3D-Struktur von Cellulose.

Polysaccharid ist eine Klasse relativ komplexer, hochmolekularer Kohlenhydrate, die aus langen Ketten vieler Monosaccharide bestehen, die durch glykosidische Bindungen miteinander verbunden sind. Diese sehr großen, oft verzweigten Makromoleküle haben in der Regel mehr als zehn Monosaccharidreste, und oft gibt es Hunderte von verknüpften Monosacchariden. Ihre allgemeine Formel lautet Cn(H2O)m, wobei n in der Regel zwischen 200 und 2500 liegt. Zu den bekannten Polysacchariden gehören Speicherpolysaccharide wie Stärke und Glykogen und strukturelle Polysaccharide wie Cellulose und Chitin.

Polysaccharide sind im Wesentlichen Polymere, bei denen Monosaccharide durch glykosidische Bindungen miteinander verbunden sind, wenn Wasser entzogen wird. Bei der Hydrolyse werden die Polysaccharide in Monosaccharide wie Glukose, Ribose und Fruktose gespalten. Wenn alle Monosaccharide in einem Polysaccharid vom gleichen Typ sind, wie z. B. Glukose, wird das Polysaccharid als Homopolysaccharid bezeichnet, aber wenn mehr als eine Art von Monosaccharid vorhanden ist, werden sie als Heteropolysaccharide bezeichnet.

Polysaccharide spielen in der Natur eine Vielzahl von wichtigen Rollen. Die Fähigkeit von Stärke und Glykogen, in Einfachzucker aufgespalten zu werden, ermöglicht es ihnen, als wichtige Speicherformen von Glukose in Pflanzen bzw. Tieren zu dienen, und die Stabilität der Bindungen in Zellulose und die Stärke der Bindungen in Chitin machen sie zu ausgezeichneten strukturellen Bestandteilen von Pflanzen bzw. Arthropoden. Inulin wird von einigen Pflanzen als Energiespeicher verwendet.

Übersicht

Polysaccharide sind eine von vier Klassen von Kohlenhydraten, die ihrerseits biologische Moleküle sind, die hauptsächlich Kohlenstoff (C)-Atome enthalten, die von Wasserstoff (H)-Atomen und Hydroxyl (OH)-Gruppen (H-C-OH) flankiert werden. Die einfachsten Kohlenhydrate sind Monosaccharide, d. h. Monomere – wie die Einfachzucker Glukose, Ribose und andere -, aus denen größere Kohlenhydrate aufgebaut sind. Wenn zwei Monosaccharide durch kovalente Bindungen miteinander verbunden sind, werden sie als Disaccharide bezeichnet. Oligosaccharide bestehen aus mehr als 3 und im Allgemeinen aus zehn (oder vielleicht 20) Monosacchariden. Polysaccharide sind noch größere Ketten von Monosacchariden. So sind einige Kohlenhydrate klein mit einem Molekulargewicht von weniger als hundert, während andere echte Makromoleküle mit einem Molekulargewicht von Hunderttausenden sind.

In einem Monosaccharid sind die relativen Anteile von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff 1:2:1, und die Formel lautet daher C(H2O). Bei Disacchariden, Oligosacchariden und Polysacchariden weichen die molaren Verhältnisse geringfügig von der allgemeinen Formel ab, da bei jeder der Kondensationsreaktionen, aus denen sie entstehen, zwei Wasserstoffatome und ein Sauerstoffatom verloren gehen. Diese Kohlenhydrate haben die allgemeinere Formel Cn(H2O)m. Bei Polysacchariden ist das n in der Regel eine große Zahl zwischen 200 und 2500. In Anbetracht der Tatsache, dass die sich wiederholenden Einheiten im Polymerrückgrat oft Sechs-Kohlenstoff-Monosaccharide sind, kann die allgemeine Formel auch als (C6H10O5)n mit n={40…3000} dargestellt werden.

