočichové mohou celulózu trávit, protože v jejich střevech jsou přítomny bakterie, které tento enzym mají. Klasickým příkladem je termit.

Chitin

Chitin je tvrdý, poloprůhledný polysacharid, který slouží mimo jiné jako hlavní složka exoskeletů členovců (například korýšů a mnoha druhů hmyzu) a buněčných stěn některých hub. Chitin je tvořen jednotkami N-acetylglukosaminu. Ty jsou spojeny v β-1,4 podobně jako glukózové jednotky tvořící celulózu. V podstatě lze chitin popsat jako celulózu s jednou hydroxylovou skupinou na každém monomeru nahrazenou acetylaminovou skupinou. To umožňuje zvýšenou vodíkovou vazbu mezi sousedními polymery, čímž se zvyšuje pevnost polymeru.

Kyselé polysacharidy

Kyselé polysacharidy jsou polysacharidy, které obsahují karboxylové skupiny, fosfátové skupiny a/nebo sírové esterové skupiny.

Bakteriální polysacharidy

Bakteriální polysacharidy představují rozmanitou škálu makromolekul, které zahrnují peptidoglykan, lipopolysacharidy, kapsuly a exopolysacharidy; sloučeniny, jejichž funkce sahají od strukturních složek buněčné stěny (jako je peptidoglykan) a důležitých faktorů virulence (např. poly-N-acetylglukosamin u S. aureus), až po umožnění bakterii přežít v drsném prostředí (např. Pseudomonas aeruginosa v lidských plicích). Biosyntéza polysacharidů je přísně regulovaný, energeticky náročný proces a pochopení jemné souhry mezi regulací a šetřením energie, modifikací a syntézou polymerů a vnějšími ekologickými funkcemi je obrovskou oblastí výzkumu. Potenciální přínos je obrovský a měl by umožnit například vývoj nových antibakteriálních strategií (jako jsou nová antibiotika a s) a komerční využití pro vývoj nových aplikací (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Polysacharidy bakteriálních tobolek

Patogenní bakterie běžně vytvářejí silnou, slizovitou, vrstvu polysacharidu. Tato “kapsle” maskuje antigenní proteiny na povrchu bakterie, které by jinak vyvolaly imunitní reakci a vedly tak ke zničení bakterie. Kapsulární polysacharidy jsou rozpustné ve vodě, obvykle kyselé a mají molekulovou hmotnost řádově 100 až 1000 kDa. Jsou lineární a skládají se z pravidelně se opakujících podjednotek o jednom až přibližně šesti monosacharidech. Existuje obrovská strukturní rozmanitost; jen E. coli produkuje téměř dvě stě různých polysacharidů. Směsi kapsulárních polysacharidů, buď konjugovaných, nebo nativních, se používají jako vakcíny.

Bakterie a mnoho dalších mikrobů, včetně hub a řas, často vylučují polysacharidy jako evoluční adaptaci, která jim pomáhá přilnout k povrchu a zabraňuje jejich vysychání. Lidé z některých těchto polysacharidů vytvořili užitečné produkty, včetně xantanové gumy, dextranu, gely a pullulanu.

Polysacharidy na povrchu buněk hrají v ekologii a fyziologii bakterií různorodou roli. Slouží jako bariéra mezi buněčnou stěnou a prostředím, zprostředkovávají interakce mezi hostitelem a patogenem a tvoří strukturální složky biofilmů. Tyto polysacharidy jsou syntetizovány z prekurzorů aktivovaných nukleotidy (tzv. nukleotidových cukrů) a ve většině případů jsou všechny enzymy nezbytné pro biosyntézu, sestavení a transport hotového polymeru kódovány geny uspořádanými do specializovaných klastrů v genomu organismu. Lipopolysacharid je jedním z nejdůležitějších polysacharidů buněčného povrchu, protože hraje klíčovou strukturní roli v integritě vnější membrány a je také důležitým prostředníkem interakcí mezi hostitelem a patogenem.

Enzymy, které vytvářejí O-antigeny pásma A (homopolymerní) a pásma B (heteropolymerní), byly identifikovány a metabolické dráhy definovány (Guo et al. 2008). Exopolysacharid alginát je lineární kopolymer β-1,4-vázaných zbytků kyseliny D-manuronové a kyseliny L-guluronové a je zodpovědný za mukoidní fenotyp pozdního stadia cystické fibrózy. Lokusy pel a psl jsou dva nedávno objevené shluky genů, které rovněž kódují exopolysacharidy, o nichž se zjistilo, že jsou důležité pro tvorbu biofilmu. Ramnolipid je biosurfaktant, jehož produkce je přísně regulována na transkripční úrovni, ale přesná role, kterou hraje při onemocnění, není v současné době dobře známa. Glykosylace proteinů, zejména pilinu a flagelinu, je v poslední době předmětem výzkumu několika skupin a ukazuje se, že je důležitá pro adhezi a invazi během bakteriální infekce (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson a R. J. Heyden. 2006. Biologie: Exploring Life (Zkoumání života). Boston, MA: Pearson Prentice Hall. ISBN 0132508826.
• Cornelis, P. 2008. Pseudomonas: Genomika a molekulární biologie, 1. vydání. Caister Academic Press. ISBN 9781904455196.
• Guo, H., W. Yi, J. K. Song a P. G. Wang. 2008. Současné poznatky o biosyntéze mikrobiálních polysacharidů. Curr Top Med Chem 8(2): 141-51. PMID 18289083. Retrieved February 2, 2009.
• Rehm, B. H. A. (ed.). 2009. Microbial Production of Biopolymers and Polymer Precursors [Mikrobiální výroba biopolymerů a polymerních prekurzorů]: Applications and Perspectives (Aplikace a perspektivy). Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Polysacharidy z mikroorganismů, rostlin a živočichů. Pages 1-19 in E. J. Vandamme, Biopolymers, Volume 5, Polysaccharides I: Polysacharidy z prokaryot. Weiheim: Wiley VCH. ISBN 9783527302260.
• Ullrich, M. 2009. Bakteriální polysacharidy: Současné inovace a budoucí trendy. Caister Academic Press. ISBN 9781904455455.

.