Полисахариды ( / ˌ p ɒ l i ˈ s æ k ə r aɪ d / ), или полиуглеводы , являются наиболее распространенными углеводами, содержащимися в пище . Это полимерные углеводы с длинной цепью, состоящие из моносахаридных единиц, связанных между собой гликозидными связями . Этот углевод может реагировать с водой ( гидролиз ) с использованием ферментов амилазы в качестве катализатора, в результате чего образуются составляющие сахара ( моносахариды или олигосахариды ). Их структура варьируется от линейной до сильно разветвленной. Примеры включают запасные полисахариды, такие как крахмал , гликоген и галактоген , а также структурные полисахариды, такие как целлюлоза и хитин .
Полисахариды часто весьма гетерогенны и содержат небольшие модификации повторяющейся единицы. В зависимости от структуры эти макромолекулы могут иметь свойства, отличные от свойств моносахаридных строительных блоков. Они могут быть аморфными или даже нерастворимыми в воде. [1]
Когда все моносахариды в полисахариде относятся к одному типу, полисахарид называется гомополисахаридом или гомогликаном, но когда присутствует более одного типа моносахарида, они называются гетерополисахаридами или гетерогликанами . [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] Между тем, полисахариды имеют общую формулу C x (H 2 O) y , где x и y обычно представляют собой большие числа от 200 до 2500. Когда повторяющиеся звенья в основной цепи полимера представляют собой шестиуглеродные моносахариды , как это часто бывает В этом случае 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 общепринятых норм. Полисахариды — важный класс биологических полимеров . Их функция в живых организмах обычно связана либо со структурой, либо с хранением. Крахмал (полимер глюкозы) используется в растениях в качестве запасного полисахарида и встречается как в форме амилозы , так и в форме разветвленного амилопектина . У животных структурно подобный полимер глюкозы представляет собой более плотно 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 многоклеточности бактерий. [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] Он имеет множество применений, например, играет важную роль в бумажной и текстильной промышленности, а также используется в качестве сырья для производства вискозы (посредством вискозного процесса ), ацетата целлюлозы, целлулоида и нитроцеллюлозы. Хитин имеет аналогичную структуру, но имеет боковые разветвления, содержащие азот , 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 протисты могут метаболизировать эти типы углеводов. Жвачные животные и термиты , например, используют микроорганизмы для переработки целлюлозы . [7]
Несмотря на то, что эти сложные полисахариды плохо усваиваются, они являются важными элементами питания для человека. Эти углеводы, называемые пищевыми волокнами , улучшают пищеварение. Основное действие пищевых волокон заключается в изменении характера содержимого желудочно -кишечного тракта и способа всасывания других питательных веществ и химических веществ. [8] [9] Растворимая клетчатка связывается с желчными кислотами в тонком кишечнике, что снижает вероятность их попадания в организм; это, в свою очередь, снижает уровень холестерина в крови. [10] Растворимая клетчатка также ослабляет всасывание сахара, снижает реакцию сахара после еды, нормализует уровень липидов в крови и после ферментации в толстой кишке производит короткоцепочечные жирные кислоты в качестве побочных продуктов с широким диапазоном физиологической активности (обсуждение ниже). Хотя нерастворимая клетчатка связана со снижением риска диабета, механизм, посредством которого это происходит, неизвестен. [11]
Пищевая клетчатка еще официально не предложена в качестве основного макронутриента (по состоянию на 2005 год), тем не менее, она считается важной для рациона, и регулирующие органы во многих развитых странах рекомендуют увеличить потребление клетчатки. [8] [9] [12] [13]
Крахмал представляет собой полимер глюкозы , в котором глюкопиранозные звенья 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 представляет собой разветвленную молекулу, состоящую из нескольких тысяч единиц глюкозы (каждая цепочка из 24–30 единиц глюкозы представляет собой одну единицу амилопектина). Крахмалы нерастворимы в воде . Их можно переваривать, разрывая альфа -связи (гликозидные связи). И у людей, и у других животных есть амилазы, позволяющие им переваривать крахмалы. Картофель , рис , пшеница и кукуруза являются основными источниками крахмала в рационе человека. Крахмальные образования — это способ хранения глюкозы растениями . [14]
Гликоген служит вторичным долговременным хранилищем энергии в клетках животных и грибов , при этом первичные 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] он имеет структуру, аналогичную амилопектину , но более разветвленную и компактную, чем крахмал. Гликоген представляет собой полимер α(1→4) гликозидных связей, связанных α(1→6)-связанными ветвями. Гликоген содержится в форме гранул в цитозоле /цитоплазме многих типов клеток и играет важную роль в цикле глюкозы . Гликоген образует энергетический резерв, который можно быстро мобилизовать для удовлетворения внезапной потребности в глюкозе, но он менее компактен и более доступен в качестве энергетического резерва, чем триглицериды (липиды). [ нужна цитата ]
