Полисахариды ( / ˌ p ɒ l i ˈ s æ k ə r aɪ d / ) , или полиуглеводы , являются наиболее распространенными углеводами , встречающимися в пище . Они представляют собой длинноцепочечные полимерные углеводы , состоящие из моносахаридных единиц , связанных вместе гликозидными связями . Этот углевод может реагировать с водой ( гидролиз ) с использованием ферментов амилазы в качестве катализатора , что приводит к образованию составляющих сахаров ( моносахаридов или олигосахаридов ). Их структура варьируется от линейной до сильно разветвленной. Примерами являются полисахариды хранения , такие как крахмал , гликоген и галактоген , и структурные полисахариды , такие как гемицеллюлоза и хитин .
Полисахариды часто весьма неоднородны, содержат небольшие модификации повторяющейся единицы. В зависимости от структуры эти макромолекулы могут иметь свойства, отличные от свойств их моносахаридных строительных блоков. Они могут быть аморфными или даже нерастворимыми в воде. [1]
Когда все моносахариды в полисахариде одного типа, полисахарид называется гомополисахаридом или гомогликаном, но когда присутствует более одного типа моносахаридов, он называется гетерополисахаридом или гетерогликаном . [2] [3]
Природные сахариды обычно состоят из простых углеводов, называемых моносахаридами, с общей формулой (CH 2 O) n , где n равно трем или более. Примерами моносахаридов являются глюкоза , фруктоза и глицеральдегид . [4] Полисахариды, тем временем, имеют общую формулу C x (H 2 O) y , где x и y обычно являются большими числами между 200 и 2500. Когда повторяющиеся звенья в основной цепи полимера представляют собой шестиуглеродные моносахариды , как это часто бывает, общая формула упрощается до (C 6 H 10 O 5 ) n , где обычно 40 ≤ n ≤ 3000 .
Как правило, полисахариды содержат более десяти моносахаридных единиц, тогда как олигосахариды содержат от трех до десяти моносахаридных единиц, но точное пороговое значение несколько варьируется в зависимости от соглашения. Полисахариды являются важным классом биологических полимеров . Их функция в живых организмах обычно связана либо со структурой, либо с хранением. Крахмал (полимер глюкозы) используется в качестве запасного полисахарида в растениях, встречаясь как в форме амилозы , так и в форме разветвленного амилопектина . У животных структурно похожий полимер глюкозы — более густо разветвленный гликоген , иногда называемый «животным крахмалом». Свойства гликогена позволяют ему быстрее метаболизироваться, что подходит для активной жизни подвижных животных. У бактерий они играют важную роль в бактериальной многоклеточности. [5]
Целлюлоза и хитин являются примерами структурных полисахаридов. Целлюлоза используется в клеточных стенках растений и других организмов и считается самой распространенной органической молекулой на Земле. [6] Она имеет множество применений, таких как значительная роль в бумажной и текстильной промышленности и используется в качестве сырья для производства искусственного шелка (через вискозный процесс), ацетата целлюлозы, целлулоида и нитроцеллюлозы. Хитин имеет похожую структуру, но имеет азотсодержащие боковые ответвления, что увеличивает его прочность. Он обнаружен в экзоскелетах членистоногих и в клеточных стенках некоторых грибов . Он также имеет множество применений, включая хирургические нити . Полисахариды также включают каллозу или ламинарин , хризоламинарин , ксилан , арабиноксилан , маннан , фукоидан и галактоманнан .
