Selluloosan 3D-rakenne.

Polysakkaridi on mikä tahansa suhteellisen monimutkaisten, suurimolekyylipainoisten hiilihydraattien luokka, joka koostuu monien monosakkaridien pitkistä ketjuista, jotka on yhdistetty toisiinsa glykosidisidoksilla. Näissä hyvin suurissa, usein haarautuneissa makromolekyyleissä katsotaan yleensä olevan yli kymmenen monosakkaridijäämää, ja usein niissä on satoja toisiinsa liittyviä monosakkarideja. Niiden yleinen kaava on Cn(H2O)m, jossa n on yleensä 200-2500. Tunnettuja polysakkarideja ovat varastopolysakkaridit, kuten tärkkelys ja glykogeeni, ja rakennepolysakkaridit, kuten selluloosa ja kitiini.

Polysakkaridit ovat pohjimmiltaan polymeerejä, joissa monosakkaridit yhdistyvät toisiinsa glykosidisidoksilla, kun vettä poistetaan. Hydrolyysissä polysakkaridit hajoavat monosakkarideiksi, kuten glukoosiksi, riboosiksi ja fruktoosiksi. Kun kaikki polysakkaridin sisältämät monosakkaridit ovat samantyyppisiä, kuten glukoosi, polysakkaridia kutsutaan homopolysakkaridiksi, mutta kun monosakkarideja on useampaa kuin yhtä tyyppiä, niitä kutsutaan heteropolysakkarideiksi.

Polysakkarideilla on luonnossa monenlaisia tärkeitä tehtäviä. Tärkkelyksen ja glykogeenin kyky hajota yksinkertaisiksi sokereiksi mahdollistaa sen, että ne toimivat tärkeinä glukoosin varastointimuotoina kasveissa ja eläimissä, ja selluloosan sidosten vakaus ja kitiinin sidosten lujuus tekevät niistä erinomaisia kasvien ja niveljalkaisten rakenneosia. Jotkut kasvit käyttävät inuliinia energian varastointivälineenä.

Yleiskatsaus

Polysakkaridit ovat yksi hiilihydraattien neljästä luokasta, jotka puolestaan ovat biologisia molekyylejä, jotka sisältävät pääasiassa hiili (C)-atomeja, joita reunustavat vety (H)-atomit ja hydroksyyli (OH)-ryhmät (H-C-OH). Yksinkertaisimmat hiilihydraatit ovat monosakkarideja, jotka ovat monomeerejä – kuten yksinkertaiset sokerit glukoosi, riboosi ja – joista suurempia hiilihydraatteja rakennetaan. Kun kaksi monosakkaridia liittyy toisiinsa kovalenttisin sidoksin, niitä kutsutaan disakkarideiksi. Oligosakkaridit koostuvat useammasta kuin kolmesta ja yleensä kymmenestä (tai ehkä 20) monosakkaridista. Polysakkaridit ovat vielä suurempia monosakkaridien ketjuja. Niinpä jotkut hiilihydraatit ovat pieniä, ja niiden molekyylipainot ovat alle sata, kun taas toiset ovat todellisia makromolekyylejä, joiden molekyylipainot ovat satoja tuhansia.

Monosakkaridissa hiilen, vedyn ja hapen suhteelliset suhteet ovat 1:2:1, ja siten kaava on C(H2O). Disakkarideissa, oligosakkarideissa ja polysakkarideissa moolisuhteet poikkeavat hieman yleisestä kaavasta, koska jokaisessa niitä muodostavassa kondensaatioreaktiossa menetetään kaksi vetyä ja yksi happi. Näiden hiilihydraattien yleisempi kaava on Cn(H2O)m. Tyypillisesti polysakkarideissa n on suuri luku 200:n ja 2500:n välillä. Kun otetaan huomioon, että polymeerin selkärangan toistuvat yksiköt ovat usein kuuden hiilen monosakkarideja, yleinen kaava voidaan esittää myös muodossa (C6H10O5)n, jossa n={40…3000}.

