3D-structuur van cellulose.

Polysaccharide is een klasse van betrekkelijk complexe, hoogmoleculaire koolhydraten die bestaan uit lange ketens van vele monosacchariden die met elkaar verbonden zijn door glycosidebindingen. Deze zeer grote, vaak vertakte macromoleculen hebben over het algemeen meer dan tien monosacharidenresiduen en vaak zijn er honderden monosachariden aan elkaar gekoppeld. Hun algemene formule is Cn(H2O)m met n gewoonlijk tussen 200 en 2500. Bekende polysacchariden zijn opslagpolysacchariden zoals zetmeel en glycogeen en structurele polysacchariden zoals cellulose en chitine.

Polysacchariden zijn in wezen polymeren waarin monosacchariden worden samengevoegd door glycosidebindingen als water wordt verwijderd. Bij hydrolyse worden polysacchariden afgebroken tot monosacchariden zoals glucose, ribose, en fructose. Wanneer alle monosacchariden in een polysaccharide van hetzelfde type zijn, zoals glucose, wordt de polysaccharide een homopolysaccharide genoemd, maar wanneer meer dan één type monosaccharide aanwezig is, worden ze heteropolysacchariden genoemd.

Polysacchariden spelen een grote verscheidenheid aan belangrijke rollen in de natuur. Het vermogen van zetmeel en glycogeen om te worden afgebroken tot eenvoudige suikers stelt hen in staat om te dienen als belangrijke opslagvormen van glucose in planten en dieren, respectievelijk, en de stabiliteit van de verbindingen in cellulose en de sterkte van de verbindingen in chitine maken ze uitstekende structurele componenten van planten en geleedpotigen, respectievelijk. Inuline wordt door sommige planten gebruikt als een middel om energie op te slaan.

Overzicht

Polysacchariden zijn een van de vier klassen van koolhydraten, die op hun beurt biologische moleculen zijn die voornamelijk koolstof (C) atomen bevatten geflankeerd door waterstof (H) atomen en hydroxyl (OH) groepen (H-C-OH). De eenvoudigste koolhydraten zijn monosacchariden, dat zijn monomeren – zoals de eenvoudige suikers glucose, ribose en – waaruit grotere koolhydraten zijn opgebouwd. Wanneer er twee monosachariden zijn die door covalente bindingen aan elkaar zijn verbonden, worden ze disachariden genoemd. Oligosacchariden bestaan uit meer dan 3 en meestal uit tien (of misschien 20) monosacchariden. Polysacchariden zijn nog grotere ketens van monosacchariden. Zo zijn sommige koolhydraten klein met molecuulgewichten van minder dan honderd, terwijl andere echte macromoleculen zijn met molecuulgewichten in de honderdduizenden.

In een monosaccharide zijn de relatieve verhoudingen van koolstof, waterstof en zuurstof 1:2:1, en dus is de formule C(H2O). In disachariden, oligosachariden en polysachariden wijken de molaire verhoudingen enigszins af van de algemene formule, omdat twee hydrogenen en één zuurstof verloren gaan tijdens elk van de condensatiereacties waaruit zij worden gevormd. Deze koolhydraten hebben de meer algemene formule Cn(H2O)m. In polysacchariden is de n meestal een groot getal tussen 200 en 2500. Aangezien de zich herhalende eenheden in de polymeerruggengraat vaak monosachariden met zes koolstofelementen zijn, kan de algemene formule ook worden weergegeven als (C6H10O5)n waarbij n={40…3000}.

Polysachariden zijn polymeren. Een polymeer is een groot molecuul (macromolecuul) dat bestaat uit zich herhalende structurele eenheden die gewoonlijk met elkaar verbonden zijn door covalente chemische bindingen. In het geval van polysacchariden is de chemische binding een glycosidebinding. In wezen worden disaccahriden, oligosacchariden en polysacchariden gevormd door een condensatiereactie waarbij bij het combineren van de monosaccharide-eenheden er een waterstof (H) van het ene molecuul en een hydroxylgroep (OH) van het andere molecuul verloren gaat en er een glycosidebinding wordt gevormd.

Wanneer glucosemoleculen een glycosidebinding vormen, zal de binding een van de twee typen zijn, α of β, afhankelijk van het feit of het molecuul dat zijn koolstof 1 bindt een α-glucose of een β-glucose is. In de alfa-configuratie bevindt het zuurstofatoom zich onder het vlak van de suikerring. Deze verschillende bindingen vormen verbindingen met verschillende kenmerken. Zetmeel is een polysacharide van glucose met α-1,4-glycosidebindingen (waarbij de koolstof-1 van een suikermolecuul verbonden is met de koolstof-4 van het naastliggende molecuul). Glycogeen is een sterk vertakt polysacharide van glucose met α-glycosidebindingen. Cellulose is een onvertakt polysacharide van glucose met β-1,4 glycosidebindingen die chemisch zeer stabiel zijn. (A

Polysacchariden zijn zeer grote, vaak vertakte, macromoleculen. Zij zijn meestal amorf, onoplosbaar in water, en hebben geen zoete smaak (Campbell et al. 2006).

