3D-struktur af cellulose.

Polysaccharid er en af en klasse af relativt komplekse kulhydrater med høj molekylvægt, der består af lange kæder af mange monosaccharider, der er forbundet med glykosidbindinger. Disse meget store, ofte forgrenede makromolekyler anses generelt for at have mere end ti monosakkaridrester, og ofte er der hundredvis af forbundne monosakkarider. Deres generelle formel er Cn(H2O)m, hvor n almindeligvis ligger mellem 200 og 2500. Velkendte polysaccharider omfatter lagringspolysaccharider såsom stivelse og glykogen og strukturelle polysaccharider såsom cellulose og chitin.

Polysaccharider er i det væsentlige polymerer, hvor monosaccharider er forbundet med hinanden ved glykosidiske bindinger, når vand fjernes. Ved hydrolyse nedbrydes polysaccharider til monosaccharider såsom glukose, ribose og fructose. Når alle monosacchariderne i et polysaccharid er af samme type, f.eks. glukose, kaldes polysaccharidet et homopolysaccharid, men når der er mere end én type monosaccharid til stede, kaldes de heteropolysaccharider.

Polysaccharider spiller en lang række vigtige roller i naturen. Stivelsens og glykogens evne til at blive nedbrudt til simple sukkerarter gør dem i stand til at fungere som vigtige opbevaringsformer for glukose i henholdsvis planter og dyr, og stabiliteten af bindingerne i cellulose og styrken af bindingerne i chitin gør dem til fremragende strukturelle komponenter i henholdsvis planter og gleddyr. Inulin bruges af nogle planter som et middel til at lagre energi.

Overblik

Polysaccharider er en af fire klasser af kulhydrater, som igen er biologiske molekyler, der primært indeholder kulstof (C)-atomer flankeret af hydrogen (H)-atomer og hydroxyl (OH)-grupper (H-C-OH). De enkleste kulhydrater er monosakkarider, som er monomerer – f.eks. de simple sukkerarter glucose, ribose og – hvoraf større kulhydrater er bygget op. Når der er to monosakkarider, der er forbundet med hinanden ved kovalente bindinger, kaldes de disakkarider. Oligosaccharider består af mere end 3 og normalt ti (eller måske 20) monosaccharider. Polysaccharider er endnu større kæder af monosaccharider. Nogle kulhydrater er således små med molekylvægte på under hundrede, mens andre er egentlige makromolekyler med molekylvægte på flere hundrede tusinde.

I et monosakkarid er det relative forhold mellem kulstof, brint og ilt 1:2:1, og formlen er således C(H2O). I disaccharider, oligosaccharider og polysaccharider afviger de molære proportioner en smule fra den generelle formel, fordi der går to hydrogener og et oxygen tabt under hver af de kondensationsreaktioner, der danner dem. Disse kulhydrater har den mere generelle formel Cn(H2O)m. I polysaccharider er n typisk et stort tal mellem 200 og 2500. I betragtning af at de gentagne enheder i polymerryggen ofte er monosaccharider med seks kulstofatomer, kan den generelle formel også fremstilles som (C6H10O5)n, hvor n={40…3000}.

Polysaccharider er polymerer. En polymer er et stort molekyle (makromolekyle), der består af gentagne strukturelle enheder, som typisk er forbundet med kovalente kemiske bindinger. I tilfælde af polysaccharider er den kemiske binding en glykosidbinding. Disaccharider, oligosaccharider og polysaccharider dannes hovedsageligt ved en kondensationsreaktion, hvor der ved kombinationen af monosaccharidenhederne tabes hydrogen (H) fra det ene molekyle og en hydroxylgruppe (OH) fra det andet molekyle, hvorved der dannes en glykosidbinding.

Når glukosemolekyler danner en glykosidbinding, vil bindingen være af en af to typer, α eller β, afhængigt af, om det molekyle, der binder sit kulstof 1, er en α-glukose eller β-glukose. I alfa-konfigurationen er oxygenatomet placeret under sukkerringens plan. Disse forskellige bindinger danner forbindelser med forskellige egenskaber. Stivelse er et polysaccharid af glukose med α-1,4 glykosidiske bindinger (hvor kulstof-1 i det ene sukkermolekyle er bundet til kulstof-4 i det tilstødende molekyle). Glykogen er et stærkt forgrenet polysaccharid af glukose med α-glykosidiske bindinger. Cellulose er et uforgrenet polysaccharid af glukose med β-1,4-glykosidiske bindinger, der er kemisk meget stabile. (A

Polysaccharider er meget store, ofte forgrenede makromolekyler. De har tendens til at være amorfe, uopløselige i vand og har ingen sød smag (Campbell et al. 2006).