Polysakkaridit ovat polymeerejä. Polymeeri on suuri molekyyli (makromolekyyli), joka koostuu toistuvista rakenneyksiköistä, jotka tyypillisesti liittyvät toisiinsa kovalenttisilla kemiallisilla sidoksilla. Polysakkaridien tapauksessa kemiallinen sidos on glykosidisidos. Pohjimmiltaan disakkaridit, oligosakkaridit ja polysakkaridit muodostuvat kondensaatioreaktiolla, jossa yhdistettäessä monosakkaridiyksiköitä yhdestä molekyylistä häviää vety (H) ja toisesta molekyylistä hydroksyyliryhmä (OH) ja muodostuu glykosidisidos.

Kun glukoosimolekyylit muodostavat glykosidisidoksen, sidos on jompikumpi kahdesta tyypistä, α- tai β-sidos, riippuen siitä, onko sen hiilen 1 sitova molekyyli α- vai β-glukoosi. Alfa-konfiguraatiossa happiatomi sijaitsee sokerirenkaan tason alapuolella. Nämä erilaiset sidokset muodostavat yhdisteitä, joilla on erilaiset ominaisuudet. Tärkkelys on glukoosipolysakkaridi, jossa on α-1,4-glykosidisidoksia (joissa yhden sokerimolekyylin hiili-1 on sitoutunut viereisen molekyylin hiili-4:ään). Glykogeeni on voimakkaasti haaroittunut glukoosipolysakkaridi, jossa on α-glykosidisidoksia. Selluloosa on haarautumaton glukoosipolysakkaridi, jossa on β-1,4-glykosidisidoksia, jotka ovat kemiallisesti hyvin stabiileja. (A

Polysakkaridit ovat hyvin suuria, usein haaroittuneita makromolekyylejä. Ne ovat yleensä amorfisia, veteen liukenemattomia, eikä niillä ole makeaa makua (Campbell ym. 2006).

Varastopolysakkaridit

Tärkkelys

Tärkkelys on glukoosipolymeeri, jossa glukopyranoosiyksiköt ovat liittyneet toisiinsa alfasidoksin. Se koostuu amyloosin (15-20 prosenttia) ja amylopektiinin (80-85 prosenttia) seoksesta. Sekä amyloosi että amylopektiini ovat glukoosipolymeerejä, jotka ovat sitoutuneet pääasiassa α(1→4)-sidoksin. Amyloosi koostuu lineaarisesta ketjusta, joka koostuu useista sadoista glukoosimolekyyleistä, ja amylopektiini on voimakkaasti haaroittunut molekyyli, joka koostuu useista tuhansista glukoosiyksiköistä ja haarautuu α(1→6)-sidoksin 24-30 glukoosiyksikön välein. Amyloosin ja amylopektiinin prosenttiosuus vaihtelee lähteestä riippuen; esimerkiksi keskipitkäjyväisessä riisissä ja vahamaisessa perunassa amylopektiinin prosenttiosuus on korkeampi, mutta pitkäjyväisessä riisissä ja punertavassa perunassa alhaisempi.

Tärkkelyksen muodostuminen on kasvien tapa varastoida glukoosia. Tärkkelys on veteen liukenematonta. Ne voidaan sulattaa hydrolyysillä, jota katalysoivat amylaaseiksi kutsutut entsyymit, jotka voivat rikkoa alfasidoksia (glykosidisidoksia). Ihmisillä ja muilla eläimillä on amylaaseja, joten ne voivat sulattaa tärkkelystä. Peruna, riisi, vehnä ja maissi ovat tärkeimpiä tärkkelyksen lähteitä ihmisen ruokavaliossa.

Glykogeeni

Glykogeeni on glukoosin pääasiallinen varastointimuoto eläinsoluissa. Glykogeeni on voimakkaasti haaroittunut polymeeri, jossa on noin 30 000 glukoosijäämää ja jonka molekyylipaino on 106-107 daltonia. Useimmat glukoosijäännökset liittyvät toisiinsa α-1,4-glykosidisidoksilla. Noin joka kymmenes glukoosijäännös muodostaa myös α-1,6-glykosidisidoksen viereisen glukoosin kanssa, mikä johtaa haaran muodostumiseen. Glykogeenilla on vain yksi pelkistävä pää ja suuri määrä pelkistämättömiä päitä, joilla on hiili-4:ssä vapaa hydroksyyliryhmä. Haarat lisäävät glykogeenin liukoisuutta

