Structura 3D a celulozei.

Polizaharidul este oricare dintre clasele de carbohidrați relativ complecși, cu greutate moleculară mare, constând din lanțuri lungi de multe monosacaride unite între ele prin legături glicozidice. Se consideră că aceste macromolecule foarte mari, adesea ramificate, au în general mai mult de zece resturi de monosacaride și adesea există sute de monosacaride legate între ele. Formula lor generală este Cn(H2O)m, cu n de obicei între 200 și 2500. Printre polizaharidele bine cunoscute se numără polizaharidele de stocare, cum ar fi amidonul și glicogenul, și polizaharidele structurale, cum ar fi celuloza și chitina.

Polizaharidele sunt în esență polimeri în care monosaharidele sunt unite între ele prin legături glicozidice pe măsură ce apa este eliminată. În urma hidrolizei, polizaharidele sunt descompuse în monosacaride, cum ar fi glucoza, riboza și fructoza. Atunci când toate monosacaridele dintr-o polizaharidă sunt de același tip, cum ar fi glucoza, polizaharida se numește homopolizaharidă, dar atunci când sunt prezente mai multe tipuri de monosacaride, acestea se numesc heteropolizaharide.

Polizaharidele joacă o mare varietate de roluri importante în natură. Capacitatea amidonului și a glicogenului de a fi descompuse în zaharuri simple le permite să servească drept forme importante de stocare a glucozei la plante și, respectiv, la animale, iar stabilitatea legăturilor din celuloză și rezistența legăturilor din chitină le fac să fie componente structurale excelente ale plantelor și, respectiv, ale artropodelor. Inulina este folosită de unele plante ca mijloc de stocare a energiei.

Viziune de ansamblu

Polizaharidele sunt una dintre cele patru clase de carbohidrați, care la rândul lor sunt molecule biologice care conțin în principal atomi de carbon (C) flancați de atomi de hidrogen (H) și de grupe hidroxil (OH) (H-C-OH). Cei mai simpli carbohidrați sunt monosacaridele, care sunt monomeri – cum ar fi zaharurile simple glucoză, riboză și – din care sunt construiți carbohidrații mai mari. Atunci când există două monosacaride legate între ele prin legături covalente, acestea sunt cunoscute sub denumirea de dizaharide. Oligozaharidele sunt alcătuite din mai mult de 3 și, în general, zece (sau poate 20) monosacaride. Polizaharidele sunt lanțuri și mai mari de monosacaride. Astfel, unii carbohidrați sunt mici, cu greutăți moleculare mai mici de o sută, în timp ce alții sunt adevărate macromolecule cu greutăți moleculare de ordinul sutelor de mii.

Într-o monosacaridă, proporțiile relative ale carbonului, hidrogenului și oxigenului sunt 1:2:1 și, astfel, formula este C(H2O). În dizaharide, oligozaharide și polizaharide, proporțiile molare se abat ușor de la formula generală deoarece în timpul fiecăreia dintre reacțiile de condensare care le formează se pierd doi hidrogeni și un oxigen. Acești carbohidrați au formula mai generală Cn(H2O)m. În mod obișnuit, în polizaharide, n este un număr mare, între 200 și 2500. Având în vedere că unitățile repetitive din coloana vertebrală a polimerului sunt adesea monosacaride cu șase atomi de carbon, formula generală poate fi reprezentată și sub forma (C6H10O5)n unde n={40…3000}.

Polizaharidele sunt polimeri. Un polimer este o moleculă mare (macromoleculă) compusă din unități structurale repetitive conectate de obicei prin legături chimice covalente. În cazul polizaharidelor, legătura chimică este o legătură glicozidică. În esență, dizaharidele, oligozaharidele și polizaharidele se formează printr-o reacție de condensare în care, prin combinarea unităților de monosaharide, se pierde hidrogenul (H) dintr-o moleculă și o grupare hidroxil (OH) din cealaltă și se formează o legătură glicozidică.

Când moleculele de glucoză formează o legătură glicozidică, legătura va fi de două tipuri, α sau β, în funcție de faptul că molecula care își leagă carbonul 1 este o α-glucoză sau o β-glucoză. În configurația alfa, atomul de oxigen este situat sub planul inelului de zahăr. Aceste legături diferite formează compuși cu caracteristici diferite. Amidonul este o polizaharidă de glucoză cu legături glicozidice α-1,4 (în care carbonul 1 al unei molecule de zahăr este legat de carbonul 4 al moleculei adiacente). Glicogenul este o polizaharidă foarte ramificată de glucoză cu legături α-glicozidice. Celuloza este o polizaharidă neramificată de glucoză cu legături β-1,4-glicozidice care sunt foarte stabile din punct de vedere chimic. (A

Polizaharidele sunt macromolecule foarte mari, adesea ramificate. Ele tind să fie amorfe, insolubile în apă și nu au un gust dulce (Campbell et al. 2006).

