Polysaccharid Definition
Ein Polysaccharid ist ein großes Molekül, das aus vielen kleineren Monosacchariden besteht. Monosaccharide sind Einfachzucker wie Glukose. Spezielle Enzyme binden diese kleinen Monomere zu großen Zuckerpolymeren, den Polysacchariden, zusammen. Ein Polysaccharid wird auch als Glykan bezeichnet. Ein Polysaccharid kann ein Homopolysaccharid sein, bei dem alle Monosaccharide gleich sind, oder ein Heteropolysaccharid, bei dem die Monosaccharide unterschiedlich sind. Je nachdem, welche Monosaccharide miteinander verbunden sind und welche Kohlenstoffe in den Monosacchariden miteinander verbunden sind, nehmen Polysaccharide eine Vielzahl von Formen an. Ein Molekül mit einer geraden Kette von Monosacchariden wird als lineares Polysaccharid bezeichnet, während eine Kette mit Armen und Windungen als verzweigtes Polysaccharid bezeichnet wird.
Funktionen eines Polysaccharids
Abhängig von ihrer Struktur können Polysaccharide in der Natur eine Vielzahl von Funktionen haben. Einige Polysaccharide dienen der Energiespeicherung, andere der Übermittlung zellulärer Botschaften und wieder andere der Unterstützung von Zellen und Geweben.
Energiespeicherung
Viele Polysaccharide dienen der Energiespeicherung in Organismen. Während die Enzyme, die Energie erzeugen, nur auf die in einem Polysaccharid gespeicherten Monosaccharide einwirken, falten sich Polysaccharide typischerweise zusammen und können viele Monosaccharide in einem dichten Bereich enthalten. Da die Seitenketten der Monosaccharide so viele Wasserstoffbrückenbindungen wie möglich mit sich selbst bilden, kann kein Wasser in die Moleküle eindringen, was sie hydrophob macht. Dank dieser Eigenschaft können die Moleküle zusammenbleiben und sich nicht in das Zytosol auflösen. Dadurch sinkt die Zuckerkonzentration in einer Zelle, und es kann mehr Zucker aufgenommen werden. Polysaccharide speichern nicht nur die Energie, sondern ermöglichen auch Änderungen des Konzentrationsgradienten, was die Aufnahme von Nährstoffen und Wasser durch die Zelle beeinflussen kann.
Zelluläre Kommunikation
Viele Polysaccharide werden zu Glykokonjugaten, wenn sie kovalent an Proteine oder Lipide gebunden werden. Glykolipide und Glykoproteine können dazu verwendet werden, Signale zwischen und innerhalb von Zellen zu senden. Proteine, die für eine bestimmte Organelle bestimmt sind, können durch bestimmte Polysaccharide „markiert“ werden, die der Zelle helfen, sie zu einer bestimmten Organelle zu transportieren. Die Polysaccharide können durch spezielle Proteine identifiziert werden, die dann dazu beitragen, das Protein, Vesikel oder eine andere Substanz an ein Mikrotubulum zu binden. Das System der Mikrotubuli und der damit verbundenen Proteine in den Zellen kann jede Substanz an ihren Bestimmungsort bringen, sobald sie durch spezifische Polysaccharide gekennzeichnet ist. Darüber hinaus verfügen mehrzellige Organismen über Immunsysteme, die durch die Erkennung von Glykoproteinen auf der Zelloberfläche gesteuert werden. Die Zellen eines einzelnen Organismus produzieren spezifische Polysaccharide, mit denen sie ihre Zellen schmücken. Wenn das Immunsystem andere Polysaccharide und andere Glykoproteine erkennt, tritt es in Aktion und zerstört die eingedrungenen Zellen.
Zelluläre Unterstützung
Eine der bei weitem wichtigsten Aufgaben der Polysaccharide ist die der Unterstützung. Alle Pflanzen auf der Erde werden zum Teil durch das Polysaccharid Cellulose gestützt. Andere Organismen, wie Insekten und Pilze, verwenden Chitin, um die extrazelluläre Matrix um ihre Zellen herum zu stützen. Ein Polysaccharid kann mit einer beliebigen Anzahl anderer Komponenten gemischt werden, um Gewebe zu schaffen, die steifer oder weniger steif sind, oder sogar Materialien mit besonderen Eigenschaften. Von Chitin und Zellulose, beides Polysaccharide, die aus Glukosemonosacchariden bestehen, werden jedes Jahr Hunderte von Milliarden Tonnen von lebenden Organismen hergestellt. Alles, vom Holz der Bäume bis zu den Schalen der Meerestiere, wird aus irgendeiner Form von Polysacchariden hergestellt. Durch einfache Umstellung der Struktur können Polysaccharide von Speichermolekülen zu viel stärkeren Fasermolekülen werden. Die Ringstruktur der meisten Monosaccharide unterstützt diesen Prozess, wie unten zu sehen ist.
