A cellulóz 3D szerkezete.

A poliszacharid a viszonylag összetett, nagy molekulatömegű szénhidrátok bármelyik osztálya, amely sok monoszacharidból álló, hosszú láncú, glikozidos kötésekkel összekapcsolt láncokból áll. Ezek a nagyon nagy, gyakran elágazó makromolekulák általában tíznél több monoszacharid-maradékot tartalmaznak, és gyakran több száz összekapcsolt monoszacharidot. Általános képletük Cn(H2O)m, ahol az n általában 200 és 2500 között van. A jól ismert poliszacharidok közé tartoznak a tároló poliszacharidok, mint a keményítő és a glikogén, valamint a szerkezeti poliszacharidok, mint a cellulóz és a kitin.

A poliszacharidok lényegében olyan polimerek, amelyekben a monoszacharidok a víz eltávolításával glikozidos kötésekkel kapcsolódnak össze. Hidrolízis során a poliszacharidok monoszacharidokra, például glükózra, ribózra és fruktózra bomlanak. Ha egy poliszacharidban az összes monoszacharid azonos típusú, például glükóz, a poliszacharidot homopoliszacharidnak nevezzük, de ha egynél többféle monoszacharid van jelen, akkor heteropoliszacharidnak nevezzük.

A poliszacharidok sokféle fontos szerepet játszanak a természetben. A keményítő és a glikogén egyszerű cukrokká bonthatósága lehetővé teszi, hogy a növényekben és az állatokban a glükóz fontos tárolási formáiként szolgáljanak, a cellulózban lévő kötések stabilitása és a kitinben lévő kötések szilárdsága pedig a növények, illetve az ízeltlábúak kiváló szerkezeti összetevőivé teszi őket. Az inulint egyes növények energiatárolásra használják.

Áttekintés

A poliszacharidok a szénhidrátok négy osztályának egyike, amelyek viszont olyan biológiai molekulák, amelyek elsősorban szén (C) atomokat tartalmaznak, amelyeket hidrogén (H) atomok és hidroxil (OH) csoportok (H-C-OH) szegélyeznek. A legegyszerűbb szénhidrátok a monoszacharidok, amelyek olyan monomerek – mint például az egyszerű cukrok glükóz, ribóz és -, amelyekből nagyobb szénhidrátok épülnek fel. Ha két monoszacharid kovalens kötéssel kapcsolódik egymáshoz, akkor azokat diszacharidoknak nevezzük. Az oligoszacharidok 3-nál több, általában tíz (esetleg 20) monoszacharidból állnak. A poliszacharidok monoszacharidok még nagyobb láncai. Így egyes szénhidrátok kicsik, molekulatömegük száznál kisebb, míg mások valódi makromolekulák, molekulatömegük százezres nagyságrendű.

A monoszacharidokban a szén, a hidrogén és az oxigén relatív aránya 1:2:1, így képletük C(H2O). A diszacharidokban, oligoszacharidokban és poliszacharidokban a moláris arányok kissé eltérnek az általános képlettől, mivel az őket alkotó egyes kondenzációs reakciók során két hidrogén és egy oxigén elvész. Ezeknek a szénhidrátoknak az általánosabb Cn(H2O)m képletük van. Jellemzően a poliszacharidokban az n nagy szám, 200 és 2500 között. Tekintettel arra, hogy a polimer gerincének ismétlődő egységei gyakran hat szénatomos monoszacharidok, az általános képletet (C6H10O5)n alakban is ábrázolhatjuk, ahol n={40…3000}.

A poliszacharidok polimerek. A polimer egy nagy molekula (makromolekula), amely ismétlődő szerkezeti egységekből áll, amelyeket jellemzően kovalens kémiai kötések kötnek össze. A poliszacharidok esetében a kémiai kötés glikozidos kötés. Lényegében a diszacharidok, oligoszacharidok és poliszacharidok kondenzációs reakcióval jönnek létre, amelyben a monoszacharid egységek egyesülése során az egyik molekulából hidrogén (H), a másikból hidroxilcsoport (OH) távozik, és glikozidos kötés jön létre.

Amikor a glükózmolekulák glikozidos kötést képeznek, a kötés kétféle, α vagy β típusú lesz, attól függően, hogy az 1-es szénatomját kötő molekula α-glükóz vagy β-glükóz. Az alfa-konfigurációban az oxigénatom a cukorgyűrű síkja alatt helyezkedik el. Ezek a különböző kötések különböző tulajdonságú vegyületeket alkotnak. A keményítő egy glükózból álló poliszacharid, α-1,4 glikozidos kötéssel (amelyben az egyik cukormolekula szén-1-je a szomszédos molekula szén-4-éhez kapcsolódik). A glikogén egy erősen elágazó, α-glikozidos kötésekkel rendelkező glükóz poliszacharid. A cellulóz egy elágazás nélküli, β-1,4 glikozidos kötésekkel rendelkező glükóz poliszacharid, amely kémiailag nagyon stabil. (A

A poliszacharidok nagyon nagy, gyakran elágazó makromolekulák. Általában amorfak, vízben nem oldódnak, és nincs édes ízük (Campbell et al. 2006).

