ПОЛІСАХАРИДИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, КЛАСИФІКАЦІЯ, ПРИКЛАДИ - БІОЛОГІЯ - 2025

У полісахариди , часто звані глікани, представляють собою хімічні сполуки з високою молекулярною масою , утвореної більш ніж 10 одиниць індивідуальних цукрів (моносахаридів). Іншими словами, це моносахаридні полімери, пов'язані між собою через глікозидні зв’язки.

Це дуже поширені в природі молекули, оскільки вони є у всіх живих істот, де вони виконують найрізноманітніші функції, багато з яких ще вивчаються. Вони вважаються найбільшим джерелом відновлюваних природних ресурсів на землі.

Структура целюлози, гомополісахарид (Джерело: http://www.monografias.com/trabajos46/celulosa-madera/celulosa-madera2.shtml / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa /4.0) через Вікісховище)

Наприклад, стінка рослинних клітин складається з одного з найпоширеніших полісахаридів у біосфері: целюлози.

Ця сполука, утворена повторними одиницями моносахариду під назвою глюкоза, служить їжею для тисяч мікроорганізмів, грибів та тварин, крім функцій, які вона має у підтримці структури рослин.

З часом людині вдалося скористатися целюлозою для практичних цілей: він використовує бавовну для виготовлення одягу, «м’якоть» дерев для виготовлення паперу тощо.

Іншим дуже рясним полісахаридом, який також виробляється рослинами і має велике значення для людини, є крохмаль, оскільки він є одним з головних джерел вуглецю та енергії. Це в зернах злаків, у бульбах тощо.

Характеристика полісахаридів

- Це макромолекули дуже високої молекулярної маси

- Вони складаються переважно з атомів вуглецю, водню та кисню

- Вони структурно і функціонально дуже різноманітні

- Вони існують практично у всіх живих істот на землі: рослин, тварин, бактерій, найпростіших та грибів

- Деякі полісахариди добре розчиняються у воді, а інші - ні, що зазвичай залежить від наявності гілок у їх структурі

- Вони працюють в накопиченні енергії, в стільниковому зв’язку, в структурній підтримці клітин і тканин тощо.

- Його гідроліз, як правило, призводить до вивільнення окремих залишків (моносахаридів)

- Їх можна знайти у складі більш складних макромолекул, таких як вуглеводна частина багатьох глікопротеїнів, гліколіпіди тощо.

Будова

Як ми обговорювали на початку, полісахариди - це полімери з більш ніж 10 залишками цукру або моносахаридів, які пов'язані між собою через глюкозидні зв’язки.

Хоча вони надзвичайно різноманітні молекули (існує нескінченна різноманітність можливих структурних типів), найпоширенішими моносахаридами, що зустрічаються в структурі полісахариду, є цукри пентози та гексози, тобто цукру з 5 та 6 атомами вуглецю відповідно.

Різноманітність

Різноманітність цих макромолекул полягає в тому, що крім різних цукрів, які їх можуть складати, кожен залишок цукру може мати дві різні циклічні форми: фуранозу або піранозу (лише ті цукри з 5 та 6 атомами вуглецю).

Крім того, глікозидні зв'язки можуть знаходитись у α- або β- конфігурації, і, якби цього було недостатньо, утворення цих зв'язків могло б передбачати заміну однієї або декількох гідроксильних груп (-OH) у сусідньому залишку.

Вони також можуть утворюватися із цукрів з розгалуженими ланцюгами, із цукрів без однієї або декількох гідроксильних груп (-OH) та цукрів з більш ніж 6 атомами вуглецю, а також з різних похідних моносахаридів (звичайних чи ні).

Графічне зображення лінійного та розгалуженого полісахариду (Джерело: jphwang / Public domain, via Wikimedia Commons), модифікованого Ракелем Парадою Пуйгом

Лінійно-ланцюгові полісахариди, як правило, краще упаковуються у жорстких або негнучких структурах і нерозчинні у воді, на відміну від розгалужених полісахаридів, які добре розчиняються у воді та утворюють «пастоподібні» структури у водних розчинах.

Класифікація полісахаридів

Класифікація полісахаридів зазвичай ґрунтується на їх природному виникненні, проте все частіше їх класифікувати за хімічною будовою.

Багато авторів вважають, що найкращий спосіб класифікації полісахаридів заснований на типі цукрів, що їх складають, згідно з якими було визначено дві великі групи: гомополісахариди та гетерополісахариди.

Гомополісахариди або гомоглікани

До цієї групи належать усі полісахариди, які складаються з однакових цукрових або моносахаридних одиниць, тобто є гомополімерами одного типу цукру.

Найпростіші гомополісахариди - це ті, з лінійною конформацією, в яких всі залишки цукру пов'язані через один і той же тип хімічного зв’язку. Целюлоза - хороший приклад: це полісахарид, що складається з залишків глюкози, пов'язаних β-зв’язками (1 → 4).

Однак існують і більш складні гомополісахариди, і це ті, які мають більше одного типу зв’язку в лінійному ланцюзі і можуть навіть мати гілки.

Прикладами гомополісахаридів, які є дуже поширеними в природі, є целюлоза, глікоген та крохмаль, які складаються з повторюваних одиниць глюкози; До цієї групи також відноситься хітин, який складається з повторюваних одиниць N -ацетил-глюкозаміну, похідного глюкози.

Потім є інші менш популярні в літературі такі фруктани (складені з фруктозних одиниць), пентозани (складаються з арабінози або ксилози) та пектини (складаються з похідних галактуронової кислоти, отриманих, у свою чергу, з галактози).

Гетерополісахариди або гетероглікани

У межах цієї групи, з іншого боку, класифікуються всі ті полісахариди, які складаються з двох або більше різних типів цукрів, тобто вони є гетерополімерами різних цукрів.