Lagringspolysaccharider

Stærke

Stærke er glukosepolymerer, hvor glucopyranoseenheder er bundet med alfa-bindinger. Det består af en blanding af amylose (15-20 procent) og amylopectin (80-85 procent). Både amylose og amylopectin er polymerer af glukose, der hovedsagelig er bundet ved α(1→4)-bindinger. Amylose består af en lineær kæde af flere hundrede glukosemolekyler, og amylopectin er et stærkt forgrenet molekyle, der består af flere tusinde glukoseenheder, hvor forgreningen sker med α(1→6)-bindinger hver 24-30 glukoseenheder. Procentdelen af amylose og amylopectin varierer afhængigt af kilden; f.eks. er procentdelen af amylopectin højere i middelkornet ris og voksagtige kartofler, men lavere i langkornet ris og brunrøde kartofler.

Dannelsen af stivelse er den måde, som planter lagrer glukose på. Stivelse er uopløselig i vand. De kan fordøjes ved hydrolyse, der katalyseres af enzymer kaldet amylaser, som kan bryde alfa-bindingerne (glykosidbindingerne). Mennesker og andre dyr har amylaser, så de kan fordøje stivelse. Kartofler, ris, hvede og majs er de vigtigste kilder til stivelse i den menneskelige kost.

Glykogen

Glykogen er den vigtigste lagringsform for glukose i dyreceller. Glykogen er en stærkt forgrenet polymer med ca. 30.000 glukoserester og en molekylvægt på mellem 106 og 107 dalton. De fleste glukoserester er forbundet med α-1,4 glykosidiske bindinger. Ca. en ud af ti glukoserester danner også en α-1,6-glykosidbinding med en tilstødende glukose, hvilket resulterer i dannelsen af en forgrening. Glykogen har kun én reducerende ende og et stort antal ikke-reducerende ender med en fri hydroxylgruppe ved carbon-4. Forgreningerne øger opløseligheden af glykogen

Strukturelle polysaccharider

Cellulose

Planternes strukturelle bestanddel er primært dannet af cellulose. Cellulose er langt den hyppigst forekommende organiske (kulstofholdige) forbindelse på Jorden. Træ består hovedsagelig af cellulose og lignin, mens papir og bomuld er næsten ren cellulose. Cellulose er en polymer, der består af gentagne glukoseenheder, som er bundet sammen af beta-bindinger. På grund af stabiliteten af dens β-glykosidiske bindinger er cellulose et fremragende strukturelt materiale, der kan modstå barske miljøforhold. Mennesker og mange andre dyr mangler et enzym til at bryde beta-bindingerne, så de kan ikke fordøje cellulose. Visse dyr kan fordøje cellulose, fordi der i deres tarm findes bakterier, som besidder enzymet. Det klassiske eksempel er termitten.

Chitin

Chitin er et hårdt, halvgennemsigtigt polysaccharid, der fungerer som hovedbestanddel af bl.a. leddyrs eksoskeletter (f.eks. krebsdyr og mange insekter) og cellevæggene i nogle svampe. Chitin er opbygget af enheder af N-acetylglucosamin. Disse er bundet sammen på β-1,4 måde på samme måde som de glukoseenheder, der danner cellulose. I realiteten kan chitin beskrives som cellulose, hvor en hydroxylgruppe på hver monomer er erstattet af en acetylamingruppe. Dette giver mulighed for øget hydrogenbinding mellem tilstødende polymerer, hvilket giver polymeren øget styrke.

Acidiske polysaccharider

Acidiske polysaccharider er polysaccharider, der indeholder carboxylgrupper, fosfatgrupper og/eller svovlestergrupper.