Opgeslagen polysachariden

Zetsels

Zetsels zijn glucosepolymeren waarin glucopyranose-eenheden door alfa-bindingen aan elkaar zijn gebonden. Het is opgebouwd uit een mengsel van amylose (15-20 procent) en amylopectine (80-85 procent). Zowel amylose als amylopectine zijn polymeren van glucose die hoofdzakelijk door α(1→4)-bindingen met elkaar verbonden zijn. Amylose bestaat uit een lineaire keten van enkele honderden glucosemoleculen en amylopectine is een sterk vertakt molecuul dat bestaat uit enkele duizenden glucose-eenheden met vertakkingen met α(1→6)-bindingen om de 24 tot 30 glucose-eenheden. Het percentage amylose en amylopectine varieert afhankelijk van de bron; het percentage amylopectine is bijvoorbeeld hoger in halflangkorrelige rijst en wasachtige aardappelen, maar lager in langkorrelige rijst en russet aardappelen.

De vorming van zetmeel is de manier waarop planten glucose opslaan. Zetmeel is onoplosbaar in water. Zij kunnen worden verteerd door hydrolyse, gekatalyseerd door enzymen, amylasen genaamd, die de alfa-bindingen (glycosidebindingen) kunnen verbreken. Mensen en andere dieren hebben amylasen, zodat ze zetmeel kunnen verteren. Aardappel, rijst, tarwe en maïs zijn belangrijke bronnen van zetmeel in de menselijke voeding.

Glycogeen

Glycogeen is de belangrijkste opslagvorm van glucose in dierlijke cellen. Glycogeen is een sterk vertakt polymeer van ongeveer 30.000 glucose-residuen en een molecuulgewicht tussen 106 en 107 dalton. De meeste glucoseresiduen zijn verbonden door α-1,4-glycosidebindingen. Ongeveer één op de tien glucoseresiduen vormt ook een α-1,6-glucosidebinding met een aangrenzende glucose, waardoor een tak ontstaat. Glycogeen heeft slechts één reducerend uiteinde en een groot aantal niet-reducerende uiteinden met een vrije hydroxylgroep op koolstof-4. De vertakkingen verhogen de oplosbaarheid van glycogeen

Structurele polysachariden

Cellulose

De structurele component van planten wordt hoofdzakelijk gevormd uit cellulose. Cellulose is verreweg de meest overvloedige organische (koolstofhoudende) verbinding op aarde. Hout bestaat grotendeels uit cellulose en lignine, terwijl papier en katoen bijna zuivere cellulose zijn. Cellulose is een polymeer dat bestaat uit herhaalde glucose-eenheden die met beta-bindingen aan elkaar zijn gebonden. Door de stabiliteit van de β-glycosidebindingen is cellulose een uitstekend structureel materiaal dat bestand is tegen zware milieuomstandigheden. Mensen en veel andere dieren hebben geen enzym om de bèta-bindingen te verbreken, zodat zij cellulose niet verteren. Sommige dieren kunnen cellulose wel verteren, omdat in hun darmen bacteriën aanwezig zijn die dit enzym bezitten. Het klassieke voorbeeld is de termiet.

Chitine

Chitine is een harde, halfdoorzichtige polysacharide die dient als hoofdbestanddeel van de exoskeletten van geleedpotigen (zoals schaaldieren en veel insecten) en de celwanden van sommige schimmels, onder andere. Chitine is opgebouwd uit eenheden van N-acetylglucosamine. Deze zijn op een β-1,4 manier aan elkaar gekoppeld, net als de glucose-eenheden waaruit cellulose is opgebouwd. In feite kan chitine worden omschreven als cellulose met één hydroxylgroep op elk monomeer vervangen door een acetylaminegroep. Dit maakt een verhoogde waterstofbinding tussen aangrenzende polymeren mogelijk, waardoor het polymeer een grotere sterkte krijgt.

Zure polysacchariden

Zure polysacchariden zijn polysacchariden die carboxylgroepen, fosfaatgroepen, en/of zwavelestergroepen bevatten.