Пищевые полисахариды являются распространенными источниками энергии. Многие организмы могут легко расщеплять крахмалы на глюкозу; однако большинство организмов не могут метаболизировать целлюлозу или другие полисахариды, такие как целлюлоза , хитин и арабиноксиланы . Некоторые бактерии и простейшие могут метаболизировать эти типы углеводов. Жвачные животные и термиты , например, используют микроорганизмы для переработки целлюлозы. [7]
Несмотря на то, что эти сложные полисахариды не очень легко усваиваются, они обеспечивают важные элементы питания для людей. Называемые пищевыми волокнами , эти углеводы улучшают пищеварение. Основное действие пищевых волокон заключается в изменении характера содержимого желудочно-кишечного тракта и того, как усваиваются другие питательные вещества и химические вещества. [8] [9] Растворимые волокна связываются с желчными кислотами в тонком кишечнике, что снижает вероятность их попадания в организм; это, в свою очередь, снижает уровень холестерина в крови. [10] Растворимые волокна также ослабляют всасывание сахара, снижают реакцию сахара после еды, нормализуют уровень липидов в крови и, после ферментации в толстой кишке, производят короткоцепочечные жирные кислоты в качестве побочных продуктов с широким спектром физиологической активности (обсуждение ниже). Хотя нерастворимые волокна связаны со снижением риска диабета, механизм, посредством которого это происходит, неизвестен. [11]
Пищевые волокна пока официально не предложены в качестве основного макроэлемента (по состоянию на 2005 год), однако они считаются важными для рациона питания, и регулирующие органы во многих развитых странах рекомендуют увеличить потребление клетчатки. [8] [9] [12] [13]
Крахмал — это полимер глюкозы , в котором единицы глюкопиранозы связаны альфа -связями. Он состоит из смеси амилозы (15–20%) и амилопектина (80–85%). Амилоза состоит из линейной цепи из нескольких сотен молекул глюкозы, а амилопектин — это разветвленная молекула, состоящая из нескольких тысяч единиц глюкозы (каждая цепь из 24–30 единиц глюкозы — это одна единица амилопектина). Крахмалы нерастворимы в воде . Их можно переваривать, разрывая альфа -связи (гликозидные связи). И у людей, и у других животных есть амилазы, поэтому они могут переваривать крахмалы. Картофель , рис , пшеница и кукуруза являются основными источниками крахмала в рационе человека. Образование крахмалов — это способы, которыми растения хранят глюкозу . [14]
Гликоген служит вторичным долгосрочным хранилищем энергии в клетках животных и грибов , при этом основные запасы энергии хранятся в жировой ткани . Гликоген вырабатывается в основном печенью и мышцами , но также может вырабатываться путем гликогенеза в мозге и желудке . [15]
Гликоген аналогичен крахмалу , полимеру глюкозы в растениях , и иногда его называют животным крахмалом , [16] имеющим структуру, похожую на амилопектин , но более разветвленную и компактную, чем крахмал. Гликоген представляет собой полимер α(1→4) гликозидных связей, связанных с α(1→6)-связанными ветвями. Гликоген находится в форме гранул в цитозоле /цитоплазме во многих типах клеток и играет важную роль в цикле глюкозы . Гликоген образует энергетический резерв, который может быть быстро мобилизован для удовлетворения внезапной потребности в глюкозе, но он менее компактен и более доступен в качестве энергетического резерва, чем триглицериды (липиды). [ необходима цитата ]
В гепатоцитах печени гликоген может составлять до 8 процентов (100–120 граммов у взрослого человека) от свежего веса вскоре после еды. [17] Только гликоген, хранящийся в печени, может быть доступен другим органам. В мышцах гликоген находится в низкой концентрации от одного до двух процентов от мышечной массы. Количество гликогена, хранящегося в организме, особенно в мышцах , печени и эритроцитах [18] [19] [20], варьируется в зависимости от физической активности, основного обмена веществ и привычек питания, таких как прерывистое голодание . Небольшие количества гликогена находятся в почках и еще меньшие количества в определенных глиальных клетках мозга и лейкоцитах . Матка также хранит гликоген во время беременности для питания эмбриона. [17]
Гликоген состоит из разветвленной цепи остатков глюкозы. Он в основном хранится в печени и мышцах. [21]
Галактоген — это полисахарид галактозы , который выполняет функцию хранилища энергии у легочных улиток и некоторых Caenogastropoda . [23] Этот полисахарид не участвует в размножении и содержится только в белковой железе репродуктивной системы самок улиток и в перивителлиновой жидкости яиц. [24] Кроме того, галактоген служит энергетическим резервом для развития эмбрионов и детенышей, который позже заменяется гликогеном у молодых и взрослых особей. [25]
Образованные путем сшивания наночастиц на основе полисахаридов и функциональных полимеров, галактогены находят применение в гидрогелевых структурах. Эти гидрогелевые структуры могут быть разработаны для высвобождения определенных фармацевтических наночастиц и/или инкапсулированных терапевтических средств с течением времени или в ответ на стимулы окружающей среды. [26]