Bakterielle polysaccharider

Bakterielle polysaccharider repræsenterer en bred vifte af makromolekyler, der omfatter peptidoglycan, lipopolysaccharider, kapsler og exopolysaccharider; forbindelser, hvis funktioner spænder fra strukturelle cellevægskomponenter (f.eks. peptidoglycan) og vigtige virulensfaktorer (f.eks. poly-N-acetylglucosamin i S. aureus), til at gøre det muligt for bakterien at overleve i barske miljøer (f.eks. Pseudomonas aeruginosa i menneskets lunger). Polysaccharidbiosyntese er en nøje reguleret, energikrævende proces, og forståelsen af det subtile samspil mellem regulering og energibesparelse, polymermodifikation og -syntese og de eksterne økologiske funktioner er et stort forskningsområde. De potentielle fordele er enorme og bør f.eks. muliggøre udvikling af nye antibakterielle strategier (såsom nye antibiotika og s) og kommerciel udnyttelse til udvikling af nye anvendelser (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Bakterielle kapselpolysaccharider

Patogene bakterier producerer almindeligvis et tykt, slimhindeagtigt lag af polysaccharid. Denne “kapsel” skjuler antigenproteiner på bakterieoverfladen, som ellers ville fremkalde et immunrespons og dermed føre til destruktion af bakterien. Kapselpolysaccharider er vandopløselige, almindeligvis sure og har molekylvægte i størrelsesordenen 100 til 1000 kDa. De er lineære og består af regelmæssigt gentagne underenheder med en til omkring seks monosakkarider. Der er en enorm strukturel mangfoldighed; næsten to hundrede forskellige polysaccharider produceres alene af E. coli. Blandinger af kapselpolysaccharider, enten konjugerede eller native, anvendes som vacciner.

Bakterier og mange andre mikrober, herunder svampe og alger, udskiller ofte polysaccharider som en evolutionær tilpasning for at hjælpe dem med at klæbe til overflader og forhindre dem i at tørre ud. Mennesker har udviklet nogle af disse polysaccharider til nyttige produkter, herunder xanthangummi, dextran, gellangummi og pullulan.

Polysaccharider på celleoverfladen spiller forskellige roller i bakteriers økologi og fysiologi. De tjener som en barriere mellem cellevæggen og miljøet, formidler interaktioner mellem vært og patogen og danner strukturelle komponenter i biofilm. Disse polysaccharider syntetiseres fra nukleotid-aktiverede prækursorer (kaldet nukleotidsukker), og i de fleste tilfælde er alle de enzymer, der er nødvendige for biosyntese, samling og transport af den færdige polymer, kodet af gener, der er organiseret i særlige klynger i organismens genom. Lipopolysaccharid er et af de vigtigste polysaccharider på celleoverfladen, da det spiller en central strukturel rolle i den ydre membranintegritet og er en vigtig mediator for interaktioner mellem vært og patogen.

De enzymer, der fremstiller A-band (homopolymer) og B-band (heteropolymer) O-antigener, er blevet identificeret, og de metaboliske veje er blevet defineret (Guo et al. 2008). Exopolysaccharidet alginat er en lineær copolymer af β-1,4-bundne D-mannuronsyre- og L-guluronsyrerester og er ansvarlig for den mucoide fænotype ved cystisk fibrosesygdom i den sene fase. pel- og psl-loci er to nyligt opdagede genklynger, som også koder for exopolysaccharider, der har vist sig at være vigtige for biofilmdannelse. Rhamnolipid er en biosurfactant, hvis produktion er nøje reguleret på transkriptionelt niveau, men den præcise rolle, som den spiller i forbindelse med sygdom, er endnu ikke velforstået. Proteinglykosylering, især af pilin og flagellin, er for nylig blevet undersøgt af flere grupper, og det er blevet vist, at den er vigtig for adhæsion og invasion under bakterieinfektion (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson og R. J. Heyden. 2006. Biologi: Exploring Life. Boston, MA: Pearson Prentice Hall. ISBN 0132508826.
• Cornelis, P. 2008. Pseudomonas: Genomics and Molecular Biology, 1. udgave. Caister Academic Press. ISBN 9781904455196.
• Guo, H., W. Yi, J. K. Song, og P. G. Wang. 2008. Aktuel forståelse af biosyntesen af mikrobielle polysaccharider. Curr Top Med Chem 8(2): 141-51. PMID 18289083. Hentet den 2. februar 2009.
• Rehm, B. H. A. (red.). 2009. Mikrobiologisk produktion af biopolymerer og polymerprækursorer: Anvendelser og perspektiver. Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Polysaccharider fra mikroorganismer, planter og dyr. Siderne 1-19 i E. J. Vandamme, Biopolymers, Volume 5, Polysaccharides I: Polysaccharider fra prokaryoter. Weiheim: Wiley VCH. ISBN 978352730302260.
• Ullrich, M. 2009. Bakterielle polysaccharider: Current Innovations and Future Trends. Caister Academic Press. ISBN 9781904455455455.