Polysaccharide sind Polymere. Ein Polymer ist ein großes Molekül (Makromolekül), das aus sich wiederholenden Struktureinheiten besteht, die normalerweise durch kovalente chemische Bindungen verbunden sind. Im Fall von Polysacchariden ist die chemische Bindung eine glykosidische Bindung. Im Wesentlichen werden Disaccharide, Oligosaccharide und Polysaccharide durch eine Kondensationsreaktion gebildet, bei der bei der Verbindung der Monosaccharideinheiten Wasserstoff (H) aus einem Molekül und eine Hydroxylgruppe (OH) aus dem anderen verloren geht und eine glykosidische Bindung entsteht.

Wenn Glukosemoleküle eine glykosidische Bindung bilden, wird die Bindung eine von zwei Arten sein, α oder β, je nachdem, ob das Molekül, das seinen Kohlenstoff 1 bindet, eine α-Glukose oder eine β-Glukose ist. In der Alpha-Konfiguration befindet sich das Sauerstoffatom unterhalb der Ebene des Zuckerrings. Diese verschiedenen Bindungen bilden Verbindungen mit unterschiedlichen Eigenschaften. Stärke ist ein Polysaccharid aus Glukose mit α-1,4-glykosidischen Bindungen (bei denen der Kohlenstoff-1 eines Zuckermoleküls mit dem Kohlenstoff-4 des benachbarten Moleküls verbunden ist). Glykogen ist ein stark verzweigtes Polysaccharid aus Glukose mit α-glykosidischen Bindungen. Zellulose ist ein unverzweigtes Polysaccharid aus Glukose mit β-1,4-glykosidischen Bindungen, die chemisch sehr stabil sind. (A

Polysaccharide sind sehr große, oft verzweigte Makromoleküle. Sie sind in der Regel amorph, wasserunlöslich und haben keinen süßen Geschmack (Campbell et al. 2006).

Speicherpolysaccharide

Stärken

Stärken sind Glukose-Polymere, in denen Glucopyranose-Einheiten durch Alpha-Bindungen verbunden sind. Sie besteht aus einer Mischung von Amylose (15-20 Prozent) und Amylopektin (80-85 Prozent). Sowohl Amylose als auch Amylopektin sind Polymere aus Glukose, die hauptsächlich durch α(1→4)-Bindungen verbunden sind. Amylose besteht aus einer linearen Kette von mehreren hundert Glukosemolekülen und Amylopektin ist ein stark verzweigtes Molekül aus mehreren tausend Glukoseeinheiten, wobei die Verzweigung mit α(1→6)-Bindungen alle 24 bis 30 Glukoseeinheiten erfolgt. Der prozentuale Anteil von Amylose und Amylopektin variiert je nach Quelle; so ist der Anteil an Amylopektin bei mittelkörnigem Reis und festkochenden Kartoffeln höher, bei langkörnigem Reis und rostigen Kartoffeln jedoch niedriger.

Die Bildung von Stärke ist die Art und Weise, wie Pflanzen Glukose speichern. Stärken sind in Wasser unlöslich. Sie können durch Hydrolyse verdaut werden, die von Enzymen namens Amylasen katalysiert wird, die die Alpha-Bindungen (glykosidische Bindungen) aufbrechen können. Menschen und andere Tiere besitzen Amylasen, so dass sie Stärke verdauen können. Kartoffeln, Reis, Weizen und Mais sind die Hauptquellen für Stärke in der menschlichen Ernährung.

