Struktura 3D celulozy.

Polisacharyd to dowolna klasa stosunkowo złożonych węglowodanów o dużej masie cząsteczkowej, składająca się z długich łańcuchów wielu monosacharydów połączonych ze sobą wiązaniami glikozydowymi. Uważa się, że te bardzo duże, często rozgałęzione makrocząsteczki mają zazwyczaj więcej niż dziesięć reszt monosacharydowych i często występują w nich setki połączonych monosacharydów. Ich wzór ogólny to Cn(H2O)m, gdzie n zwykle wynosi od 200 do 2500. Dobrze znane polisacharydy obejmują polisacharydy magazynowe, takie jak skrobia i glikogen oraz polisacharydy strukturalne, takie jak celuloza i chityna.

Polisacharydy są zasadniczo polimerami, w których monosacharydy są połączone wiązaniami glikozydowymi w miarę usuwania wody. Po hydrolizie polisacharydy są rozkładane na monosacharydy, takie jak glukoza, ryboza i fruktoza. Gdy wszystkie monosacharydy w polisacharydzie są tego samego typu, takie jak glukoza, polisacharyd jest nazywany homopolisacharydem, ale gdy obecny jest więcej niż jeden typ monosacharydu, są one nazywane heteropolisacharydami.

Polisacharydy odgrywają wiele różnych ważnych ról w przyrodzie. Zdolność skrobi i glikogenu do rozkładu na cukry proste pozwala im służyć jako ważne formy magazynowania glukozy odpowiednio u roślin i zwierząt, a stabilność wiązań w celulozie i wytrzymałość wiązań w chitynie czynią z nich doskonałe składniki strukturalne odpowiednio roślin i stawonogów. Inulina jest wykorzystywana przez niektóre rośliny jako środek magazynowania energii.

Overview

Polisacharydy są jedną z czterech klas węglowodanów, które z kolei są cząsteczkami biologicznymi, które zawierają głównie atomy węgla (C) otoczone atomami wodoru (H) i grupami hydroksylowymi (OH) (H-C-OH). Najprostszymi węglowodanami są monosacharydy, które są monomerami – takimi jak cukry proste: glukoza, ryboza i – z których zbudowane są większe węglowodany. Kiedy dwa monosacharydy są połączone ze sobą wiązaniami kowalencyjnymi, nazywamy je disacharydami. Oligosacharydy składają się z więcej niż 3, a zazwyczaj z 10 (lub 20) monosacharydów. Polisacharydy to jeszcze większe łańcuchy monosacharydów. Tak więc, niektóre węglowodany są małe o masie cząsteczkowej mniejszej niż sto, podczas gdy inne są prawdziwymi makrocząsteczkami o masie cząsteczkowej w setkach tysięcy.

W monosacharydzie, względne proporcje węgla, wodoru i tlenu są 1:2:1, a zatem wzór jest C(H2O). W disacharydów, oligosacharydów i polisacharydów, proporcje molowe odbiegają nieco od wzoru ogólnego, ponieważ dwa hydrogeny i jeden tlen są tracone podczas każdej z reakcji kondensacji, która tworzy je. Węglowodany te mają bardziej ogólny wzór Cn(H2O)m. Zazwyczaj w polisacharydach n jest dużą liczbą pomiędzy 200 a 2500. Biorąc pod uwagę, że powtarzające się jednostki w szkielecie polimeru są często sześciowęglowymi monosacharydami, wzór ogólny można również przedstawić jako (C6H10O5)n, gdzie n={40…3000}.

Polisacharydy są polimerami. Polimer to duża cząsteczka (makromolekuła) składająca się z powtarzających się jednostek strukturalnych, zwykle połączonych kowalencyjnymi wiązaniami chemicznymi. W przypadku polisacharydów, wiązanie chemiczne jest wiązaniem glikozydowym. Zasadniczo disacharydy, oligosacharydy i polisacharydy są tworzone przez reakcję kondensacji, w której podczas łączenia jednostek monosacharydów następuje utrata wodoru (H) z jednej cząsteczki i grupy hydroksylowej (OH) z drugiej i powstaje wiązanie glikozydowe.

