Polysakkaridin määritelmä
Polysakkaridi on monista pienemmistä monosakkarideista koostuva suuri molekyyli. Monosakkaridit ovat yksinkertaisia sokereita, kuten glukoosi. Erityiset entsyymit sitovat nämä pienet monomeerit yhteen muodostaen suuria sokeripolymeerejä eli polysakkarideja. Polysakkaridia kutsutaan myös glykaaniksi. Polysakkaridi voi olla homopolysakkaridi, jossa kaikki monosakkaridit ovat samoja, tai heteropolysakkaridi, jossa monosakkaridit vaihtelevat. Riippuen siitä, mitkä monosakkaridit liittyvät toisiinsa ja mitkä monosakkaridien hiilivedyt liittyvät toisiinsa, polysakkaridit saavat erilaisia muotoja. Molekyyliä, jossa on suora ketju monosakkarideja, kutsutaan lineaariseksi polysakkaridiksi, kun taas ketjua, jossa on haaroja ja mutkia, kutsutaan haaroittuneeksi polysakkaridiksi.
Polysakkaridin toiminnot
Rakenteestaan riippuen polysakkarideilla voi olla luonnossa monenlaisia tehtäviä. Joitakin polysakkarideja käytetään energian varastointiin, toisia soluviestien lähettämiseen ja toisia solujen ja kudosten tukemiseen.
Energian varastointi
Monia polysakkarideja käytetään energian varastointiin eliöissä. Vaikka energiaa tuottavat entsyymit toimivat vain polysakkaridiin varastoituihin monosakkarideihin, polysakkaridit tyypillisesti taittuvat yhteen ja voivat sisältää monia monosakkarideja tiheällä alueella. Koska monosakkaridien sivuketjut muodostavat mahdollisimman paljon vetysidoksia keskenään, vesi ei pääse tunkeutumaan molekyyleihin, mikä tekee niistä hydrofobisia. Tämän ominaisuuden ansiosta molekyylit pysyvät yhdessä eivätkä liukene sytosoliin. Tämä alentaa solun sokeripitoisuutta, jolloin soluun voidaan ottaa enemmän sokeria. Sen lisäksi, että polysakkaridit varastoivat energiaa, ne mahdollistavat muutokset konsentraatiogradientissa, mikä voi vaikuttaa ravinteiden ja veden ottoon soluun.
Soluviestintä
Monista polysakkarideista tulee glykokonjugaatteja, kun ne sitoutuvat kovalenttisesti proteiineihin tai lipideihin. Glykolipidien ja glykoproteiinien avulla voidaan lähettää signaaleja solujen välillä ja sisällä. Tiettyyn organelliin menevät proteiinit voidaan ”merkitä” tietyillä polysakkarideilla, jotka auttavat solua siirtämään ne tiettyyn organelliin. Polysakkaridit voidaan tunnistaa erityisillä proteiineilla, jotka sitten auttavat sitomaan proteiinin, vesikkelin tai muun aineen mikrotubulukseen. Solun mikrotubulusten ja niihin liittyvien proteiinien järjestelmä voi viedä minkä tahansa aineen sille tarkoitettuun paikkaan, kun se on merkitty erityisten polysakkaridien avulla. Lisäksi monisoluisilla organismeilla on immuunijärjestelmä, joka perustuu solujen pinnalla olevien glykoproteiinien tunnistamiseen. Yksittäisen organismin solut tuottavat erityisiä polysakkarideja, joilla ne koristavat solujaan. Kun immuunijärjestelmä tunnistaa muita polysakkarideja ja erilaisia glykoproteiineja, se käynnistyy ja tuhoaa tunkeutuvat solut.
Solujen tuki
Polysakkaridien ylivoimaisesti yksi suurimmista tehtävistä on tuki. Kaikkia maapallon kasveja tukee osittain polysakkaridi selluloosa. Muut eliöt, kuten hyönteiset ja sienet, käyttävät kitiiniä tukemaan solujensa ympärillä olevaa solunulkoista matriisia. Polysakkaridiin voidaan sekoittaa mitä tahansa muita komponentteja, jolloin saadaan aikaan jäykempiä tai vähemmän jäykkiä kudoksia tai jopa materiaaleja, joilla on erityisominaisuuksia. Kitiini ja selluloosa ovat molemmat polysakkarideja, jotka koostuvat glukoosimonosakkarideista, ja elävät organismit tuottavat niitä vuosittain satoja miljardeja tonneja. Kaikki puiden puusta merieläinten kuoriin on tuotettu jonkinlaisella polysakkaridilla. Pelkästään rakennetta uudelleen järjestelemällä polysakkaridit voivat muuttua varastomolekyyleistä paljon vahvemmiksi kuitumolekyyleiksi. Useimpien monosakkaridien rengasrakenne auttaa tätä prosessia, kuten alla näkyy.