Glykogen

Glykogen ist die wichtigste Speicherform von Glukose in tierischen Zellen. Glykogen ist ein stark verzweigtes Polymer aus etwa 30.000 Glukoseresten und einem Molekulargewicht zwischen 106 und 107 Dalton. Die meisten Glukosereste sind durch α-1,4-glykosidische Bindungen miteinander verbunden. Etwa einer von zehn Glukoseresten bildet außerdem eine α-1,6-Glykosidbindung mit einer benachbarten Glukose, was zur Bildung einer Verzweigung führt. Glykogen hat nur ein reduzierendes Ende und eine große Anzahl nicht-reduzierender Enden mit einer freien Hydroxylgruppe an Kohlenstoff 4. Die Verzweigungen erhöhen die Löslichkeit des Glykogens

Strukturpolysaccharide

Cellulose

Die Strukturbestandteile der Pflanzen werden hauptsächlich aus Cellulose gebildet. Zellulose ist die bei weitem häufigste organische (kohlenstoffhaltige) Verbindung auf der Erde. Holz besteht größtenteils aus Zellulose und Lignin, während Papier und Baumwolle fast ausschließlich aus Zellulose bestehen. Zellulose ist ein Polymer, das aus wiederholten Glukoseeinheiten besteht, die durch Beta-Bindungen miteinander verbunden sind. Aufgrund der Stabilität ihrer β-glykosidischen Bindungen ist Cellulose ein hervorragendes Strukturmaterial, das rauen Umweltbedingungen standhalten kann. Dem Menschen und vielen anderen Tieren fehlt ein Enzym zum Aufbrechen der Beta-Bindungen, so dass sie Cellulose nicht verdauen können. Bestimmte Tiere können Zellulose verdauen, weil in ihrem Darm Bakterien vorhanden sind, die das Enzym besitzen. Das klassische Beispiel ist die Termite.

Chitin

Chitin ist ein hartes, halbtransparentes Polysaccharid, das unter anderem als Hauptbestandteil des Exoskeletts von Gliederfüßern (wie Krebstiere und viele Insekten) und der Zellwände einiger Pilze dient. Chitin ist aus Einheiten von N-Acetylglucosamin aufgebaut. Diese sind ähnlich wie die Glukoseeinheiten, aus denen Zellulose besteht, β-1,4-mäßig miteinander verbunden. Chitin kann als Cellulose beschrieben werden, bei der eine Hydroxylgruppe an jedem Monomer durch eine Acetylamingruppe ersetzt ist. Dies ermöglicht eine verstärkte Wasserstoffbindung zwischen benachbarten Polymeren und verleiht dem Polymer eine höhere Festigkeit.

Saure Polysaccharide

Saure Polysaccharide sind Polysaccharide, die Carboxylgruppen, Phosphatgruppen und/oder Schwefelsäureestergruppen enthalten.

Bakterielle Polysaccharide

Bakterielle Polysaccharide stellen ein vielfältiges Spektrum von Makromolekülen dar, zu denen Peptidoglykan, Lipopolysaccharide, Kapseln und Exopolysaccharide gehören; Verbindungen, deren Funktionen von strukturellen Zellwandkomponenten (wie Peptidoglykan) und wichtigen Virulenzfaktoren (z. B. Poly-N-Acetylglucosamin in S. aureus), bis hin zur Ermöglichung des Überlebens des Bakteriums in rauer Umgebung (z. B. Pseudomonas aeruginosa in der menschlichen Lunge). Die Polysaccharidbiosynthese ist ein streng regulierter, energieintensiver Prozess, und das Verständnis des subtilen Zusammenspiels zwischen der Regulierung und Energieerhaltung, der Polymermodifikation und -synthese und den externen ökologischen Funktionen ist ein riesiges Forschungsgebiet. Der potenzielle Nutzen ist enorm und dürfte beispielsweise die Entwicklung neuartiger antibakterieller Strategien (wie neuer Antibiotika und s) und die kommerzielle Nutzung zur Entwicklung neuartiger Anwendungen ermöglichen (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Bakterielle Kapselpolysaccharide

Pathogene Bakterien produzieren in der Regel eine dicke, schleimartige Polysaccharidschicht. Diese “Kapsel” umhüllt antigene Proteine auf der Bakterienoberfläche, die andernfalls eine Immunreaktion hervorrufen und damit zur Zerstörung der Bakterien führen würden. Kapselpolysaccharide sind wasserlöslich, in der Regel sauer und haben ein Molekulargewicht in der Größenordnung von 100 bis 1000 kDa. Sie sind linear und bestehen aus sich regelmäßig wiederholenden Untereinheiten von einem bis etwa sechs Monosacchariden. Es besteht eine enorme strukturelle Vielfalt; allein E. coli produziert fast zweihundert verschiedene Polysaccharide. Mischungen von Kapselpolysacchariden, entweder konjugiert oder nativ, werden als Impfstoffe verwendet.