Найпростіші гетерополісахариди утворені двома різними залишками цукру (або похідними цукрів), які можуть (1) знаходитися в одній лінійній ланцюзі, або (2) бути одним, утворюючи основний лінійний ланцюг, а другий утворюючи бічні ланцюги.

Однак можуть бути також гетерополісахариди, що складаються з більш ніж двох типів сильно розгалужених або не цукристих залишків.

Багато з цих молекул асоціюються з білками або ліпідами, утворюючи глікопротеїни та гліколіпіди, яких дуже багато в тканинах тварин.

Дуже поширеними прикладами гетерополісахаридів є ті, що входять до складу мукополісахаридів, таких як гіалуронова кислота, широко поширений серед тварин і складається із залишків глюкуронової кислоти, пов'язаних із залишками N -ацетил-D-глюкозаміну.

У хрящах, присутніх у всіх хребетних тварин, також є багато гетерополісахаридів, особливо хондроїтину сульфату, який складається з повторюваних одиниць глюкуронової кислоти та N -ацетил-D-галактозаміну.

Загальний факт про номенклатуру

Полісахариди названі загальним терміном глікан, тому найточніші номенклатури використовують, щоб дати ім’я, префікс «батьківський цукор» і закінчення «-ано». Наприклад, полісахарид на основі глюкозних одиниць можна назвати глюканом.

Приклади полісахаридів

В усьому тексті ми навели найпоширеніші приклади, які, безперечно, представляють цю велику групу макромолекул. Далі ми ще трохи розробимо деякі з них і згадаємо інші не менш важливі.

Глікоген та целюлоза, два полісахариди (Джерело: Sunshineconnelly в en.wikibooks / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5) через Wikimedia Commons, модифікований Ракелем Парадою Пуйг)

Целюлоза та хітин

Целюлоза, залишок полімеру глюкози, поряд з хітином, є залишком полімеру N-ацетил-глюкозаміну, одним з найпоширеніших полімерів на землі.

Хітинова молекула

Перша є основоположною частиною стінки, що покриває рослинні клітини, а остання знаходиться у клітинній стінці грибів та екзоскелетах членистоногих, неймовірно різноманітних та безхребетних тварин, включаючи комах та комах. ракоподібні, наприклад.

Обидва гомополісахариди однаково важливі не тільки для людини, але й для всіх екосистем біосфери, оскільки вони є структурною частиною організмів, що знаходяться в основі харчового ланцюга.

Глікоген і крохмаль

Полісахариди, за своїми численними функціями, служать матеріалом запасу енергії. Крохмаль виробляється в рослинах, а глікоген виробляється у тварин.

Обидва є гомополісахаридами, що складаються із залишків глюкози, які пов'язані через різні глікозидні зв’язки, представляючи численні гілки у досить складних моделях. За допомогою деяких білків два типи молекул можуть утворювати більш компактні гранули.

Крохмаль - це комплекс, що складається з двох різних полімерів глюкози: амілози та амілопектину. Амілоза - це лінійний полімер залишків глюкози, пов'язаний α-зв’язками (1 → 4), тоді як амілопектин є розгалуженим полімером, який зв’язується з амілозою через α-зв’язки (1 → 6).

Крохмальні зерна в клітині картоплі. Джерело: Ganymede / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

З іншого боку, глікоген також є полімером глюкозних одиниць, пов'язаних α (1 → 4) зв’язками та численними гілками, з'єднаними α (1 → 6) зв’язками. Це має значно більшу кількість гілок, ніж крохмаль.

Структура глікогену

Гепарин

Гепарин - це глікозаміноглікан, асоційований із сульфатними групами. Це гетерополісахарид, що складається з одиниць глюкуронової кислоти, багато з яких є етерифікованими та N-глюкозамін сульфатними одиницями, які мають додаткову сульфатну групу на своїх 6-вуглецевих сполуках, пов'язаних α (1 → 4) зв’язками.

Структура гепарину. Джерело зображення: Jü / CC0

Ця сполука зазвичай використовується як антикоагулянт, зазвичай призначається для лікування інфарктів та нестабільної стенокардії.

Інші полісахариди

Рослини виробляють багато речовин, багатих складними гетерополісахаридами, включаючи камедь та інші адгезивні або емульгуючі сполуки. Ці речовини часто багаті полімерами глюкуронової кислоти та інших цукрів.

Бактерії також виробляють гетерополісахариди, які багато разів вивільняються у навколишнє їх середовище, через що вони відомі як екзополісахариди.

Багато з цих речовин використовуються як желюючі агенти в харчовій промисловості, особливо ті, що синтезуються молочнокислими бактеріями.

Список літератури

1. De Vuyst, L., & Degeest, B. (1999). Гетерополісахариди з молочнокислих бактерій. Огляди мікробіології FEMS, 23 (2), 153-177.
2. Аспінелл, GO (Ред.). (2014). Полісахариди. Академічна преса.
3. Редактори Encyclopaedia Britannica (2019). Енциклопедія Британіка. Отримано 18 квітня 2020 року з веб-сайту www.britannica.com/science/polysaccharide
4. Диш, ZACHABIAS (1955). Цукри в полісахаридах. В Методи біохімічного аналізу (т. 2, с. 313-358). Інтершенс Нью-Йорк.
5. Браун-молодший, РМ (2004). Будова целюлози та біосинтез: що можна придбати для 21 століття? Журнал полімерної науки Частина A: Полімерна хімія, 42 (3), 487-495.
6. Плотва, PJ (2002). Глікоген та його метаболізм. Сучасна молекулярна медицина, 2 (2), 101-120. Ал полімеру Частина A: Полімерна хімія, 42 (3), 487-495.