Gdy cząsteczki glukozy tworzą wiązanie glikozydowe, wiązanie będzie jednego z jest dwóch typów, α lub β, w zależności od tego, czy cząsteczka, która wiąże swój węgiel 1 jest α-glukozą czy β-glukozą. W konfiguracji alfa, atom tlenu znajduje się poniżej płaszczyzny pierścienia cukrowego. Te różne wiązania tworzą związki o różnych właściwościach. Skrobia jest polisacharydem glukozy z wiązaniami α-1,4 glikozydowymi (w których węgiel-1 jednej cząsteczki cukru jest połączony z węglem-4 sąsiedniej cząsteczki). Glikogen jest silnie rozgałęzionym polisacharydem glukozy z wiązaniami α-glikozydowymi. Celuloza jest nierozgałęzionym polisacharydem glukozy z wiązaniami β-1,4-glikozydowymi, które są chemicznie bardzo stabilne. (A

Polisacharydy są bardzo dużymi, często rozgałęzionymi, makrocząsteczkami. Są one zazwyczaj bezpostaciowe, nierozpuszczalne w wodzie i nie mają słodkiego smaku (Campbell et al. 2006).

Polisacharydy magazynowe

Skrobie

Skrobie są polimerami glukozy, w których jednostki glukopiranozowe są połączone wiązaniami alfa. Składają się z mieszaniny amylozy (15-20 procent) i amylopektyny (80-85 procent). Zarówno amyloza, jak i amylopektyna są polimerami glukozy połączonymi głównie wiązaniami α(1→4). Amyloza składa się z liniowego łańcucha kilkuset cząsteczek glukozy, a amylopektyna jest silnie rozgałęzioną cząsteczką zbudowaną z kilku tysięcy jednostek glukozy, przy czym rozgałęzienie następuje wiązaniami α(1→6) co 24 do 30 jednostek glukozy. Procentowa zawartość amylozy i amylopektyny różni się w zależności od źródła; na przykład procentowa zawartość amylopektyny jest wyższa w ryżu średnioziarnistym i ziemniakach woskowych, ale niższa w ryżu długoziarnistym i ziemniakach russet.

Tworzenie skrobi to sposób, w jaki rośliny magazynują glukozę. Skrobia jest nierozpuszczalna w wodzie. Mogą być trawione przez hydrolizę, katalizowaną przez enzymy zwane amylazami, które mogą rozbijać wiązania alfa (wiązania glikozydowe). Ludzie i inne zwierzęta posiadają amylazy, więc mogą trawić skrobię. Ziemniak, ryż, pszenica i kukurydza są głównymi źródłami skrobi w diecie człowieka.

Glikogen

Glikogen jest główną formą magazynowania glukozy w komórkach zwierzęcych. Glikogen jest silnie rozgałęzionym polimerem składającym się z około 30 000 reszt glukozy o masie cząsteczkowej pomiędzy 106 a 107 daltonów. Większość reszt glukozowych jest połączona wiązaniami α-1,4-glikozydowymi. W przybliżeniu jedna na dziesięć reszt glukozy tworzy również wiązanie α-1,6 glikozydowe z sąsiednią glukozą, co prowadzi do powstania rozgałęzienia. Glikogen ma tylko jeden redukujący koniec i dużą liczbę nieredukujących końców z wolną grupą hydroksylową przy węglu-4. Rozgałęzienia zwiększają rozpuszczalność glikogenu

Polisacharydy strukturalne

Celuloza

Składnik strukturalny roślin są utworzone głównie z celulozy. Celuloza jest zdecydowanie najobficiej występującym związkiem organicznym (zawierającym węgiel) na Ziemi. Drewno jest w dużej mierze celulozą i ligniną, podczas gdy papier i bawełna są prawie czystą celulozą. Celuloza jest polimerem zbudowanym z powtarzających się jednostek glukozy połączonych wiązaniami beta. Ze względu na stabilność swoich wiązań β-glikozydowych, celuloza jest doskonałym materiałem strukturalnym, który może wytrzymać trudne warunki środowiskowe. Ludziom i wielu innym zwierzętom brakuje enzymu rozkładającego wiązania beta, dlatego nie trawią one celulozy. Niektóre zwierzęta mogą trawić celulozę, ponieważ w ich jelitach obecne są bakterie posiadające ten enzym. Klasycznym przykładem jest termit.

Chityna

Chityna jest twardym, półprzezroczystym polisacharydem, który służy jako główny składnik egzoszkieletów stawonogów (takich jak skorupiaki i wiele owadów) oraz ścian komórkowych niektórych grzybów, między innymi. Chityna zbudowana jest z jednostek N-acetyloglukozaminy. Są one połączone ze sobą w sposób β-1,4, podobnie jak jednostki glukozy tworzące celulozę. W efekcie chityna może być opisana jako celuloza z jedną grupą hydroksylową na każdym monomerze zastąpioną grupą acetyloaminową. Pozwala to na zwiększenie wiązania wodorowego między sąsiadującymi polimerami, nadając polimerowi zwiększoną wytrzymałość.