Галактогены — это полисахариды с связывающим сродством к биоаналитам. При этом, путем конечного присоединения галактогенов к другим полисахаридам, составляющим поверхность медицинских устройств, галактогены используются в качестве метода захвата биоаналитов (например, CTC), метода высвобождения захваченных биоаналитов и метода анализа. [27]
Инулин — это природный полисахаридный сложный углевод, состоящий из фруктозы , растительной пищи, которую пищеварительные ферменты человека не могут полностью расщепить. Инулины относятся к классу пищевых волокон, известных как фруктаны . Инулин используется некоторыми растениями в качестве средства хранения энергии и обычно содержится в корнях или корневищах . Большинство растений, которые синтезируют и хранят инулин, не хранят другие формы углеводов, такие как крахмал . В Соединенных Штатах в 2018 году Управление по контролю за продуктами и лекарствами одобрило инулин в качестве ингредиента пищевых волокон, используемого для улучшения пищевой ценности производимых пищевых продуктов. [28]
Арабиноксиланы встречаются как в первичных, так и во вторичных клеточных стенках растений и являются сополимерами двух сахаров: арабинозы и ксилозы . Они также могут оказывать благотворное влияние на здоровье человека. [29]
Структурные компоненты растений в основном состоят из целлюлозы. Древесина в основном состоит из целлюлозы и лигнина , тогда как бумага и хлопок представляют собой почти чистую целлюлозу. Целлюлоза — это полимер , состоящий из повторяющихся единиц глюкозы, связанных вместе бета -связями. У людей и многих животных нет фермента, разрывающего бета -связи, поэтому они не переваривают целлюлозу. Некоторые животные, такие как термиты, могут переваривать целлюлозу, потому что в их кишечнике присутствуют бактерии, обладающие этим ферментом. Целлюлоза нерастворима в воде. Она не меняет цвет при смешивании с йодом. При гидролизе она дает глюкозу. Это самый распространенный углевод в природе. [30]
Хитин является одним из многих полимеров , встречающихся в природе . Он образует структурный компонент многих животных, таких как экзоскелеты . Со временем он становится биоразлагаемым в естественной среде. Его распад может катализироваться ферментами , называемыми хитиназами , которые выделяются микроорганизмами, такими как бактерии и грибы, и производятся некоторыми растениями. Некоторые из этих микроорганизмов имеют рецепторы к простым сахарам, образующимся при разложении хитина. Если хитин обнаружен, они производят ферменты для его переваривания путем расщепления гликозидных связей , чтобы преобразовать его в простые сахара и аммиак . [31]
Химически хитин тесно связан с хитозаном (более водорастворимым производным хитина). Он также тесно связан с целлюлозой, поскольку представляет собой длинную неразветвленную цепь производных глюкозы . Оба материала вносят свой вклад в структуру и прочность, защищая организм. [32]
Пектины — это семейство сложных полисахаридов, содержащих остатки 1,4-связанной α- D -галактозил уроновой кислоты. Они присутствуют в большинстве первичных клеточных стенок и в недревесных частях наземных растений. [33]
Кислотные полисахариды – это полисахариды, содержащие карбоксильные группы , фосфатные группы и/или группы серных эфиров . [34]
Полисахариды, содержащие сульфатные группы, могут быть выделены из водорослей [35] или получены путем химической модификации. [36]
Полисахариды — основные классы биомолекул. Это длинные цепи молекул углеводов, состоящие из нескольких более мелких моносахаридов. Эти сложные биомакромолекулы выполняют функции важного источника энергии в животной клетке и образуют структурный компонент растительной клетки. Это может быть гомополисахарид или гетерополисахарид в зависимости от типа моносахаридов.
Полисахариды могут представлять собой прямую цепь моносахаридов, известную как линейные полисахариды, или разветвленную цепь, известную как разветвленные полисахариды.
Патогенные бактерии обычно производят бактериальную капсулу , толстый, похожий на слизь слой полисахарида. Капсула скрывает антигенные белки на поверхности бактерий, которые в противном случае спровоцировали бы иммунный ответ и тем самым привели бы к разрушению бактерий. Капсульные полисахариды водорастворимы, обычно кислые и имеют молекулярную массу порядка 100 000–2 000 000 дальтон . Они линейны и состоят из регулярно повторяющихся субъединиц от одного до шести моносахаридов . Существует огромное структурное разнообразие; почти двести различных полисахаридов производятся только E. coli . Смеси капсульных полисахаридов, как конъюгированных , так и нативных, используются в качестве вакцин . [37]
Бактерии и многие другие микробы, включая грибки и водоросли , часто выделяют полисахариды, которые помогают им прикрепляться к поверхностям и предотвращают их высыхание. [38] Люди превратили некоторые из этих полисахаридов в полезные продукты, включая ксантановую камедь , декстран , велановую камедь , геллановую камедь , диутановую камедь и пуллулан .