Rakenteelliset polysakkaridit

Selluloosa

Kasvien rakenneosat muodostuvat pääasiassa selluloosasta. Selluloosa on maapallon ylivoimaisesti runsain orgaaninen (hiiltä sisältävä) yhdiste. Puu on suurelta osin selluloosaa ja ligniiniä, kun taas paperi ja puuvilla ovat lähes puhdasta selluloosaa. Selluloosa on polymeeri, joka koostuu toistuvista glukoosiyksiköistä, jotka on sidottu toisiinsa beetasidoksin. β-glykosidisidostensa vakauden vuoksi selluloosa on erinomainen rakennemateriaali, joka kestää ankaria ympäristöolosuhteita. Ihmisiltä ja monilta muilta eläimiltä puuttuu entsyymi, joka katkaisisi beetasidokset, joten ne eivät pysty sulattamaan selluloosaa. Tietyt eläimet voivat sulattaa selluloosaa, koska niiden suolistossa on entsyymiä sisältäviä bakteereja. Klassinen esimerkki on termiitti.

Kitiini

Kitiini on kova, puoliksi läpinäkyvä polysakkaridi, joka toimii muun muassa niveljalkaisten (kuten äyriäisten ja monien hyönteisten) ulkoluurankojen ja joidenkin sienten soluseinien pääkomponenttina. Kitiini rakentuu N-asetyyliglukosamiiniyksiköistä. Nämä ovat sidoksissa toisiinsa β-1,4-muodossa samalla tavalla kuin selluloosaa muodostavat glukoosiyksiköt. Tosiasiassa kitiini voidaan kuvata selluloosaksi, jossa kunkin monomeerin yksi hydroksyyliryhmä on korvattu asetyyliamiiniryhmällä. Tämä mahdollistaa viereisten polymeerien välisen vetysidoksen lisääntymisen, mikä lisää polymeerin lujuutta.

Happopolysakkaridit

Happopolysakkaridit ovat polysakkarideja, jotka sisältävät karboksyyliryhmiä, fosfaattiryhmiä ja/tai rikkihappoesteriryhmiä.

Bakteerien polysakkaridit

Bakteerien polysakkaridit edustavat monipuolista joukkoa makromolekyylejä, joihin kuuluvat peptidoglykaanit, lipopolysakkaridit, kapselit ja eksopolysakkaridit; yhdisteitä, joiden funktiot vaihtelevat rakenteellisista soluseinän komponenteista (esim. peptidoglykaanista) ja tärkeistä virulenssitekijöistä (esim. poly-N- asetyyliglukosamiini S. aureus) ja jotka mahdollistavat bakteerin selviytymisen vaikeissa ympäristöissä (esimerkiksi Pseudomonas aeruginosa ihmisen keuhkoissa). Polysakkaridien biosynteesi on tiukasti säädelty, energiaintensiivinen prosessi, ja sääntelyn ja energiansäästön, polymeerien modifikaation ja synteesin sekä ulkoisten ekologisten toimintojen välisen hienovaraisen vuorovaikutuksen ymmärtäminen on valtava tutkimusalue. Mahdolliset hyödyt ovat valtavat, ja niiden pitäisi mahdollistaa esimerkiksi uusien antibakteeristen strategioiden (kuten uusien antibioottien ja s) kehittäminen ja kaupallinen hyödyntäminen uusien sovellusten kehittämiseksi (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Bakteerikapselin polysakkaridit

Patogeeniset bakteerit tuottavat yleisesti paksun, limakalvomaisen polysakkaridikerroksen. Tämä “kapseli” peittää bakteerin pinnalla olevat antigeeniset proteiinit, jotka muutoin aiheuttaisivat immuunivasteen ja johtaisivat siten bakteerin tuhoutumiseen. Kapselipolysakkaridit ovat vesiliukoisia, yleensä happamia ja molekyylipainoltaan 100-1000 kDa:n luokkaa. Ne ovat lineaarisia ja koostuvat säännöllisesti toistuvista alayksiköistä, joissa on yhdestä noin kuuteen monosakkaridia. Rakenteellinen monimuotoisuus on valtava; pelkästään E. coli tuottaa lähes kaksisataa erilaista polysakkaridia. Kapselipolysakkaridien seoksia, joko konjugoituja tai natiiveja, käytetään rokotteina.