В гепатоцитах печени гликоген может составлять до 8 процентов (100–120 грамм у взрослого) свежего веса вскоре после еды. [17] Только гликоген, хранящийся в печени, может быть доступен другим органам. В мышцах гликоген содержится в низкой концентрации – от одного до двух процентов мышечной массы. Количество гликогена, хранящегося в организме, особенно в мышцах , печени и эритроцитах [18, 19, 20] , варьируется в зависимости от физической активности, уровня основного обмена и привычек питания, таких как прерывистое голодание . Небольшие количества гликогена обнаруживаются в почках и еще меньшие количества в некоторых глиальных клетках головного мозга и лейкоцитах . Матка также сохраняет гликоген во время беременности для питания эмбриона. [17]
Гликоген состоит из разветвленной цепи остатков глюкозы. Он хранится в печени и мышцах. [ нужна цитата ]
Галактоген представляет собой полисахарид галактозы , который действует как хранилище энергии у легочных улиток и некоторых Caenogastropoda . [22] Этот полисахарид не участвует в размножении и обнаруживается только в белковой железе репродуктивной системы самки улитки и в перивителлиновой жидкости яиц. [23] Кроме того, галактоген служит энергетическим резервом для развития эмбрионов и детенышей, который позже заменяется гликогеном у молодых и взрослых особей. [24]
Галактогены , образующиеся в результате сшивания наночастиц на основе полисахаридов и функциональных полимеров, находят применение в структурах гидрогелей. Эти гидрогелевые структуры могут быть предназначены для высвобождения определенных фармацевтических наночастиц и/или инкапсулированных терапевтических средств с течением времени или в ответ на стимулы окружающей среды. [25]
Галактогены представляют собой полисахариды, обладающие сродством связывания с биоаналитами. При этом, благодаря конечному присоединению галактогенов к другим полисахаридам, составляющим поверхность медицинских устройств, галактогены можно использовать в качестве метода захвата биоаналитов (например, ЦТК), метода высвобождения захваченных биоаналитов и метода анализа. [26]
Инулин — это природный полисахаридный сложный углевод , состоящий из фруктозы , пищи растительного происхождения, 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 2018 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило инулин в качестве ингредиента пищевых волокон, используемого для повышения пищевой ценности промышленных пищевых продуктов. [27]
Арабиноксиланы встречаются как в первичных, так и во вторичных клеточных стенках растений и представляют собой сополимеры двух сахаров: арабинозы и ксилозы . Они также могут оказывать благотворное влияние на здоровье человека. [28]
Структурные компоненты растений образуются преимущественно из целлюлозы . Древесина в основном состоит из целлюлозы и лигнина , тогда как бумага и хлопок представляют собой почти чистую целлюлозу. Целлюлоза представляет собой полимер , состоящий из повторяющихся звеньев глюкозы, связанных между собой бета -связями. У людей и многих животных отсутствует фермент, разрывающий бета -связи, поэтому они не переваривают целлюлозу. Некоторые животные, например термиты , могут переваривать целлюлозу, поскольку в их кишечнике присутствуют бактерии, обладающие этим ферментом. Целлюлоза нерастворима в воде. Не меняет цвет при смешивании с йодом. При гидролизе образуется глюкоза. Это самый распространенный углевод в природе. [29]
Хитин — один из многих встречающихся в природе полимеров . Он образует структурный компонент многих животных, например, экзоскелеты . Со временем он биоразлагается в естественной среде. Его расщепление может катализироваться ферментами , называемыми хитиназами , выделяемыми микроорганизмами, такими как бактерии и грибы , и вырабатываемыми некоторыми растениями. Некоторые из этих микроорганизмов имеют рецепторы к простым сахарам, образующимся в результате разложения хитина. Если хитин обнаружен, они затем производят ферменты для его переваривания, расщепляя гликозидные связи и превращая его в простые сахара и аммиак .
По химическому составу 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 придают структуру и прочность, защищая организм. [30]
Пектины представляют собой семейство сложных полисахаридов, содержащих 1,4-связанные остатки α- D -галактозилуроновой кислоты. Они присутствуют в большинстве первичных клеточных стенок и в недревесных частях наземных растений. [31]
Кислые полисахариды представляют собой полисахариды, которые содержат карбоксильные группы , фосфатные группы и/или группы сложного эфира серной кислоты . [32]
Полисахариды, содержащие сульфатные группы, могут быть выделены из водорослей [33] или получены путем химической модификации. [34]
Полисахариды представляют собой основные классы биомолекул. Они представляют собой длинные цепочки углеводных молекул, состоящие из нескольких более мелких моносахаридов. Эти сложные биомакромолекулы действуют как важный источник 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 моносахариды с прямой цепью, известные как линейные полисахариды, или они могут быть разветвленными, известными как разветвленные полисахариды.