Большинство этих полисахаридов проявляют полезные вязкоупругие свойства при растворении в воде в очень низких концентрациях. [39] Это делает различные жидкости, используемые в повседневной жизни, такие как некоторые продукты питания, лосьоны, чистящие средства и краски, вязкими в неподвижном состоянии, но гораздо более текучими, когда применяется даже небольшой сдвиг путем перемешивания или встряхивания, заливки, протирания или чистки. Это свойство называется псевдопластичностью или истончением при сдвиге ; изучение таких вопросов называется реологией . [ необходима цитата ]
Водные растворы полисахарида ведут себя любопытно при перемешивании: после прекращения перемешивания раствор сначала продолжает вращаться из-за импульса, затем замедляется до полной остановки из-за вязкости и на короткое время меняет направление перед остановкой. Эта отдача обусловлена упругим эффектом полисахаридных цепей, ранее растянутых в растворе, которые возвращаются в свое расслабленное состояние.
Полисахариды клеточной поверхности играют разнообразные роли в экологии и физиологии бактерий . Они служат барьером между клеточной стенкой и окружающей средой, опосредуют взаимодействия хозяина и патогена. Полисахариды также играют важную роль в формировании биопленок и структурировании сложных форм жизни у бактерий, таких как Myxococcus xanthus [5] .
Эти полисахариды синтезируются из нуклеотид -активированных предшественников (называемых нуклеотидными сахарами ), и в большинстве случаев все ферменты, необходимые для биосинтеза, сборки и транспортировки готового полимера, кодируются генами, организованными в специальные кластеры в геноме организма . Липополисахарид является одним из важнейших полисахаридов клеточной поверхности, поскольку он играет ключевую структурную роль в целостности внешней мембраны, а также является важным посредником во взаимодействиях хозяина и патогена.
Были идентифицированы ферменты, которые создают A-band (гомополимерный) и B-band (гетерополимерный) O-антигены, и определены метаболические пути . [40] Экзополисахарид альгинат представляет собой линейный сополимер β-1,4-связанных остатков D -маннуроновой кислоты и L -гулуроновой кислоты и отвечает за мукоидный фенотип поздней стадии кистозного фиброза. Локусы pel и psl — это два недавно обнаруженных кластера генов, которые также кодируют экзополисахариды, которые, как было установлено, важны для образования биопленки. Рамнолипид — это биосурфактант, продукция которого строго регулируется на уровне транскрипции , но точная роль, которую он играет в заболевании, в настоящее время не совсем понятна. Гликозилирование белков , в частности пилина и флагеллина , стало предметом исследований нескольких групп примерно с 2007 года и, как было показано, важно для адгезии и инвазии во время бактериальной инфекции. [41]
Полисахариды с незащищенными вицинальными диолами или аминосахарами (где некоторые гидроксильные группы заменены аминами ) дают положительную окраску периодической кислотой Шиффа (PAS). Список полисахаридов, которые окрашиваются PAS, длинный. Хотя муцины эпителиального происхождения окрашиваются PAS, муцины соединительнотканного происхождения имеют так много кислотных замен, что у них не остается достаточного количества гликолевых или аминоспиртовых групп для реакции с PAS. [ необходима цитата ]
С помощью химических модификаций можно улучшить некоторые свойства полисахаридов. Различные лиганды могут быть ковалентно присоединены к их гидроксильным группам. Благодаря ковалентному присоединению метил-, гидроксиэтил- или карбоксиметил-групп на целлюлозе , например, могут быть введены высокие свойства набухания в водных средах. [42]
Другим примером являются тиолированные полисахариды. [43] (См. тиомеры .) Тиоловые группы ковалентно присоединены к полисахаридам, таким как гиалуроновая кислота или хитозан . [44] [45] Поскольку тиолированные полисахариды могут сшиваться посредством образования дисульфидных связей, они образуют стабильные трехмерные сети. Кроме того, они могут связываться с цистеиновыми субъединицами белков посредством дисульфидных связей. Благодаря этим связям полисахариды могут быть ковалентно присоединены к эндогенным белкам, таким как муцины или кератины. [43]