Polizaharide de depozitare

Amidonuri

Amidonurile sunt polimeri de glucoză în care unitățile de glucopiranoză sunt legate prin legături alfa. Este alcătuit dintr-un amestec de amiloză (15-20%) și amilopectină (80-85%). Atât amiloza, cât și amilopectina sunt polimeri de glucoză legați în principal prin legături α(1→4). Amiloza este formată dintr-un lanț liniar de câteva sute de molecule de glucoză, iar amilopectina este o moleculă foarte ramificată, formată din câteva mii de unități de glucoză, ramificarea având loc cu legături α(1→6) la fiecare 24-30 de unități de glucoză. Procentul de amiloză și amilopectină variază în funcție de sursă; de exemplu, procentul de amilopectină este mai mare în orezul cu bob mediu și în cartofii cerosi, dar mai mic în orezul cu bob lung și în cartofii ruginii.

Formarea amidonului reprezintă modul în care plantele stochează glucoza. Amidonul este insolubil în apă. Ele pot fi digerate prin hidroliză, catalizată de enzime numite amilaze, care pot rupe legăturile alfa (legături glicozidice). Oamenii și alte animale au amilaze, deci pot digera amidonul. Cartoful, orezul, grâul și porumbul sunt surse majore de amidon în dieta umană.

Glicogenul

Glicogenul este principala formă de stocare a glucozei în celulele animale. Glicogenul este un polimer foarte ramificat de aproximativ 30.000 de resturi de glucoză și o greutate moleculară între 106 și 107 daltoni. Majoritatea reziduurilor de glucoză sunt legate prin legături glicozidice α-1,4. Aproximativ unul din zece reziduuri de glucoză formează, de asemenea, o legătură glicozidică α-1,6 cu o glucoză adiacentă, ceea ce duce la crearea unei ramificații. Glicogenul are un singur capăt reducător și un număr mare de capete nereducătoare cu o grupare hidroxil liberă la carbonul 4. Ramurile cresc solubilitatea glicogenului

Polizaharide structurale

Celuloză

Componenta structurală a plantelor este formată în principal din celuloză. Celuloza este de departe cel mai abundent compus organic (cu conținut de carbon) de pe Pământ. Lemnul este în mare parte celuloză și lignină, în timp ce hârtia și bumbacul sunt aproape pur celuloză. Celuloza este un polimer alcătuit din unități repetate de glucoză legate între ele prin legături beta. Datorită stabilității legăturilor sale β-glicozidice, celuloza este un material structural excelent care poate rezista la condiții de mediu dificile. Oamenii și multe alte animale nu au o enzimă care să rupă legăturile beta, așa că nu digeră celuloza. Anumite animale pot digera celuloza, deoarece în intestinul lor sunt prezente bacterii care posedă această enzimă. Exemplul clasic este termita.

Chitina

Chitina este o polizaharidă dură, semitransparentă, care servește ca principală componentă a exoscheletelor artropodelor (cum ar fi crustaceele și multe insecte) și a pereților celulari ai unor ciuperci, printre alte locuri. Chitina este construită din unități de N-acetilglucozamină. Acestea sunt legate între ele în mod β-1,4, în mod similar cu unitățile de glucoză care formează celuloza. De fapt, chitina poate fi descrisă ca fiind celuloză cu o grupare hidroxil pe fiecare monomer înlocuită cu o grupare acetilamină. Acest lucru permite creșterea legăturii de hidrogen între polimerii adiacenți, conferind polimerului o rezistență sporită.

Polizaharide acide

Polizaharidele acide sunt polizaharide care conțin grupări carboxil, grupări fosfat și/sau grupări ester sulfuric.