Struktur eines Polysaccharids
Alle Polysaccharide werden durch denselben grundlegenden Prozess gebildet: Monosaccharide werden über glykosidische Bindungen verbunden. In einem Polysaccharid werden die einzelnen Monosaccharide als Reste bezeichnet. Im Folgenden sind nur einige der vielen in der Natur vorkommenden Monosaccharide aufgeführt. Je nach Polysaccharid kann eine beliebige Kombination von ihnen in Reihe kombiniert werden.
Die Struktur der zu kombinierenden Moleküle bestimmt die Strukturen und Eigenschaften des entstehenden Polysaccharids. Die komplexen Wechselwirkungen zwischen ihren Hydroxylgruppen (OH), anderen Seitengruppen, den Konfigurationen der Moleküle und den beteiligten Enzymen wirken sich alle auf das entstehende Polysaccharid aus. Ein Polysaccharid, das zur Energiespeicherung verwendet wird, ermöglicht einen leichten Zugang zu den Monosacchariden und behält gleichzeitig eine kompakte Struktur. Ein Polysaccharid, das als Träger verwendet wird, ist in der Regel als lange Kette von Monosacchariden aufgebaut, die als Faser fungiert. Viele Fasern zusammen ergeben Wasserstoffbrückenbindungen zwischen den Fasern, die die Gesamtstruktur des Materials stärken, wie in der Abbildung unten zu sehen ist.
Die glykosidischen Bindungen zwischen Monosacchariden bestehen aus einem Sauerstoffmolekül, das zwei Kohlenstoffringe überbrückt. Die Bindung entsteht, wenn eine Hydroxylgruppe vom Kohlenstoff des einen Moleküls verloren geht, während der Wasserstoff durch die Hydroxylgruppe eines anderen Monosaccharids verloren geht. Der Kohlenstoff des ersten Moleküls ersetzt den Sauerstoff des zweiten Moleküls als seinen eigenen, und es entsteht eine glykosidische Bindung. Da zwei Wasserstoffmoleküle und ein Sauerstoffmolekül ausgetrieben werden, entsteht bei der Reaktion auch ein Wassermolekül. Diese Art von Reaktion wird als Dehydratisierungsreaktion bezeichnet, da den Reaktanten Wasser entzogen wird.
Beispiele für ein Polysaccharid
Cellulose und Chitin
Cellulose und Chitin sind beides strukturelle Polysaccharide, die aus vielen tausend Glukosemonomeren bestehen, die in langen Fasern verbunden sind. Der einzige Unterschied zwischen den beiden Polysacchariden sind die Seitenketten, die an die Kohlenstoffringe der Monosaccharide gebunden sind. Im Chitin wurden die Glukosemonosaccharide durch eine Gruppe mit mehr Kohlenstoff, Stickstoff und Sauerstoff modifiziert. Durch die Seitenkette entsteht ein Dipol, der die Wasserstoffbrückenbindungen verstärkt. Während Cellulose harte Strukturen wie Holz erzeugen kann, kann Chitin noch härtere Strukturen wie Muscheln, Kalkstein und sogar Marmor erzeugen, wenn es komprimiert wird.
Beide Polysaccharide bilden lange, lineare Ketten. Diese Ketten bilden lange Fasern, die außerhalb der Zellmembran abgelagert werden. Bestimmte Proteine und andere Faktoren helfen den Fasern, sich zu einer komplexen Form zu verweben, die durch Wasserstoffbrücken zwischen den Seitenketten gehalten wird. Auf diese Weise können einfache Glukosemoleküle, die früher als Energiespeicher dienten, in Moleküle mit struktureller Festigkeit umgewandelt werden. Der einzige Unterschied zwischen den strukturellen Polysacchariden und den Speicherpolysacchariden sind die verwendeten Monosaccharide. Wenn man die Konfiguration der Glukosemoleküle verändert, verzweigt sich das Molekül anstelle eines strukturellen Polysaccharids und speichert viel mehr Bindungen auf kleinerem Raum. Der einzige Unterschied zwischen Zellulose und Stärke ist die Konfiguration der verwendeten Glukose.