Polysakkaridin rakenne
Kaikki polysakkaridit muodostuvat samalla perusprosessilla: monosakkaridit liittyvät toisiinsa glykosidisidoksilla. Polysakkaridissa yksittäisiä monosakkarideja kutsutaan jäännöksiksi. Alla on esitetty vain joitakin monista luonnossa syntyneistä monosakkarideista. Polysakkaridista riippuen mikä tahansa yhdistelmä niistä voidaan yhdistää sarjaan.
Yhdistettävien molekyylien rakenne määrää syntyvän polysakkaridin rakenteet ja ominaisuudet. Niiden hydroksyyliryhmien (OH), muiden sivuryhmien, molekyylien konfiguraatioiden ja mukana olevien entsyymien monimutkainen vuorovaikutus vaikuttavat kaikki tuotettuun polysakkaridiin. Energian varastointiin käytettävä polysakkaridi mahdollistaa helpon pääsyn monosakkarideihin säilyttäen samalla kompaktin rakenteen. Tukena käytettävä polysakkaridi kootaan yleensä pitkäksi monosakkaridiketjuksi, joka toimii kuituna. Monet kuidut yhdessä tuottavat kuitujen välille vetysidoksia, jotka vahvistavat materiaalin kokonaisrakennetta, kuten alla olevassa kuvassa näkyy.
Monosakkaridien väliset glykosidisidokset koostuvat happimolekyylistä, joka silloittaa kaksi hiilirengasta. Sidos muodostuu, kun yhden molekyylin hiilestä häviää hydroksyyliryhmä, kun taas toisen monosakkaridin hydroksyyliryhmästä häviää vety. Ensimmäisen molekyylin hiili korvaa toisen molekyylin hapen omakseen, ja glykosidisidos muodostuu. Koska kaksi molekyyliä vetyä ja yksi happi poistuu, reaktiossa syntyi myös vesimolekyyli. Tämäntyyppistä reaktiota kutsutaan dehydraatioreaktioksi, koska vesi poistuu reagoivista aineista.
Esimerkkejä polysakkaridista
Selluloosa ja kitiini
Selluloosa ja kitiini ovat molemmat rakenteellisia polysakkarideja, jotka koostuvat monista tuhansista glukoosimonomeereistä, jotka ovat yhdistyneet pitkiksi kuiduiksi. Ainoa ero näiden kahden polysakkaridin välillä on monosakkaridien hiilirenkaisiin kiinnittyneet sivuketjut. Kitiinissä glukoosimonosakkaridit on muunnettu ryhmällä, joka sisältää enemmän hiiltä, typpeä ja happea. Sivuketju luo dipolin, joka lisää vetysidoksia. Siinä missä selluloosa voi tuottaa kovia rakenteita, kuten puuta, kitiini voi tuottaa vielä kovempia rakenteita, kuten simpukankuorta, kalkkikiveä ja jopa marmoria puristettuna.
Kumpikin polysakkaridi muodostuu pitkiksi, lineaarisiksi ketjuiksi. Nämä ketjut muodostavat pitkiä kuituja, jotka laskeutuvat solukalvon ulkopuolelle. Tietyt proteiinit ja muut tekijät auttavat kuituja kutoutumaan monimutkaiseen muotoon, jota sivuketjujen väliset vetysidokset pitävät paikallaan. Näin yksinkertaiset glukoosimolekyylit, joita aikoinaan käytettiin energian varastointiin, voidaan muuttaa rakenteellisesti jäykiksi molekyyleiksi. Ainoa ero rakenteellisten polysakkaridien ja varastopolysakkaridien välillä on käytetyt monosakkaridit. Muuttamalla glukoosimolekyylien konfiguraatiota rakenteellisen polysakkaridin sijasta molekyyli haarautuu ja varastoi paljon enemmän sidoksia pienempään tilaan. Ainoa ero selluloosan ja tärkkelyksen välillä on käytetyn glukoosin konfiguraatio.
