POLYSACHARIDY: VLASTNOSTI, STRUKTURA, KLASIFIKACE, PŘÍKLADY - BIOLOGIE - 2025

Tyto polysacharidy, často nazývané glykany, jsou chemické sloučeniny s vysokou molekulovou hmotností, tvořené více než 10 jednotek jednotlivé cukry (monosacharidy). Jinými slovy, jedná se o monosacharidové polymery spojené dohromady glykosidickými vazbami.

Jedná se o velmi běžné molekuly v přírodě, protože se vyskytují ve všech živých bytostech, kde vykonávají celou řadu funkcí, z nichž mnohé jsou stále studovány. Jsou považovány za největší zdroj obnovitelných přírodních zdrojů na Zemi.

Struktura celulózy, homopolysacharidu (Zdroj: http://www.monografias.com/trabajos46/celulosa-madera/celulosa-madera2.shtml / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa) /4.0) prostřednictvím Wikimedia Commons)

Například stěna rostlinných buněk je tvořena jedním z nejhojnějších polysacharidů v biosféře: celulózou.

Tato sloučenina, tvořená opakovanými jednotkami monosacharidu zvaného glukóza, slouží jako potrava pro tisíce mikroorganismů, hub a zvířat, kromě jejích funkcí při udržování struktury rostlin.

Mužovi se postupem času podařilo využít celulózy pro praktické účely: používá bavlnu k výrobě oděvů, „buničinu“ stromů k výrobě papíru atd.

Dalším velmi hojným polysacharidem, který také produkují rostliny a který má pro člověka velký význam, je škrob, protože je jedním z hlavních zdrojů uhlíku a energie. Je to v zrnech obilovin, hlíz atd.

Vlastnosti polysacharidů

- Jsou to makromolekuly s velmi vysokou molekulovou hmotností

- Skládají se převážně z atomů uhlíku, vodíku a kyslíku

- Jsou strukturálně a funkčně velmi různí

- Existují prakticky ve všech živých bytostech na Zemi: rostliny, zvířata, bakterie, prvoky a houby

- Některé polysacharidy jsou vysoce rozpustné ve vodě a jiné nejsou, což obvykle závisí na přítomnosti větví v jejich struktuře

- Pracují v ukládání energie, v buněčné komunikaci, ve strukturální podpoře buněk a tkání atd.

- Jeho hydrolýza obecně vede k uvolňování jednotlivých zbytků (monosacharidů)

- Lze je nalézt jako součást složitějších makromolekul, jako je sacharidová část mnoha glykoproteinů, glykolipidů atd.

Struktura

Jak jsme již zmínili na začátku, polysacharidy jsou polymery s více než 10 zbytky cukrů nebo monosacharidů, které jsou spojeny glukosidickými vazbami.

Ačkoli se jedná o extrémně rozmanité molekuly (existuje nekonečná řada možných strukturních typů), nejběžnějšími monosacharidy nalezenými ve struktuře polysacharidů jsou pentózové a hexosové cukry, tj. Cukry s 5 a 6 atomy uhlíku.

Rozmanitost

Rozmanitost těchto makromolekul spočívá v tom, že kromě různých cukrů, které je mohou tvořit, může být každý cukerný zbytek ve dvou různých cyklických formách: furanóza nebo pyranóza (pouze ty cukry s 5 a 6 atomy uhlíku).

Glykosidické vazby mohou být dále v a- nebo p- konfiguraci a, jak by to nestačilo, vytvoření těchto vazeb by mohlo zahrnovat substituci jedné nebo více hydroxylových skupin (-OH) v sousedním zbytku.

Mohou být také tvořeny cukry s rozvětvenými řetězci, cukry bez jedné nebo více hydroxylových skupin (-OH) a cukry s více než 6 atomy uhlíku, jakož i různými deriváty monosacharidů (běžných nebo ne).

