Polysacharid definice
Polysacharid je velká molekula složená z mnoha menších monosacharidů. Monosacharidy jsou jednoduché cukry, například glukóza. Speciální enzymy spojují tyto malé monomery dohromady a vytvářejí velké cukerné polymery neboli polysacharidy. Polysacharid se také nazývá glykan. Polysacharid může být homopolysacharid, ve kterém jsou všechny monosacharidy stejné, nebo heteropolysacharid, ve kterém se monosacharidy liší. V závislosti na tom, které monosacharidy jsou spojeny a které uhlíky v monosacharidech se spojují, nabývají polysacharidy různých forem. Molekula s přímým řetězcem monosacharidů se nazývá lineární polysacharid, zatímco řetězec, který má ramena a zákruty, se nazývá rozvětvený polysacharid.
Funkce polysacharidu
V závislosti na své struktuře mohou mít polysacharidy v přírodě nejrůznější funkce. Některé polysacharidy slouží k ukládání energie, jiné k vysílání buněčných zpráv a další k poskytování podpory buňkám a tkáním.
Ukládání energie
Mnoho polysacharidů slouží k ukládání energie v organismech. Zatímco enzymy, které vyrábějí energii, pracují pouze na monosacharidech uložených v polysacharidu, polysacharidy se obvykle skládají dohromady a mohou obsahovat mnoho monosacharidů v husté oblasti. Dále, protože postranní řetězce monosacharidů mezi sebou vytvářejí co nejvíce vodíkových vazeb, nemůže do molekul pronikat voda, což je činí hydrofobními. Díky této vlastnosti zůstávají molekuly pohromadě a nerozpouštějí se v cytosolu. Tím se snižuje koncentrace cukrů v buňce, která pak může přijímat více cukrů. Nejenže polysacharidy uchovávají energii, ale umožňují změny koncentračního gradientu, což může ovlivnit příjem živin a vody v buňce.
Buněčná komunikace
Mnohé polysacharidy se stávají glykokonjugáty, když se kovalentně spojí s bílkovinami nebo lipidy. Glykolipidy a glykoproteiny mohou sloužit k vysílání signálů mezi buňkami i uvnitř buněk. Proteiny směřující do určité organely mohou být „označeny“ určitými polysacharidy, které pomáhají buňce přesunout je do konkrétní organely. Polysacharidy mohou být identifikovány speciálními proteiny, které pak pomáhají navázat protein, vezikulu nebo jinou látku na mikrotubuly. Systém mikrotubulů a přidružených proteinů v buňkách může po označení specifickými polysacharidy dopravit jakoukoli látku na určené místo. Dále mají mnohobuněčné organismy imunitní systémy řízené rozpoznáváním glykoproteinů na povrchu buněk. Buňky jednotlivých organismů budou produkovat specifické polysacharidy, kterými budou zdobit své buňky. Když imunitní systém rozpozná jiné polysacharidy a jiné glykoproteiny, uvede se do činnosti a zničí napadené buňky.
Buněčná podpora
Jednou z největších rolí polysacharidů je zdaleka podpora. Všechny rostliny na Zemi jsou částečně podporovány polysacharidem celulózou. Jiné organismy, například hmyz a houby, používají k podpoře extracelulární matrix kolem svých buněk chitin. Polysacharid lze smíchat s libovolným počtem dalších složek a vytvořit tak tkáně, které jsou pevnější, méně pevné, nebo dokonce materiály se speciálními vlastnostmi. Mezi chitinem a celulózou, oběma polysacharidy tvořenými monosacharidy glukózy, vytvoří živé organismy ročně stovky miliard tun. Vše od dřeva stromů až po schránky mořských živočichů je tvořeno nějakou formou polysacharidu. Jednoduchou změnou struktury mohou polysacharidy přejít od zásobních molekul k mnohem silnějším vláknitým molekulám. Tomuto procesu napomáhá kruhová struktura většiny monosacharidů, jak je vidět níže.
Struktura polysacharidu
Všechny polysacharidy vznikají stejným základním procesem: monosacharidy se spojují pomocí glykosidických vazeb. Pokud jsou v polysacharidu jednotlivé monosacharidy, označují se jako zbytky. Níže jsou vidět jen některé z mnoha monosacharidů vytvořených v přírodě. V závislosti na polysacharidu může být jakákoli jejich kombinace spojena do řady.
Struktura spojovaných molekul určuje strukturu a vlastnosti výsledného polysacharidu. Složité interakce mezi jejich hydroxylovými skupinami (OH), dalšími postranními skupinami, konfigurací molekul a zúčastněnými enzymy ovlivňují výsledný produkovaný polysacharid. Polysacharid používaný pro skladování energie umožní snadný přístup k monosacharidům při zachování kompaktní struktury. Polysacharid používaný jako nosič je obvykle sestaven jako dlouhý řetězec monosacharidů, který funguje jako vlákno. Mnoho vláken dohromady vytváří vodíkové vazby mezi vlákny, které zpevňují celkovou strukturu materiálu, jak je vidět na obrázku níže.
