3D-struktur av cellulosa.

Polysackarid är en klass av relativt komplexa kolhydrater med hög molekylvikt som består av långa kedjor av många monosackarider som är sammanfogade genom glykosidbindningar. Dessa mycket stora, ofta förgrenade makromolekyler anses i allmänhet ha mer än tio monosackaridrester och ofta finns det hundratals sammanlänkade monosackarider. Deras allmänna formel är Cn(H2O)m med n vanligen mellan 200 och 2500. Välkända polysackarider omfattar lagringspolysackarider som stärkelse och glykogen och strukturella polysackarider som cellulosa och kitin.

Polysackarider är i huvudsak polymerer där monosackarider är sammanfogade genom glykosidiska bindningar när vatten avlägsnas. Vid hydrolys bryts polysackarider ner till monosackarider som glukos, ribose och fruktos. När alla monosackarider i en polysackarid är av samma typ, till exempel glukos, kallas polysackariden för en homopolysackarid, men när mer än en typ av monosackarid förekommer kallas de för heteropolysackarider.

Polysackarider spelar en mängd olika viktiga roller i naturen. Förmågan hos stärkelse och glykogen att brytas ner till enkla sockerarter gör att de kan fungera som viktiga lagringsformer av glukos hos växter respektive djur, och stabiliteten hos bindningarna i cellulosa och styrkan hos bindningarna i kitin gör dem till utmärkta strukturella komponenter hos växter respektive leddjur. Inulin används av vissa växter som ett sätt att lagra energi.

Översikt

Polysackarider är en av fyra klasser av kolhydrater, som i sin tur är biologiska molekyler som huvudsakligen innehåller kolatomer (C) flankerade av väteatomer (H) och hydroxylgrupper (OH) (H-C-OH). De enklaste kolhydraterna är monosackarider, som är monomerer – t.ex. de enkla sockerarterna glukos, ribose och – av vilka större kolhydrater byggs upp. När två monosackarider är sammanlänkade med kovalenta bindningar kallas de disackarider. Oligosackarider består av fler än tre och i allmänhet tio (eller kanske 20) monosackarider. Polysackarider är ännu större kedjor av monosackarider. Vissa kolhydrater är alltså små med molekylvikter på mindre än hundra, medan andra är riktiga makromolekyler med molekylvikter på hundratusentals.

I en monosackarid är de relativa proportionerna av kol, väte och syre 1:2:1, och formeln är därför C(H2O). I disackarider, oligosackarider och polysackarider avviker de molära proportionerna något från den allmänna formeln eftersom två väteämnen och ett syre går förlorade under var och en av de kondensationsreaktioner som bildar dem. Dessa kolhydrater har den mer allmänna formeln Cn(H2O)m. I polysackarider är n vanligtvis ett stort tal mellan 200 och 2500. Med tanke på att de repeterande enheterna i polymerens ryggrad ofta är monosackarider med sex kol, kan den allmänna formeln också representeras som (C6H10O5)n där n={40…3000}.

Polysackarider är polymerer. En polymer är en stor molekyl (makromolekyl) som består av upprepade strukturella enheter som vanligtvis är sammankopplade med kovalenta kemiska bindningar. När det gäller polysackarider är den kemiska bindningen en glykosidbindning. I huvudsak bildas disackarider, oligosackarider och polysackarider genom en kondensationsreaktion där monosackaridenheterna kombineras genom att väte (H) försvinner från den ena molekylen och en hydroxylgrupp (OH) från den andra, varvid en glykosidisk bindning bildas.

När glukosmolekyler bildar en glykosidbindning kommer bindningen att vara av en av två typer, α eller β, beroende på om den molekyl som binder sitt kol 1 är en α-glukos eller β-glukos. I alfakonfigurationen är syreatomen placerad under sockerringens plan. Dessa olika bindningar bildar föreningar med olika egenskaper. Stärkelse är en polysackarid av glukos med α-1,4 glykosidiska bindningar (där kol-1 i en sockermolekyl är kopplat till kol-4 i den intilliggande molekylen). Glykogen är en starkt förgrenad polysackarid av glukos med α-glykosidiska bindningar. Cellulosa är en oförgrenad polysackarid av glukos med β-1,4-glykosidiska bindningar som är kemiskt mycket stabila. (A

Polysackarider är mycket stora, ofta förgrenade makromolekyler. De tenderar att vara amorfa, olösliga i vatten och har ingen söt smak (Campbell et al. 2006).