Glykogeeni ja tärkkelys
Planeetan todennäköisesti tärkeimpiä varastopolysakkarideja, glykogeeniä ja tärkkelystä, tuottavat vastaavasti eläimet ja kasvit. Nämä polysakkaridit muodostuvat keskeisestä lähtökohdasta ja kiertyvät monimutkaisten haarautumiskuvioidensa ansiosta spiraalimaisesti ulospäin. Yksittäisiin polysakkarideihin kiinnittyvien erilaisten proteiinien avulla suurista haarautuneista molekyyleistä muodostuu rakeita eli klustereita. Tämä näkyy alla olevassa kuvassa glykogeenimolekyyleistä ja niihin liittyvistä proteiineista, jotka näkyvät keskellä.
Kun glykogeeni- tai tärkkelysmolekyyliä pilkotaan, siitä vastaavat entsyymit aloittavat keskipisteestä kauimpana olevista päistä. Tämä on tärkeää, sillä huomaat, että laajan haarautumisen vuoksi lähtöpisteitä on vain kaksi, mutta päitä monta. Tämä tarkoittaa, että monosakkaridit voidaan nopeasti irrottaa polysakkaridista ja hyödyntää energiaksi. Ainoa ero tärkkelyksen ja glykogeenin välillä on molekyyliä kohti esiintyvien haarojen määrä. Tämä johtuu siitä, että monosakkaridien eri osat muodostavat sidoksia ja molekyyleihin vaikuttavat eri entsyymit. Glykogeenissä haarautuminen tapahtuu noin 12 jäännöksen välein, kun taas tärkkelyksessä haarautuminen tapahtuu vain 30 jäännöksen välein.
- Monosakkaridi – Sokerimolekyylien pienin yksikkö eli sokerimonomeeri.
- Monomeeri – Yksittäinen yksikkö, joka voidaan yhdistää suuremmaksi kokonaisuudeksi eli polymeeriksi.
- Polymeeri – Sisältää proteiinit, polysakkaridit ja monet muut molekyylit, jotka koostuvat pienemmistä yksiköistä, jotka on yhdistetty toisiinsa.
- Polypeptidi – Aminohappomonomeereistä koostuva polymeeri, jota kutsutaan myös proteiiniksi.
Visailu
1. Jos et ole harjaillut hampaitasi vähään aikaan, saatat huomata keltaisen plakin alkavan kerääntyä. Osa plakista koostuu dekstraaneista eli polysakkarideista, joita bakteerit käyttävät energian varastointiin. Mistä bakteerit saavat monosakkaridit näiden polysakkaridien muodostamiseen?
A. Ne syntetisoivat niitä auringonvalosta.
B. Ne luovat niitä geneettisestä koodistaan.
C. Ne keräävät niitä syömäsi ruoan tähteistä.
2. Kasvit tuottavat glukoosin yksiköistä sekä tärkkelyksen amyloosia että rakennepolymeeriä selluloosaa. Useimmat eläimet eivät pysty sulattamaan selluloosaa. Jopa märehtijät, kuten naudat, eivät pysty sulattamaan selluloosaa, ja ne ovat riippuvaisia symbioottisista sisäisistä organismeista, jotka rikkovat selluloosan sidoksia. Kaikki nisäkkäät tuottavat kuitenkin amylaasia, entsyymiä, joka voi hajottaa amyloosia. Miksi amylaasi ei voi hajottaa selluloosan sidoksia?
A. Selluloosa ja amyloosi ovat rakenteellisesti erilaisia, eikä amylaasi tunnista selluloosaa.
B. Selluloosan glykosidisidokset ovat vahvempia.
C. Selluloosan muodostamaa solunulkoista matriisia ei voida hajottaa.
3. Hyaluronaani on selkärankaisten nivelissä esiintyvä molekyyli, joka antaa tukea luomalla hyytelömäisen matriksin, joka pehmentää luita. Hyaluronaani muodostuu useista erilaisista monosakkarideista, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa pitkiksi ketjuiksi. Mitkä seuraavista kuvaavat hyaluronaania?
1. Homopolysakkaridi
2. Heteropolysakkaridi
3. Polymeeri
4. Monomeeri
A. Kaikki nämä
B. 1, 3
C. 2, 3