Патогенные бактерии обычно образуют бактериальную капсулу — толстый, похожий на слизь слой полисахарида. Капсула скрывает антигенные белки на поверхности бактерий, которые в противном случае могли бы спровоцировать иммунный ответ и тем самым привести к уничтожению 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; Только кишечная палочка производит около двухсот различных полисахаридов . В качестве вакцин используют смеси капсульных полисахаридов, как конъюгированных , так и нативных . [ нужна цитата ]
Бактерии и многие другие микробы, включая грибы и водоросли , часто выделяют полисахариды, которые помогают им прикрепляться к поверхностям и предотвращают их высыхание. Люди превратили некоторые из этих полисахаридов в полезные продукты, в том числе ксантановую камедь , декстран , велановую камедь , геллановую камедь , диутановую камедь и пуллулан .
Большинство этих полисахаридов проявляют полезные вязкоупругие свойства при растворении в воде на очень низких уровнях. [35] 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 сыпучими, когда к ним прилагается даже небольшой сдвиг путем перемешивания или встряхивания, выливания, вытирания или чистка. Это свойство называется псевдопластичностью или сдвиговым утончением ; изучение таких вопросов называется реологией . [ нужна цитата ]
Водные растворы одного только полисахарида ведут себя любопытно при перемешивании: после прекращения перемешивания раствор сначала продолжает закручиваться за счет импульса, затем замедляется до полной остановки из-за вязкости и ненадолго меняет направление, прежде чем остановиться. Эта отдача обусловлена упругим действием ранее растянутых в растворе полисахаридных цепей, возвращающихся в расслабленное состояние.
Полисахариды клеточной поверхности играют разнообразную роль в экологии и физиологии бактерий . Они служат барьером между клеточной стенкой и окружающей средой, опосредуют взаимодействие хозяин-возбудитель. 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 транспорта готового полимера, кодируются генами, организованными в специальные кластеры в геноме организма . Липополисахарид является одним из наиболее важных полисахаридов клеточной поверхности, поскольку он играет ключевую структурную роль в целостности внешней мембраны, а также является важным медиатором взаимодействий хозяин-патоген.
Идентифицированы ферменты, образующие О-антигены A-диапазона (гомополимерные) и B-диапазона (гетерополимерные), и определены метаболические пути . [36] Альгинат экзополисахарида представляет собой линейный сополимер β-1,4-связанных остатков D -маннуроновой кислоты и L -гулуроновой кислоты и отвечает за мукоидный фенотип поздней стадии муковисцидоза. Локусы pel и psl — это два недавно открытых кластера генов, которые также кодируют экзополисахариды, которые, как выяснилось, важны для образования биопленок. Рамнолипид представляет собой биосурфактант, продукция которого жестко регулируется на уровне транскрипции , но точная роль, которую он играет в заболеваниях, в настоящее время не совсем понятна. Гликозилирование белков , особенно пилина и флагеллина , стало предметом исследований нескольких групп примерно с 2007 года, и было показано, что оно важно для адгезии и инвазии во время бактериальной инфекции. [37]
Полисахариды с незащищенными вицинальными диолами или аминосахарами (где некоторые гидроксильные группы заменены аминами ) дают положительную периодическую окраску кислотой-Шиффа (PAS). Список полисахаридов, окрашивающихся PAS, длинный. Хотя муцины эпителиального происхождения окрашиваются ПАСК, муцины соединительнотканного происхождения имеют так много кислотных замен, что в них не остается достаточного количества гликолевых или аминоспиртовых групп для реакции с ПАСК. [ нужна цитата ]
Путем химической модификации можно улучшить некоторые свойства полисахаридов. Различные лиганды могут быть ковалентно присоединены к их гидроксильным группам. Благодаря ковалентному присоединению метил-, гидроксиэтил- или карбоксиметил-групп к целлюлозе , например, можно добиться высоких свойств набухания в водных средах. [38] Другим примером являются тиолированные полисахариды (см. Тиомеры ). [39] Тиоловые группы ковалентно присоединены к полисахаридам, таким как гиалуроновая кислота или хитозан . [40] [41] 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. [39]
{{cite book}}
: |work=
игнорируется ( помощь )