Polizaharidele bacteriene

Polizaharidele bacteriene reprezintă o gamă diversă de macromolecule care includ peptidoglicanul, lipopolizaharidele, capsulele și exopolizaharidele; compuși ale căror funcții variază de la componente structurale ale peretelui celular (cum ar fi peptidoglicanul) și factori importanți de virulență (de exemplu, poli-N-acetilglucozamina la S. aureus), până la a permite bacteriei să supraviețuiască în medii dificile (de exemplu, Pseudomonas aeruginosa în plămânii umani). Biosinteza polizaharidelor este un proces strâns reglementat, intensiv din punct de vedere energetic, iar înțelegerea interacțiunii subtile dintre reglementare și conservarea energiei, modificarea și sinteza polimerilor și funcțiile ecologice externe reprezintă un domeniu imens de cercetare. Beneficiile potențiale sunt enorme și ar trebui să permită, de exemplu, dezvoltarea de noi strategii antibacteriene (cum ar fi noi antibiotice și s) și exploatarea comercială pentru a dezvolta noi aplicații (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Polizaharidele capsulelor bacteriene

Bacteriile patogene produc în mod obișnuit un strat gros de polizaharide, asemănător unui mucus. Această “capsulă” camuflează proteinele antigenice de pe suprafața bacteriană care altfel ar provoca un răspuns imunitar și ar duce astfel la distrugerea bacteriei. Polizaharidele capsulare sunt solubile în apă, de obicei acide, și au o greutate moleculară de ordinul a 100 până la 1000 kDa. Acestea sunt liniare și constau din subunități care se repetă în mod regulat de una până la aproximativ șase monosacaride. Există o diversitate structurală enormă; numai E. coli produce aproape două sute de polizaharide diferite. Amestecuri de polizaharide capsulare, fie conjugate, fie native, sunt folosite ca vaccinuri.

Bacteriile și mulți alți microbi, inclusiv ciupercile și algele, secretă adesea polizaharide ca o adaptare evolutivă pentru a le ajuta să adere la suprafețe și pentru a le împiedica să se usuce. Oamenii au transformat unele dintre aceste polizaharide în produse utile, inclusiv guma xantan, dextranul, guma gellan și pullulanul.

Polizaharidele de suprafață celulară joacă diverse roluri în ecologia și fiziologia bacteriană. Ele servesc ca o barieră între peretele celular și mediul înconjurător, mediază interacțiunile gazdă-patogen și formează componente structurale ale biofilmelor. Aceste polizaharide sunt sintetizate din precursori activați de nucleotide (numiți zaharuri nucleotidice) și, în cele mai multe cazuri, toate enzimele necesare pentru biosinteza, asamblarea și transportul polimerului finalizat sunt codificate de genele organizate în clustere dedicate în cadrul genomului organismului. Lipopolizaharida este una dintre cele mai importante polizaharide de pe suprafața celulară, deoarece joacă un rol structural esențial în integritatea membranei externe, fiind totodată un mediator important al interacțiunilor gazdă-patogen.

Au fost identificate enzimele care produc antigenele O din banda A (homopolimerică) și banda B (heteropolimerică) și au fost definite căile metabolice (Guo et al. 2008). Exopolizaharidul alginat este un copolimer liniar de reziduuri de acid D-mannuronic legat de β-1,4 și de acid L-guluronic și este responsabil pentru fenotipul mucoid al bolii de fibroză chistică în stadiu tardiv. Lociile pel și psl sunt două clustere genetice descoperite recent care codifică, de asemenea, exopolizaharide care se dovedesc a fi importante pentru formarea biofilmului. Rhamnolipidul este un biosurfactant a cărui producție este strâns reglată la nivel transcripțional, dar rolul precis pe care îl joacă în boală nu este bine înțeles în prezent. Glicozilarea proteinelor, în special a pilinei și a flagelinei, este un obiectiv recent al cercetărilor efectuate de mai multe grupuri și s-a demonstrat că este importantă pentru aderență și invazie în timpul infecției bacteriene (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson și R. J. Heyden. 2006. Biologie: Exploring Life. Boston, MA: Pearson Prentice Hall. ISBN 0132508826.
• Cornelis, P. 2008. Pseudomonas: Genomică și biologie moleculară, ediția 1. Caister Academic Press. ISBN 9781904455196.
• Guo, H., W. Yi, J. K. Song, and P. G. Wang. 2008. Înțelegerea actuală privind biosinteza polizaharidelor microbiene. 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 (Producția microbiană de biopolimeri și precursori de polimeri): Applications and Perspectives. Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Polizaharide din microorganisme, plante și animale. Paginile 1-19 în E. J. Vandamme, Biopolymers, Volume 5, Polysaccharides I: Polizaharide from Prokaryotes. Weiheim: Wiley VCH. ISBN 978352730302260.
• Ullrich, M. 2009. Bacterial Polysaccharides: Current Innovations and Future Trends (Inovații actuale și tendințe viitoare). Caister Academic Press. ISBN 9781904455455.