ПОЛИЗАХАРИДИ: ХАРАКТЕРИСТИКИ, СТРУКТУРА, КЛАСИФИКАЦИЯ, ПРИМЕРИ - БИОЛОГИЯ - 2024

На полизахариди, често наричани гликани, са химични съединения с високо молекулно тегло, образуван от повече от 10 единици на отделните захари (монозахариди). С други думи, те са монозахаридни полимери, свързани заедно чрез гликозидни връзки.

Това са много често срещани молекули в природата, тъй като те се срещат във всички живи същества, където те изпълняват голямо разнообразие от функции, много от които все още се изучават. Те се считат за най-големият източник на възобновяеми природни ресурси на земята.

Структура на целулоза, хомополизахарид (Източник: http://www.monografias.com/trabajos46/celulosa-madera/celulosa-madera2.shtml / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa /4.0) през Wikimedia Commons)

Стената на растителните клетки например е изградена от един от най-разпространените полизахариди в биосферата: целулоза.

Това съединение, съставено от многократни единици на монозахарид, наречен глюкоза, служи като храна за хиляди микроорганизми, гъби и животни, в допълнение към функциите, които има за поддържане структурата на растенията.

Човекът с течение на времето успя да се възползва от целулозата за практически цели: използва памук за изработка на дрехи, "целулозата" на дърветата, за да направи хартия и т.н.

Друг много изобилен полизахарид, също произведен от растенията и от голямо значение за човека, е нишестето, тъй като е един от основните източници на въглерод и енергия. Той е в зърната на зърнените култури, в грудките и т.н.

Характеристики на полизахаридите

- Те са макромолекули с много високо молекулно тегло

- Съставени са главно от въглеродни, водородни и кислородни атоми

- Те са много разнообразни в структурно и функционално отношение

- Те съществуват на практика във всички живи същества на земята: растения, животни, бактерии, протозои и гъби

- Някои полизахариди са силно разтворими във вода, а други не, което обикновено зависи от наличието на клони в структурата им

- Те работят в съхранението на енергия, в клетъчната комуникация, в структурната поддръжка на клетки и тъкани и др.

- Хидролизата му обикновено води до отделяне на отделни остатъци (монозахариди)

- Те могат да бъдат намерени като част от по-сложни макромолекули, като например въглехидратната част на много гликопротеини, гликолипиди и др.

структура

Както обсъждахме в началото, полизахаридите са полимери с повече от 10 остатъци от захар или монозахарид, които са свързани заедно чрез глюкозидни връзки.

Въпреки че те са изключително разнообразни молекули (има безкрайно разнообразие от възможни структурни типове), най-често срещаните монозахариди, намиращи се в структурата на полизахарид, са захарите на пентозата и хексозите, тоест захарите с 5 и 6 въглеродни атома, съответно.

разнообразие

Разнообразието на тези макромолекули се състои във факта, че в допълнение към различните захари, които могат да ги съставят, всеки захарен остатък може да бъде в две различни циклични форми: фураноза или пираноза (само тези захари с 5 и 6 въглеродни атома).

Освен това, гликозидните връзки могат да бъдат в α- или β-конфигурация и, ако това не е достатъчно, образуването на тези връзки може да включва заместване на една или повече хидроксилни групи (-OH) в съседния остатък.

Те могат също да бъдат образувани от захари с разклонени вериги, от захари без една или повече хидроксилни групи (-OH) и от захари с повече от 6 въглеродни атома, както и от различни производни на монозахариди (често срещани или не).

Графично представяне на линеен и разклонен полизахарид (Източник: jphwang / Public domain, via Wikimedia Commons), модифициран от Raquel Parada Puig

Линейните полизахариди на веригата обикновено са по-добре „опаковани“ в твърди или негъващи структури и са неразтворими във вода, за разлика от разклонените полизахариди, които са силно разтворими във вода и образуват „пастообразни“ структури във водни разтвори.

Класификация на полизахариди

Класификацията на полизахаридите обикновено се основава на естественото им възникване, но все по-често е класифицирането им според тяхната химическа структура.

Много автори считат, че най-добрият начин за класифициране на полизахариди се основава на вида захари, които ги съставят, според които са дефинирани две големи групи: тази на хомополизахаридите и тази на хетерополизахаридите.

Хомополизахариди или хомогликани

Тази група включва всички полизахариди, които са съставени от еднакви захарни или монозахаридни единици, тоест те са хомополимери на един и същ вид захар.

Най-простите хомополизахариди са тези с линейна конформация, при които всички остатъци от захар са свързани чрез един и същ тип химична връзка. Целулозата е добър пример: това е полизахарид, съставен от глюкозни остатъци, свързани с β връзки (1 → 4).

Съществуват обаче по-сложни хомополизахариди и те са тези, които имат повече от един вид връзка в линейна верига и дори могат да имат клонове.

Примери за много често срещани в природата хомополизахариди са целулоза, гликоген и нишесте, всички съставени от повтарящи се глюкозни единици; Тази група включва и хитин, който се състои от повтарящи се единици на N-ацетил-глюкозамин, производно на глюкоза.

Тогава в литературата има други, по-малко популярни като фруктани (съставени от единици фруктоза), пентозани (съставени от арабиноза или ксилоза) и пектини (съставени от производни на галактуронова киселина, получени от своя страна от галактоза).

Хетерополизахариди или хетерогликани

В тази група, от друга страна, са класифицирани всички онези полизахариди, които са съставени от два или повече различни вида захари, тоест те са хетерополимери на различни захари.