Glykosidické vazby mezi monosacharidy se skládají z molekuly kyslíku přemosťující dva uhlíkové kruhy. Vazba vzniká při ztrátě hydroxylové skupiny z uhlíku jedné molekuly, zatímco vodík je ztracen hydroxylovou skupinou jiného monosacharidu. Uhlík na první molekule nahradí kyslík z druhé molekuly za svůj a vznikne glykosidická vazba. Protože se vyloučí dvě molekuly vodíku a jeden kyslík, vznikla reakcí také molekula vody. Tento typ reakce se nazývá dehydratační reakce, protože z reaktantů je odstraněna voda.
Příklady polysacharidu
Celulosa a chitin
Celulosa i chitin jsou strukturní polysacharidy, které se skládají z mnoha tisíc monomerů glukosy spojených do dlouhých vláken. Jediným rozdílem mezi těmito dvěma polysacharidy jsou postranní řetězce připojené k uhlíkovým kruhům monosacharidů. V chitinu byly monosacharidy glukózy modifikovány skupinou obsahující více uhlíku, dusíku a kyslíku. Postranní řetězec vytváří dipól, který zvyšuje vodíkovou vazbu. Zatímco celulóza může vytvářet tvrdé struktury, jako je dřevo, chitin může po stlačení vytvářet ještě tvrdší struktury, jako je mušle, vápenec a dokonce mramor.
Oba polysacharidy se tvoří jako dlouhé, lineární řetězce. Tyto řetězce tvoří dlouhá vlákna, která se ukládají mimo buněčnou membránu. Určité bílkoviny a další faktory pomáhají vlákna splétat do složitého tvaru, který je udržován vodíkovými vazbami mezi postranními řetězci. Jednoduché molekuly glukózy, které kdysi sloužily k ukládání energie, se tak mohou přeměnit na molekuly se strukturní tuhostí. Jediným rozdílem mezi strukturními polysacharidy a zásobními polysacharidy jsou použité monosacharidy. Změnou konfigurace molekul glukózy se místo strukturního polysacharidu molekula rozvětví a uloží mnohem více vazeb na menším prostoru. Jediným rozdílem mezi celulózou a škrobem je konfigurace použité glukózy.
Glykogen a škrob
Glykogen a škrob, pravděpodobně nejdůležitější zásobní polysacharidy na planetě, jsou produkovány živočichy, resp. rostlinami. Tyto polysacharidy vznikají z centrálního výchozího bodu a díky složitému větvení se spirálovitě stáčejí směrem ven. Pomocí různých bílkovin, které se připojují k jednotlivým polysacharidům, tvoří velké rozvětvené molekuly granule neboli shluky. To je vidět na následujícím obrázku molekul glykogenu a přidružených bílkovin, které jsou vidět uprostřed.
Při štěpení molekuly glykogenu nebo škrobu začínají odpovědné enzymy na koncích vzdálených od středu. To je důležité, protože si všimnete, že kvůli rozsáhlému větvení jsou pouze 2 výchozí body, ale mnoho konců. To znamená, že monosacharidy mohou být rychle extrahovány z polysacharidu a využity pro energii. Jediným rozdílem mezi škrobem a glykogenem je počet větví, které se vyskytují v jedné molekule. To je způsobeno tím, že různé části monosacharidů vytvářejí vazby a na molekuly působí různé enzymy. V glykogenu se větev vyskytuje přibližně každých 12 zbytků, zatímco ve škrobu se větev vyskytuje pouze každých 30 zbytků.
- Monosacharid – Nejmenší jednotka molekul cukru neboli monomer cukru.
- Monomer – Jednotlivý útvar, který lze spojit ve větší útvar neboli polymer.
- Polymer – Zahrnuje bílkoviny, polysacharidy a mnoho dalších molekul existujících z menších jednotek spojených dohromady.
- Polypeptid – Polymer monomerů aminokyselin, nazývaný také bílkovina.
Kvíz
1. Co je to monomer? Pokud jste si dlouho nečistili zuby, možná jste si všimli, že se na nich začíná tvořit žlutý zubní plak. Část plaku tvoří dextrany neboli polysacharidy, které bakterie využívají k ukládání energie. Odkud bakterie získávají monosacharidy pro tvorbu těchto polysacharidů?
A. Syntetizují je ze slunečního světla.
B. Vytvářejí je ze svého genetického kódu.
C. Sbírají je ze zbytků jídla, které sníte.
2. Rostliny vyrábějí z jednotek glukózy jak škrob amylózu, tak strukturní polymer celulózu. Většina živočichů nedokáže celulózu strávit. Dokonce ani přežvýkavci, jako je skot, nedokážou celulózu strávit a spoléhají se na symbiotické vnitřní organismy, které rozbíjejí vazby celulózy. Všichni savci však produkují amylázu, enzym, který dokáže rozkládat amylózu. Proč amyláza nedokáže rozbít vazby celulózy?
A. Celulóza a amylóza mají odlišnou strukturu a amyláza nerozpozná celulózu.
B. Glykosidické vazby celulózy jsou pevnější.
C. Extracelulární matrici tvořenou celulózou nelze rozložit.
3. Hyaluronan je molekula, která se nachází v kloubech obratlovců a poskytuje oporu tím, že vytváří rosolovitou matrici, která tlumí kosti. Hyaluronan je vytvořen z několika různých monosacharidů spojených do dlouhých řetězců. Která z následujících možností popisuje hyaluronan?
1. Homopolysacharid
2. Heteropolysacharid
3. Polymer
4. Monomer
A. Všechny
B. 1, 3
C. 2, 3
.