Bacteriële polysachariden

Bacteriële polysachariden vertegenwoordigen een uiteenlopende reeks macromoleculen die peptidoglycaan, lipopolysachariden, capsules en exopolysachariden omvatten; verbindingen waarvan de functies variëren van structurele celwandcomponenten (zoals peptidoglycaan), en belangrijke virulentiefactoren (bijv. Poly-N-acetylglucosamine bij S. aureus), tot het in staat stellen van de bacterie om te overleven in barre omstandigheden (bijvoorbeeld Pseudomonas aeruginosa in de menselijke longen). De biosynthese van polysacchariden is een strak gereguleerd, energie-intensief proces en het begrijpen van de subtiele wisselwerking tussen de regulering en het behoud van energie, polymeermodificatie en -synthese, en de externe ecologische functies is een enorm onderzoeksgebied. De potentiële voordelen zijn enorm en moeten bijvoorbeeld de ontwikkeling van nieuwe anti-bacteriële strategieën (zoals nieuwe antibiotica en s) en de commerciële exploitatie voor de ontwikkeling van nieuwe toepassingen mogelijk maken (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Bacteriële capsule polysacchariden

Pathogene bacteriën produceren gewoonlijk een dikke, slijmachtige laag polysacchariden. Deze “capsule” omhult antigene eiwitten op het bacteriële oppervlak die anders een immuunreactie zouden uitlokken en zo tot de vernietiging van de bacterie zouden leiden. Capsulaire polysacchariden zijn oplosbaar in water, meestal zuur, en hebben een molecuulgewicht in de orde van grootte van 100 tot 1000 kDa. Zij zijn lineair en bestaan uit regelmatig repeterende subeenheden van één tot ongeveer zes monosachariden. Er is een enorme structurele diversiteit; alleen al door E. coli worden bijna tweehonderd verschillende polysacchariden geproduceerd. Mengsels van capsulaire polysachariden, geconjugeerd of natief, worden gebruikt als vaccins.

Bacteriën en vele andere microben, waaronder schimmels en algen, scheiden vaak polysachariden af als evolutionaire aanpassing om hen te helpen zich aan oppervlakken te hechten en om te voorkomen dat ze uitdrogen. De mens heeft sommige van deze polysacchariden ontwikkeld tot nuttige producten, waaronder xanthaangom, dextraan, gellangom en pullulan.

Polysacchariden op celoppervlakken spelen diverse rollen in de ecologie en fysiologie van bacteriën. Zij dienen als barrière tussen de celwand en de omgeving, bemiddelen gastheer-pathogeen interacties, en vormen structurele componenten van biofilms. Deze polysacchariden worden gesynthetiseerd uit nucleotide-geactiveerde precursoren (nucleotidesuikers genaamd) en in de meeste gevallen worden alle enzymen die nodig zijn voor de biosynthese, de assemblage en het transport van het voltooide polymeer gecodeerd door genen die in specifieke clusters binnen het genoom van het organisme zijn georganiseerd. Lipopolysaccharide is een van de belangrijkste polysacchariden op het celoppervlak, omdat het een belangrijke structurele rol speelt in de integriteit van het buitenmembraan, en een belangrijke bemiddelaar is bij interacties tussen gastheer en ziekteverwekker.

De enzymen die de A-band (homopolymeer) en B-band (heteropolymeer) O-antigenen maken, zijn geïdentificeerd en de metabolische routes zijn gedefinieerd (Guo et al. 2008). Het exopolysaccharide alginaat is een lineair copolymeer van β-1,4-gekoppelde D-mannuronzuur- en L-guluronzuurresiduen, en is verantwoordelijk voor het mucoïde fenotype van cystische fibrose in een gevorderd stadium. De pel- en psl-loci zijn twee recent ontdekte genclusters die ook coderen voor exopolysacchariden die belangrijk blijken te zijn voor biofilmvorming. Rhamnolipide is een biosurfactant waarvan de productie strak gereguleerd wordt op transcriptioneel niveau, maar de precieze rol die het speelt bij ziekte is momenteel niet goed begrepen. Eiwitglycosylering, met name van piline en flagelline, is een recent aandachtspunt van onderzoek door verschillende groepen en er is aangetoond dat het belangrijk is voor adhesie en invasie tijdens bacteriële infectie (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson, and R. J. Heyden. 2006. Biologie: Exploring Life. Boston, MA: Pearson Prentice Hall. ISBN 0132508826.
• Cornelis, P. 2008. Pseudomonas: Genomics and Molecular Biology, 1e druk. 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. Microbiële Productie van Biopolymeren en Polymeer Voorlopers: Applications and Perspectives. Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Polysacchariden van micro-organismen, planten en dieren. Pagina’s 1-19 in E. J. Vandamme, Biopolymeren, Deel 5, Polysacchariden I: Polysacchariden van Prokaryoten. Weiheim: Wiley VCH. ISBN 9783527302260.
• Ullrich, M. 2009. Bacteriële Polysacchariden: Current Innovations and Future Trends. Caister Academic Press. ISBN 9781904455455.