Bakteerit ja monet muut mikrobit, mukaan lukien sienet ja levät, erittävät usein polysakkarideja evolutiivisena sopeutumisena auttaakseen niitä tarttumaan pintoihin ja estääkseen niitä kuivumasta. Ihmiset ovat kehittäneet joitakin näistä polysakkarideista hyödyllisiksi tuotteiksi, kuten ksantaanikumi, dekstraani, gellaanikumi ja pullulaani.

Solupinnan polysakkarideilla on monenlaisia tehtäviä bakteerien ekologiassa ja fysiologiassa. Ne toimivat esteenä soluseinän ja ympäristön välillä, välittävät isännän ja patogeenin välisiä vuorovaikutuksia ja muodostavat biofilmien rakenneosia. Nämä polysakkaridit syntetisoidaan nukleotidien aktivoimista esiasteista (joita kutsutaan nukleotidisokereiksi), ja useimmissa tapauksissa kaikki entsyymit, joita tarvitaan valmiin polymeerin biosynteesiin, kokoonpanoon ja kuljetukseen, koodataan geeneissä, jotka on järjestetty erityisiin klustereihin organismin genomissa. Lipopolysakkaridi on yksi tärkeimmistä solupinnan polysakkarideista, sillä sillä on keskeinen rakenteellinen rooli ulkokalvon eheydessä ja se on tärkeä välittäjä isännän ja patogeenin välisissä vuorovaikutussuhteissa.

O-antigeenien A-kaistaleen (homopolymeerinen) ja B-kaistaleen (heteropolymeerinen) O-antigeenien valmistukseen käytettävät entsyymit on tunnistettu ja aineenvaihduntareitit määritetty (Guo ym. 2008). Eksopolysakkaridi alginaatti on β-1,4-sidoksissa olevien D-mannuronihappo- ja L-guluronihappojäämien lineaarinen kopolymeeri, ja se on vastuussa myöhäisvaiheen kystisen fibroosin limaisesta fenotyypistä. Pel- ja psl-loci ovat kaksi äskettäin löydettyä geeniryhmää, jotka myös koodaavat eksopolysakkarideja, joiden on todettu olevan tärkeitä biofilmin muodostumiselle. Rhamnolipid on biosurfaktantti, jonka tuotantoa säädellään tiukasti transkriptiotasolla, mutta sen tarkkaa roolia sairaudessa ei vielä tunneta. Proteiinien glykosylaatio, erityisesti piliinin ja flagelliinin, on viime aikoina ollut useiden ryhmien tutkimuskohteena, ja sen on osoitettu olevan tärkeää adheesion ja invaasion kannalta bakteeri-infektion aikana (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson ja R. J. Heyden. 2006. Biology: Exploring Life. Boston, MA: Pearson Prentice Hall. ISBN 0132508826.
• Cornelis, P. 2008. Pseudomonas: Genomics and Molecular Biology, 1. painos. Caister Academic Press. ISBN 9781904455196.
• Guo, H., W. Yi, J. K. Song ja P. G. Wang. 2008. Nykyinen käsitys mikrobipolysakkaridien biosynteesistä. Curr Top Med Chem 8(2): 141-51. PMID 18289083. Haettu 2. helmikuuta 2009.
• Rehm, B. H. A. (toim.). 2009. Microbial Production of Biopolymers and Polymer Precursors: Applications and Perspectives. Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Polysaccharides from microorganisms, plants and animals. Sivut 1-19 teoksessa E. J. Vandamme, Biopolymers, Volume 5, Polysaccharides I: Polysaccharides from Prokaryotes. Weiheim: Wiley VCH. ISBN 9783527302260.
• Ullrich, M. 2009. Bacterial Polysaccharides: Current Innovations and Future Trends. Caister Academic Press. ISBN 9781904455455.