Grafické znázornění lineárního a rozvětveného polysacharidu (Zdroj: jphwang / Public domain, přes Wikimedia Commons), upravené Raquel Parada Puig

Polysacharidy s lineárním řetězcem se obecně lépe lepí do tuhých nebo nepružných struktur a jsou nerozpustné ve vodě, na rozdíl od rozvětvených polysacharidů, které jsou vysoce rozpustné ve vodě a vytvářejí "pastovité" struktury ve vodných roztocích.

Klasifikace polysacharidů

Klasifikace polysacharidů je obvykle založena na jejich přirozeném výskytu, je však stále častější klasifikovat je podle jejich chemické struktury.

Mnoho autorů se domnívá, že nejlepší způsob klasifikace polysacharidů je založen na typu cukrů, které je tvoří, podle kterých byly definovány dvě velké skupiny: homopolysacharidy a heteropolysacharidy.

Homopolysacharidy nebo homoglykany

Tato skupina zahrnuje všechny polysacharidy, které jsou vyrobeny ze stejných cukrových nebo monosacharidových jednotek, tj. Jsou to homopolymery stejného typu cukru.

Nejjednodušší homopolysacharidy jsou ty s lineární konformací, ve které jsou všechny cukerné zbytky spojeny stejným typem chemické vazby. Celulóza je dobrým příkladem: je to polysacharid složený z glukózových zbytků spojených p vazbami (1 → 4).

Existují však složitější homopolysacharidy a jsou to ty, které mají více než jeden typ vazby v lineárním řetězci a mohou mít dokonce i větve.

Příklady homopolysacharidů, které jsou v přírodě velmi běžné, jsou celulóza, glykogen a škrob, všechny z opakujících se jednotek glukózy; Tato skupina také zahrnuje chitin, který sestává z opakujících se jednotek N-acetylglukosaminu, derivátu glukózy.

Dále jsou v literatuře méně populární, jako jsou fruktany (tvořené fruktózovými jednotkami), pentosany (tvořené arabinózou nebo xylózou) a pektiny (tvořené deriváty kyseliny galakturonové, odvozené zase z galaktózy).

Heteropolysacharidy nebo heteroglykany

Na druhé straně v rámci této skupiny jsou klasifikovány všechny polysacharidy, které jsou složeny ze dvou nebo více různých typů cukrů, tj. Jsou to heteropolymery různých cukrů.

Nejjednodušší heteropolysacharidy jsou tvořeny dvěma odlišnými cukernými zbytky (nebo deriváty cukrů), které (1) mohou být ve stejném lineárním řetězci nebo (2) mohou tvořit jeden hlavní lineární řetězec a další tvořící postranní řetězce.

Mohou však existovat také heteropolysacharidy tvořené z více než 2 typů vysoce větvených nebo nesladkých zbytků.

Mnoho z těchto molekul se sdružuje s proteiny nebo lipidy a vytváří glykoproteiny a glykolipidy, které jsou velmi hojné ve zvířecích tkáních.

Velmi častými příklady heteropolysacharidů jsou ty, které jsou součástí mukopolysacharidů, jako je kyselina hyaluronová, široce distribuované mezi zvířaty a skládající se ze zbytků kyseliny glukuronové navázaných na zbytky N-acetyl-D-glukosaminu.

Chrupavka, přítomná u všech obratlovců, má také hojné heteropolysacharidy, zejména chondroitin sulfát, který se skládá z opakujících se jednotek kyseliny glukuronové a N-acetyl-D-galaktosaminu.

Obecný fakt o nomenklatuře

Polysacharidy jsou pojmenovány s obecným termínem glykan, takže nejpřesnější nomenklatury používají název, předponu „rodičovský cukr“ a koncový „-ano“. Například polysacharid založený na glukózových jednotkách může být nazýván glukan.

Příklady polysacharidů

V celém textu jsme citovali nejčastější příklady, které nepochybně představují tuto velkou skupinu makromolekul. Dále některé z nich rozvineme o něco více a zmíníme další stejně důležité.