Най-простите хетерополизахариди се образуват от два различни остатъка от захар (или производни на захари), които могат (1) да бъдат в една и съща линейна верига или (2) едната да образува главна линейна верига, а другата да образува странични вериги.

Въпреки това може да има хетерополизахариди, съставени от повече от 2 вида силно разклонени или несъдържащи захар остатъци.

Много от тези молекули се свързват с протеини или липиди, образувайки гликопротеини и гликолипиди, които са много изобилни в животинските тъкани.

Много често срещани примери за хетерополизахариди са тези, които са част от мукополизахариди, като хиалуронова киселина, широко разпространени сред животните и състоящи се от остатъци от глюкуронова киселина, свързани с остатъци от N-ацетил-D-глюкозамин.

Хрущялът, присъстващ при всички гръбначни животни, също има изобилни хетерополизахариди, особено хондроитин сулфат, който е съставен от повтарящи се единици глюкуронова киселина и N -ацетил-D-галактозамин.

Общ факт за номенклатурата

Полизахаридите са кръстени с родовия термин гликан, така че най-точните номенклатури използват, за да дадат име, префикса на „родителска захар“ и завършек „-ано“. Например, полизахарид на базата на глюкозни единици може да се нарече глюкан.

Примери за полизахариди

В целия текст сме цитирали най-често срещаните примери, които несъмнено представляват тази голяма група макромолекули. По-нататък ще разработим някои от тях малко повече и ще споменем и други също толкова важни.

Гликоген и целулоза, два полизахарида (Източник: Sunshineconnelly в en.wikibooks / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5) чрез Wikimedia Commons, модифицирано от Raquel Parada Puig)

Целулоза и хитин

Целулоза, полимер на глюкозен остатък, заедно с хитин, е N-ацетил-глюкозаминов остатъчен полимер, един от най-разпространените полимери на земята.

Хитинова молекула

Първата е основна част от стената, покриваща растителни клетки, а втората е в клетъчната стена на гъбичките и екзоскелета на членестоноги, невероятно разнообразни и изобилни безгръбначни животни, включително насекоми и насекоми. ракообразни, например.

И двата хомополизахарида са еднакво важни не само за човека, но и за всички екосистеми в биосферата, тъй като образуват структурна част от организмите, които са в основата на хранителната верига.

Гликоген и нишесте

Полизахаридите, сред множеството си функции, служат като материал за запас на енергия. Нишестето се произвежда в растенията, а гликогенът се произвежда при животни.

И двете са хомополизахариди, съставени от глюкозни остатъци, които са свързани чрез различни гликозидни връзки, представяйки многобройни клонове в доста сложни модели. С помощта на някои протеини двата вида молекули могат да образуват по-компактни гранули.

Нишестето е комплекс, съставен от два различни глюкозни полимера: амилоза и амилопектин. Амилозата е линеен полимер на глюкозни остатъци, свързани с α (1 → 4) връзки, докато амилопектинът е разклонен полимер, който се свързва с амилозата чрез α (1 → 6) връзки.

Нишестените зърна в картофена клетка. Източник: Ganymede / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Гликогенът, от друга страна, е също полимер на глюкозни единици, свързани с α връзки (1 → 4) и с многобройни клони, свързани с α връзки (1 → 6). Това има значително по-голям брой клони от нишестето.

Структура на гликоген

хепарин

Хепаринът е гликозаминогликан, свързан със сулфатни групи. Това е хетерополизахарид, съставен от единици глюкуронова киселина, много от които са естерифицирани и N-глюкозамин сулфатни единици, които имат допълнителна сулфатна група върху своите 6-въглеродни връзки, свързани с α (1 → 4) връзки.

Структура на хепарина. Източник на изображение: Jü / CC0

Това съединение обикновено се използва като антикоагулант, обикновено се предписва за лечение на инфаркти и нестабилна ангина пекторис.

Други полизахариди

Растенията произвеждат много вещества, богати на сложни хетерополизахариди, включително смоли и други адхезивни или емулгиращи съединения. Тези вещества често са богати на полимери на глюкуронова киселина и други захари.

Бактериите също произвеждат хетерополизахариди, които много пъти се отделят в околната среда, която ги заобикаля, поради което са известни като екзополизахариди.

Много от тези вещества се използват като желиращи агенти в хранителната промишленост, особено тези, синтезирани от млечнокисели бактерии.

Препратки

1. De Vuyst, L., & Degeest, B. (1999). Хетерополизахариди от млечнокисели бактерии. FEMS микробиологични прегледи, 23 (2), 153-177.
2. Aspinall, GO (Ed.). (2014). Полисахаридите. Академична преса.
3. Редакторите на Encyclopaedia Britannica (2019). Енциклопедия Британика. Произведено на 18 април 2020 г. от www.britannica.com/science/polysaccharide
4. Dische, ZACHABIAS (1955). Захари в полизахариди. В Методи за биохимичен анализ (том 2, стр. 313-358). Interscience Ню Йорк.
5. Браун младши, РМ (2004). Целулозна структура и биосинтеза: какво се предлага за 21 век? Journal of Polymer Science Част A: Полимерна химия, 42 (3), 487-495.
6. Roach, PJ (2002). Гликоген и неговият метаболизъм. Текуща молекулярна медицина, 2 (2), 101 - 120. Al of Polymer Science Част A: Полимерна химия, 42 (3), 487-495.