Glykogen und Stärke
Die wohl wichtigsten Speicherpolysaccharide auf unserem Planeten, Glykogen und Stärke, werden von Tieren bzw. Pflanzen produziert. Diese Polysaccharide werden von einem zentralen Ausgangspunkt aus gebildet und entwickeln sich aufgrund ihrer komplexen Verzweigungsmuster spiralförmig nach außen. Mit Hilfe verschiedener Proteine, die sich an die einzelnen Polysaccharide anlagern, bilden die großen verzweigten Moleküle Körnchen oder Clusters. Dies ist in der folgenden Abbildung der Glykogenmoleküle und der zugehörigen Proteine in der Mitte zu sehen.
Wenn ein Glykogen- oder Stärkemolekül abgebaut wird, beginnen die verantwortlichen Enzyme an den Enden, die am weitesten vom Zentrum entfernt sind. Das ist wichtig, denn wegen der starken Verzweigung gibt es nur zwei Ausgangspunkte, aber viele Enden. Das bedeutet, dass die Monosaccharide schnell aus dem Polysaccharid herausgelöst und zur Energiegewinnung genutzt werden können. Der einzige Unterschied zwischen Stärke und Glykogen ist die Anzahl der Verzweigungen, die pro Molekül auftreten. Dies ist darauf zurückzuführen, dass verschiedene Teile der Monosaccharide Bindungen eingehen und unterschiedliche Enzyme auf die Moleküle einwirken. In Glykogen tritt etwa alle 12 Reste eine Verzweigung auf, während in Stärke nur alle 30 Reste eine Verzweigung auftritt.
- Monosaccharid – Die kleinste Einheit von Zuckermolekülen oder ein Zuckermonomer.
- Monomer – Eine einzelne Einheit, die zu einer größeren Einheit oder einem Polymer kombiniert werden kann.
- Polymer – Umfasst Proteine, Polysaccharide und viele andere Moleküle, die aus kleineren Einheiten zusammengesetzt sind.
- Polypeptid – Ein Polymer aus Aminosäuremonomeren, auch Protein genannt.
Quiz
1. Wenn du dir schon länger nicht mehr die Zähne geputzt hast, bemerkst du vielleicht, dass sich gelber Zahnbelag ablagert. Ein Teil des Zahnbelags besteht aus Dextranen oder Polysacchariden, die Bakterien als Energiespeicher nutzen. Woher bekommen die Bakterien die Monosaccharide, um diese Polysaccharide zu bilden?
A. Sie synthetisieren sie aus Sonnenlicht.
B. Sie erzeugen sie aus ihrem genetischen Code.
C. Sie sammeln sie aus den Nahrungsresten, die man isst.
2. Pflanzen produzieren sowohl die Stärke Amylose als auch das Strukturpolymer Zellulose aus Glukoseeinheiten. Die meisten Tiere können Zellulose nicht verdauen. Selbst Wiederkäuer wie Rinder können Zellulose nicht verdauen und sind auf symbiotische innere Organismen angewiesen, um die Bindungen der Zellulose zu brechen. Alle Säugetiere produzieren jedoch Amylase, ein Enzym, das Amylose aufspalten kann. Warum kann Amylase die Bindungen von Zellulose nicht aufbrechen?
A. Cellulose und Amylose sind strukturell verschieden, und Amylase erkennt Cellulose nicht.
B. Die glykosidischen Bindungen der Zellulose sind stärker.
C. Die von Cellulose gebildete extrazelluläre Matrix kann nicht abgebaut werden.
3. Hyaluronan ist ein Molekül, das in den Gelenken von Wirbeltieren vorkommt und für Halt sorgt, indem es eine gallertartige Matrix bildet, die die Knochen polstert. Hyaluronan wird aus mehreren verschiedenen Monosacchariden gebildet, die in langen Ketten miteinander verbunden sind. Welche der folgenden Begriffe beschreiben Hyaluronan?
1. Homopolysaccharid
2. Heteropolysaccharid
3. Polymer
4. Monomer
A. Alle
B. 1, 3
C. 2, 3