Tároló poliszacharidok

Keményítők

A keményítők olyan glükózpolimerek, amelyekben a glükopiranóz egységek alfa-kötésekkel kapcsolódnak. Amilóz (15-20 százalék) és amilopektin (80-85 százalék) keverékéből áll. Az amilóz és az amilopektin egyaránt glükóz polimerek, amelyek főként α(1→4) kötésekkel kapcsolódnak. Az amilóz több száz glükózmolekulából álló lineáris láncból áll, az amilopektin pedig több ezer glükózegységből álló, erősen elágazó molekula, amelynek elágazása 24-30 glükózegységenként α(1→6) kötésekkel történik. Az amilóz és az amilopektin aránya a forrástól függően változik; például az amilopektin aránya magasabb a középszemű rizsben és a viaszos burgonyában, de alacsonyabb a hosszú szemű rizsben és a rozsdabarna burgonyában.

A keményítők képződése a növények glükózraktározásának módja. A keményítők vízben nem oldódnak. Hidrolízissel emészthetők, amit az amiláznak nevezett enzimek katalizálnak, amelyek képesek az alfa-kötéseket (glikozidos kötéseket) megbontani. Az emberek és más állatok rendelkeznek amilázzal, így képesek megemészteni a keményítőket. A burgonya, a rizs, a búza és a kukorica az emberi táplálkozás fő keményítőforrásai.

Glikogén

A glikogén a glükóz fő tárolási formája az állati sejtekben. A glikogén egy nagymértékben elágazó polimer, amely körülbelül 30 000 glükózmaradványból áll, és molekulatömege 106 és 107 dalton között van. A legtöbb glükózmaradvány α-1,4 glikozidos kötésekkel kapcsolódik. Körülbelül minden tizedik glükózmaradék α-1,6 glikozidos kötést is képez egy szomszédos glükózzal, ami egy elágazás létrejöttét eredményezi. A glikogénnek csak egy redukáló vége van, és nagyszámú nem redukáló vége, amely a szén-4 szénatomon szabad hidroxilcsoporttal rendelkezik. Az elágazások növelik a glikogén oldhatóságát

Szerkezeti poliszacharidok

Cellulóz

A növények szerkezeti elemei elsősorban cellulózból képződnek. A cellulóz a Földön messze a legnagyobb mennyiségben előforduló szerves (széntartalmú) vegyület. A fa nagyrészt cellulózból és ligninből áll, míg a papír és a pamut szinte tiszta cellulóz. A cellulóz béta-kötésekkel összekapcsolt, ismétlődő glükózegységekből álló polimer. A β-glikozidos kötések stabilitása miatt a cellulóz kiváló szerkezeti anyag, amely ellenáll a zord környezeti körülményeknek. Az ember és sok más állat nem rendelkezik a béta-kötések felbontásához szükséges enzimmel, ezért nem emésztik meg a cellulózt. Bizonyos állatok képesek megemészteni a cellulózt, mivel bélrendszerükben jelen vannak az enzimmel rendelkező baktériumok. Klasszikus példa erre a termesz.

Kitin

A kitin egy kemény, félig átlátszó poliszacharid, amely többek között az ízeltlábúak (például a rákfélék és sok rovar) külső vázának és egyes gombák sejtfalának fő alkotórésze. A kitin N-acetilglükozamin egységekből épül fel. Ezek β-1,4 módon kapcsolódnak egymáshoz, hasonlóan a cellulózt alkotó glükózegységekhez. A kitin tulajdonképpen úgy írható le, mint cellulóz, amelyben minden monomer egy hidroxilcsoportját egy acetilamincsoport helyettesíti. Ez lehetővé teszi a szomszédos polimerek közötti fokozott hidrogénkötést, ami a polimer szilárdságát növeli.

Savas poliszacharidok

A savas poliszacharidok olyan poliszacharidok, amelyek karboxilcsoportokat, foszfátcsoportokat és/vagy kénésztercsoportokat tartalmaznak.