Lagringspolysackarider

Stärkelse

Stärkelse är glukospolymerer där glukopyranosenheterna är bundna med alfa-bindningar. Den består av en blandning av amylos (15-20 procent) och amylopektin (80-85 procent). Både amylos och amylopektin är polymerer av glukos som huvudsakligen är bundna med α(1→4)-bindningar. Amylose består av en linjär kedja av flera hundra glukosmolekyler och amylopektin är en starkt förgrenad molekyl som består av flera tusen glukosenheter där förgreningen sker med α(1→6)-bindningar var 24-30:e glukosenhet. Procentandelen amylos och amylopektin varierar beroende på källan; till exempel är procentandelen amylopektin högre i mellankornigt ris och vaxartad potatis, men lägre i långkornigt ris och rostfri potatis.

Stärkelsebildningen är det sätt på vilket växterna lagrar glukos. Stärkelse är olöslig i vatten. De kan smältas genom hydrolys, katalyserad av enzymer som kallas amylaser, som kan bryta alfa-bindningarna (glykosidiska bindningar). Människor och andra djur har amylaser, så de kan smälta stärkelse. Potatis, ris, vete och majs är viktiga källor till stärkelse i människans kost.

Glykogen

Glykogen är den huvudsakliga lagringsformen för glukos i djurceller. Glykogen är en starkt förgrenad polymer med cirka 30 000 glukosrester och en molekylvikt på mellan 106 och 107 dalton. De flesta glukosrester är sammanlänkade med α-1,4 glykosidbindningar. Ungefär en av tio glukosrester bildar också en α-1,6-glykosidbindning med en intilliggande glukos, vilket leder till att en förgrening skapas. Glykogen har endast en reducerande ände och ett stort antal icke-reducerande ändar med en fri hydroxylgrupp vid kol-4. Grenarna ökar glykogens löslighet

Strukturella polysackarider

Cellulosa

Plantornas strukturella beståndsdel utgörs främst av cellulosa. Cellulosa är den överlägset vanligaste organiska (kolhaltiga) föreningen på jorden. Trä består till stor del av cellulosa och lignin, medan papper och bomull är nästan ren cellulosa. Cellulosa är en polymer som består av upprepade glukosenheter som är bundna till varandra genom betabindningar. På grund av stabiliteten hos dess β-glykosidiska bindningar är cellulosa ett utmärkt strukturellt material som tål hårda miljöförhållanden. Människor och många andra djur saknar ett enzym för att bryta betabindningarna, så de kan inte smälta cellulosa. Vissa djur kan smälta cellulosa eftersom det i deras tarm finns bakterier som besitter enzymet. Det klassiska exemplet är termiten.

Chitin

Chitin är en hård, halvgenomskinlig polysackarid som fungerar som huvudkomponent i leddjurens exoskelett (t.ex. kräftdjur och många insekter) och cellväggarna hos vissa svampar, bland annat. Chitin är uppbyggt av enheter av N-acetylglukosamin. Dessa är sammanlänkade på β-1,4 sätt på samma sätt som de glukosenheter som bildar cellulosa. I själva verket kan kitin beskrivas som cellulosa där en hydroxylgrupp på varje monomer har ersatts av en acetylamingrupp. Detta möjliggör ökad vätebindning mellan intilliggande polymerer, vilket ger polymeren ökad styrka.

Acidiska polysackarider

Acidiska polysackarider är polysackarider som innehåller karboxylgrupper, fosfatgrupper och/eller svavelestergrupper.

Bakteriella polysackarider

Bakteriella polysackarider representerar ett brett spektrum av makromolekyler som omfattar peptidoglykan, lipopolysackarider, kapslar och exopolysackarider; föreningar vars funktioner sträcker sig från strukturella cellväggskomponenter (t.ex. peptidoglykan) till viktiga virulensfaktorer (t.ex. poly-N-acetylglukosamin i S. aureus), till att göra det möjligt för bakterien att överleva i svåra miljöer (t.ex. Pseudomonas aeruginosa i människans lungor). Polysackaridbiosyntesen är en hårt reglerad, energikrävande process och förståelsen av det subtila samspelet mellan reglering och energihushållning, polymermodifiering och -syntes och de externa ekologiska funktionerna är ett enormt forskningsområde. De potentiella fördelarna är enorma och bör till exempel möjliggöra utveckling av nya antibakteriella strategier (t.ex. nya antibiotika och s) och kommersiellt utnyttjande för att utveckla nya tillämpningar (Ullrich 2009; Rehm 2009).