Glykogen a celulóza, dva polysacharidy (Zdroj: Sunshineconnelly na en.wikibooks / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5) prostřednictvím Wikimedia Commons, upraveno Raquel Parada Puig)

Celulóza a chitin

Celulóza, polymer glukózových zbytků, je spolu s chitinem polymer N-acetyl-glukosaminových zbytků, jeden z nejhojnějších polymerů na Zemi.

Chitinová molekula

První z nich je základní součástí rostlin pokrývající rostlinné buňky a druhý je v buněčné stěně hub a exoskeletu členovců, neuvěřitelně rozmanitých a hojných bezobratlých živočichů včetně hmyzu a hmyzu. například korýši.

Oba homopolysacharidy jsou stejně důležité nejen pro člověka, ale pro všechny ekosystémy v biosféře, protože tvoří strukturální část organismů, které jsou základem potravního řetězce.

Glykogen a škrob

Polysacharidy, mezi jejich více funkcemi, slouží jako energetický rezervní materiál. Škrob je produkován v rostlinách a glykogen je produkován u zvířat.

Oba jsou homopolysacharidy složené z reziduí glukózy, které jsou spojeny různými glykosidickými vazbami, které vykazují četné větve v poměrně složitých vzorcích. S pomocí některých proteinů mohou tyto dva typy molekul vytvářet kompaktnější granule.

Škrob je komplex složený ze dvou různých glukózových polymerů: amylózy a amylopektinu. Amylóza je lineární polymer glukózových zbytků spojených vazbami α (1 → 4), zatímco amylopektin je rozvětvený polymer, který se váže na amylózu prostřednictvím vazeb α (1 → 6).

Zrna škrobu v bramborové buňce. Zdroj: Ganymede / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Glykogen je naproti tomu také polymer glukózových jednotek spojených vazbami α (1 → 4) a s mnoha větvemi spojenými vazbami α (1 → 6). To má výrazně vyšší počet větví než škrob.

Struktura glykogenu

Heparin

Heparin je glykosaminoglykan spojený se sulfátovými skupinami. Je to heteropolysacharid složený z jednotek kyseliny glukuronové, z nichž mnohé jsou esterifikované, a jednotek N-glukosamin sulfátu, které mají na svém 6-uhlíku navázanou další sulfátovou skupinu vázanou a (1 → 4) vazbami.

Struktura heparinu. Zdroj obrázku: Jü / CC0

Tato sloučenina se běžně používá jako antikoagulant, obvykle se předepisuje k léčbě srdečních záchvatů a nestabilní anginy pectoris.

Ostatní polysacharidy

Rostliny produkují mnoho látek bohatých na komplexní heteropolysacharidy, včetně gum a dalších adhezivních nebo emulgačních sloučenin. Tyto látky jsou často bohaté na polymery kyseliny glukuronové a dalších cukrů.

Bakterie také produkují heteropolysacharidy, které se mnohokrát uvolňují do prostředí, které je obklopuje, a proto jsou známé jako exopolysacharidy.

Mnoho z těchto látek se používá jako gelující činidla v potravinářském průmyslu, zejména ty, které jsou syntetizovány bakteriemi mléčného kvašení.

Reference

1. De Vuyst, L., & Degeest, B. (1999). Heteropolysacharidy z bakterií kyseliny mléčné. Mikrobiologické recenze FEMS, 23 (2), 153-177.
2. Aspinall, GO (Ed.). (2014). Polysacharidy. Academic Press.
3. Editors of Encyclopaedia Britannica (2019). Encyklopedie Britannica. Získáno 18. dubna 2020, z www.britannica.com/science/polysaccharide
4. Dische, ZACHABIAS (1955). Cukry v polysacharidech. In Methods of biochemical analysis (svazek 2, str. 313-358). Interscience New York.
5. Brown Jr, RM (2004). Struktura celulózy a biosyntéza: co je v zásobě pro 21. století? Journal of Polymer Science Část A: Polymer Chemistry, 42 (3), 487-495.
6. Roach, PJ (2002). Glykogen a jeho metabolismus. Aktuální molekulární medicína, 2 (2), 101 - 120. Al of Polymer Science Část A: Polymer Chemistry, 42 (3), 487-495.