Bakterien und viele andere Mikroben, einschließlich Pilze und Algen, scheiden als evolutionäre Anpassung häufig Polysaccharide aus, die ihnen helfen, an Oberflächen zu haften und sie vor dem Austrocknen zu schützen. Der Mensch hat einige dieser Polysaccharide zu nützlichen Produkten entwickelt, darunter Xanthan, Dextran, Gellan und Pullulan.

Polysaccharide an der Zelloberfläche spielen in der bakteriellen Ökologie und Physiologie verschiedene Rollen. Sie dienen als Barriere zwischen der Zellwand und der Umwelt, vermitteln die Interaktion zwischen Wirt und Erreger und bilden strukturelle Komponenten von Biofilmen. Diese Polysaccharide werden aus nukleotidaktivierten Vorläufern (den so genannten Nukleotidzuckern) synthetisiert, und in den meisten Fällen werden alle Enzyme, die für die Biosynthese, den Aufbau und den Transport des fertigen Polymers erforderlich sind, von Genen kodiert, die in speziellen Clustern im Genom des Organismus angeordnet sind. Lipopolysaccharid ist eines der wichtigsten Polysaccharide an der Zelloberfläche, da es eine strukturelle Schlüsselrolle bei der Integrität der äußeren Membran spielt und ein wichtiger Vermittler bei der Interaktion zwischen Wirt und Erreger ist.

Die Enzyme, die das A-Band (homopolymer) und das B-Band (heteropolymer) der O-Antigene herstellen, wurden identifiziert und die Stoffwechselwege definiert (Guo et al. 2008). Das Exopolysaccharid Alginat ist ein lineares Copolymer aus β-1,4-verknüpften D-Mannuronsäure- und L-Guluronsäureresten und ist verantwortlich für den mukoiden Phänotyp der Mukoviszidose im Spätstadium der Erkrankung. Die pel- und psl-Loci sind zwei kürzlich entdeckte Gencluster, die ebenfalls für Exopolysaccharide kodieren, die für die Biofilmbildung wichtig sind. Rhamnolipid ist ein Biotensid, dessen Produktion auf Transkriptionsebene streng reguliert wird, aber die genaue Rolle, die es bei der Krankheit spielt, ist derzeit noch nicht gut verstanden. Die Glykosylierung von Proteinen, insbesondere von Pilin und Flagellin, ist ein neuerer Forschungsschwerpunkt mehrerer Gruppen, und es hat sich gezeigt, dass sie für die Adhäsion und Invasion während der bakteriellen Infektion wichtig ist (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson, und R. J. Heyden. 2006. Biology: Exploring Life. Boston, MA: Pearson Prentice Hall. ISBN 0132508826.
• Cornelis, P. 2008. Pseudomonas: Genomics and Molecular Biology, 1. Auflage. Caister Academic Press. ISBN 9781904455196.
• Guo, H., W. Yi, J. K. Song, and P. G. Wang. 2008. Current understanding on biosynthesis of microbial polysaccharides. 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: Applications and Perspectives. Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Polysaccharide aus Mikroorganismen, Pflanzen und Tieren. Seiten 1-19 in E. J. Vandamme, Biopolymers, Volume 5, Polysaccharides I: Polysaccharide aus Prokaryoten. Weiheim: Wiley VCH. ISBN 9783527302260.
• Ullrich, M. 2009. Bacterial Polysaccharides: Current Innovations and Future Trends. Caister Academic Press. ISBN 9781904455455.