Bakteriella kapselpolysackarider

Patogena bakterier producerar vanligen ett tjockt, slemliknande, lager av polysackarid. Denna “kapsel” döljer antigena proteiner på bakterieytan som annars skulle framkalla ett immunsvar och därmed leda till att bakterien förstörs. Kapselpolysackarider är vattenlösliga, ofta sura och har en molekylvikt i storleksordningen 100-1000 kDa. De är linjära och består av regelbundet upprepade underenheter med en till cirka sex monosackarider. Det finns en enorm strukturell mångfald; nästan tvåhundra olika polysackarider produceras bara av E. coli. Blandningar av kapselpolysackarider, antingen konjugerade eller nativa, används som vaccin.

Bakterier och många andra mikrober, inklusive svampar och alger, utsöndrar ofta polysackarider som en evolutionär anpassning för att hjälpa dem att fästa på ytor och förhindra att de torkar ut. Människor har utvecklat vissa av dessa polysackarider till användbara produkter, bland annat xantangummi, dextran, gellangummi och pullulan.

Polysackarider på cellytor spelar olika roller i bakteriers ekologi och fysiologi. De fungerar som en barriär mellan cellväggen och miljön, förmedlar interaktioner mellan värd och patogen och utgör strukturella komponenter i biofilmer. Dessa polysackarider syntetiseras från nukleotidaktiverade prekursorer (så kallade nukleotidsocker) och i de flesta fall kodas alla de enzymer som behövs för biosyntes, sammansättning och transport av den färdiga polymeren av gener som är organiserade i särskilda kluster i organismens genom. Lipopolysackarid är en av de viktigaste polysackariderna på cellytan, eftersom den spelar en viktig strukturell roll för det yttre membranets integritet och är en viktig mediator för interaktioner mellan värd och patogen.

Enzymerna som tillverkar A-bandets (homopolymera) och B-bandets (heteropolymera) O-antigen har identifierats och de metaboliska vägarna har definierats (Guo et al. 2008). Exopolysackariden alginat är en linjär sampolymer av β-1,4-bundna D-mannuronsyra- och L-guluronsyrarester, och är ansvarig för den mucoida fenotypen vid sena stadier av cystisk fibros sjukdom. Loci pel och psl är två nyligen upptäckta genkluster som också kodar för exopolysackarider som visat sig vara viktiga för biofilmsbildning. Rhamnolipid är en biosurfaktant vars produktion är hårt reglerad på transkriptionsnivå, men den exakta roll som den spelar i sjukdomen är för närvarande inte väl förstådd. Proteinglykosylering, särskilt av pilin och flagellin, har nyligen varit i fokus för forskning av flera grupper och den har visat sig vara viktig för adhesion och invasion under bakterieinfektion (Cornelis 2008).

• Campbell, N. A., B. Williamson och R. J. Heyden. 2006. Biology: Exploring Life: 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 och P. G. Wang. 2008. Aktuell kunskap om biosyntesen av mikrobiella polysackarider. Curr Top Med Chem 8(2): 141-51. PMID 18289083. Hämtad den 2 februari 2009.
• Rehm, B. H. A. (red.). 2009. Mikrobiell produktion av biopolymerer och polymerprekursorer: Tillämpningar och perspektiv. Caister Academic Press. ISBN 9781904455363.
• Sutherland, I. W. 2002. Polysackarider från mikroorganismer, växter och djur. Sidorna 1-19 i E. J. Vandamme, Biopolymers, Volume 5, Polysaccharides I: Polysackarider från prokaryoter. Weiheim: Wiley VCH. ISBN 9783527302260.
• Ullrich, M. 2009. Bakteriella polysackarider: Current Innovations and Future Trends. Caister Academic Press. ISBN 9781904455455.