Bakteriális poliszacharidok

A bakteriális poliszacharidok a makromolekulák változatos skáláját képviselik, amelyek közé tartoznak a peptidoglikán, a lipopoliszacharidok, a kapszulák és az exopoliszacharidok; olyan vegyületek, amelyek funkciói a strukturális sejtfal-összetevők (mint például a peptidoglikán) és a fontos virulenciafaktorok (pl. a poli-N-acetilglükozamin az S. aureus), a baktériumnak a zord környezetben való túlélését lehetővé tevő anyagokig (pl. Pseudomonas aeruginosa az emberi tüdőben). A poliszacharid-bioszintézis szigorúan szabályozott, energiaigényes folyamat, és a szabályozás és az energiatakarékosság, a polimerek módosítása és szintézise, valamint a külső ökológiai funkciók közötti finom kölcsönhatás megértése hatalmas kutatási terület. A potenciális előnyök óriásiak, és lehetővé kell tenniük például új antibakteriális stratégiák (például új antibiotikumok és s) kifejlesztését, valamint a kereskedelmi hasznosítást új alkalmazások kifejlesztésére (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Bakteriális kapszula poliszacharidok

A patogén baktériumok általában vastag, nyálkahártya-szerű poliszacharidréteget termelnek. Ez a “kapszula” elrejti a baktérium felszínén lévő antigén fehérjéket, amelyek egyébként immunválaszt váltanának ki, és ezáltal a baktérium elpusztításához vezetnének. A kapszulás poliszacharidok vízben oldódnak, általában savasak, és molekulatömegük 100-1000 kDa nagyságrendű. Lineárisak, és egytől körülbelül hat monoszacharidig terjedő, szabályosan ismétlődő alegységekből állnak. Szerkezeti változatosságuk óriási; csak az E. coli közel kétszáz különböző poliszacharidot termel. Kapszuláris poliszacharidok keverékeit, akár konjugáltak, akár natívak, vakcinaként használják.

A baktériumok és sok más mikroba, beleértve a gombákat és az algákat is, evolúciós alkalmazkodásként gyakran választanak ki poliszacharidokat, hogy segítsék a felületeken való megtapadásukat és megakadályozzák a kiszáradásukat. Az ember néhány ilyen poliszacharidot hasznos termékké fejlesztett, beleértve a xantángumit, a dextránt, a gellángumit és a pullulánt.

A sejtfelszíni poliszacharidok sokféle szerepet játszanak a baktériumok ökológiájában és fiziológiájában. Gátként szolgálnak a sejtfal és a környezet között, közvetítik a gazdatest-patogén kölcsönhatásokat, és a biofilmek szerkezeti összetevőit alkotják. Ezek a poliszacharidok nukleotid-aktivált prekurzorokból (úgynevezett nukleotidcukrokból) szintetizálódnak, és a legtöbb esetben a kész polimer bioszintéziséhez, összeszereléséhez és szállításához szükséges összes enzimet a szervezet genomjában erre a célra szolgáló klaszterekbe szervezett gének kódolják. A lipopoliszacharid az egyik legfontosabb sejtfelszíni poliszacharid, mivel kulcsfontosságú szerkezeti szerepet játszik a külső membrán integritásában, valamint a gazdatest-patogén kölcsönhatások fontos közvetítője.

Az A-sávos (homopolimer) és a B-sávos (heteropolimer) O-antigéneket előállító enzimeket azonosították és a metabolikus útvonalakat definiálták (Guo et al. 2008). Az exopoliszacharid alginát β-1,4-hez kötött D-mannuronsav és L-guluronsav maradékok lineáris kopolimere, és felelős a késői stádiumú cisztás fibrózis betegség nyálkás fenotípusáért. A pel és a psl lokusz két nemrégiben felfedezett géncsoport, amelyek szintén exopoliszacharidokat kódolnak, amelyek fontosnak bizonyultak a biofilmképződésben. A ramnolipid egy olyan bioszurfaktáns, amelynek termelése transzkripciós szinten szigorúan szabályozott, de a betegségben betöltött pontos szerepe jelenleg nem jól ismert. A fehérjék glikozilációja, különösen a pilin és a flagellin glikozilációja a közelmúltban több csoport kutatásainak középpontjába került, és kimutatták, hogy fontos a baktériumfertőzés során az adhézió és az invázió szempontjából (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson, and R. J. Heyden. 2006. Biology: Exploring Life. Boston, MA: Pearson Prentice Hall. ISBN 0132508826.
• Cornelis, P. 2008. Pseudomonas: Genomika és molekuláris biológia, 1. kiadás. Caister Academic Press. ISBN 9781904455196.
• Guo, H., W. Yi, J. K. Song és P. G. Wang. 2008. A mikrobiális poliszacharidok bioszintézisének jelenlegi megértése. Curr Top Med Chem 8(2): 141-51. PMID 18289083. Retrieved February 2, 2009.
• Rehm, B. H. A. (szerk.). 2009. Biopolimerek és polimer prekurzorok mikrobiális előállítása: Applications and Perspectives. Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Poliszacharidok mikroorganizmusokból, növényekből és állatokból. Oldalak 1-19 in E. J. Vandamme, Biopolymers, Volume 5, Polysaccharides I: Polysaccharides from Prokaryotes. Weiheim: Wiley VCH. ISBN 9783527302260.
• Ullrich, M. 2009. Bakteriális poliszacharidok: Current Innovations and Future Trends. Caister Academic Press. ISBN 9781904455455.