Polisacharydy kwasowe

Polisacharydy kwasowe to polisacharydy zawierające grupy karboksylowe, grupy fosforanowe i/lub grupy estrów siarkowych.

Polisacharydy bakteryjne

Polisacharydy bakteryjne reprezentują zróżnicowany zakres makrocząsteczek, które obejmują peptydoglikan, lipopolisacharydy, kapsułki i egzopolisacharydy; związki, których funkcje obejmują od strukturalnych składników ściany komórkowej (takich jak peptydoglikan) i ważnych czynników wirulencji (np. poli-N-acetyloglukozamina w S. aureus), aż po umożliwienie bakterii przetrwania w trudnych warunkach (np. Pseudomonas aeruginosa w ludzkich płucach). Biosynteza polisacharydów jest ściśle regulowanym, energochłonnym procesem, a zrozumienie subtelnej zależności pomiędzy regulacją i zachowaniem energii, modyfikacją i syntezą polimerów oraz zewnętrznymi funkcjami ekologicznymi stanowi ogromny obszar badań. Potencjalne korzyści są ogromne i powinny umożliwić, na przykład, rozwój nowych strategii antybakteryjnych (takich jak nowe antybiotyki i s) i komercyjne wykorzystanie w celu opracowania nowych zastosowań (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Polisacharydy kapsuły bakteryjnej

Bakterie patogenne powszechnie wytwarzają grubą, śluzowatą, warstwę polisacharydu. Ta “kapsułka” maskuje antygenowe białka na powierzchni bakterii, które w przeciwnym razie wywołałyby odpowiedź immunologiczną i w ten sposób doprowadziłyby do zniszczenia bakterii. Polisacharydy kapsularne są rozpuszczalne w wodzie, zwykle kwaśne i mają masę cząsteczkową rzędu od 100 do 1000 kDa. Są one liniowe i składają się z regularnie powtarzających się podjednostek zawierających od jednego do około sześciu monosacharydów. Istnieje ogromna różnorodność strukturalna; prawie dwieście różnych polisacharydów jest wytwarzanych przez samą E. coli. Mieszaniny polisacharydów kapsulowych, sprzężonych lub natywnych, są używane jako szczepionki.

Bakterie i wiele innych mikrobów, w tym grzyby i algi, często wydzielają polisacharydy jako przystosowanie ewolucyjne, aby pomóc im przylegać do powierzchni i zapobiec wysychaniu. Ludzie rozwinęli niektóre z tych polisacharydów w użyteczne produkty, w tym gumę ksantanową, dekstran, gumę gellan i pullulan.

Powierzchniowe polisacharydy komórkowe odgrywają różne role w ekologii i fizjologii bakterii. Służą one jako bariera pomiędzy ścianą komórkową a środowiskiem, pośredniczą w interakcjach gospodarz-patogen i tworzą składniki strukturalne biofilmów. Te polisacharydy są syntetyzowane z prekursorów aktywowanych nukleotydami (zwanych cukrami nukleotydowymi) i w większości przypadków wszystkie enzymy niezbędne do biosyntezy, składania i transportu gotowego polimeru są kodowane przez geny zorganizowane w specjalne klastry w genomie organizmu. Lipopolisacharyd jest jednym z najważniejszych polisacharydów powierzchni komórki, ponieważ odgrywa kluczową rolę strukturalną w integralności błony zewnętrznej, a także jest ważnym mediatorem interakcji gospodarz-patogen.

Zidentyfikowano enzymy wytwarzające O-antygeny pasma A (homopolimeryczne) i pasma B (heteropolimeryczne) oraz określono szlaki metaboliczne (Guo et al. 2008). Egzopolisacharyd alginian jest liniowym kopolimerem β-1,4 połączonych reszt kwasu D-mannuronowego i L-guluronowego i jest odpowiedzialny za śluzowaty fenotyp w późnym stadium mukowiscydozy. Lokalizacje pel i psl to dwa niedawno odkryte zespoły genów, które również kodują egzopolisacharydy uznane za ważne dla tworzenia biofilmu. Ramnolipid jest biosurfaktantem, którego produkcja jest ściśle regulowana na poziomie transkrypcji, ale dokładna rola, jaką odgrywa w chorobie, nie jest obecnie dobrze poznana. Glikozylacja białek, szczególnie pilin i flagellin, jest ostatnio przedmiotem badań kilku grup i wykazano, że jest ona ważna dla adhezji i inwazji podczas infekcji bakteryjnej (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: Genomics and Molecular Biology, 1st edition. 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. Polisacharydy z mikroorganizmów, roślin i zwierząt. Pages 1-19 in 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.

.