Poliszacharid definíció
A poliszacharid egy nagy molekula, amely sok kisebb monoszacharidból áll. A monoszacharidok egyszerű cukrok, mint például a glükóz. Speciális enzimek kötik össze ezeket a kis monomereket, nagy cukorpolimereket, azaz poliszacharidokat hozva létre. A poliszacharidot glikánnak is nevezik. A poliszacharid lehet homopoliszacharid, amelyben minden monoszacharid azonos, vagy heteropoliszacharid, amelyben a monoszacharidok különbözőek. Attól függően, hogy mely monoszacharidok kapcsolódnak, és a monoszacharidok mely szénatomjai kapcsolódnak, a poliszacharidok különböző formákat öltenek. A monoszacharidokból álló egyenes láncú molekulát lineáris poliszacharidnak, míg a karokkal és fordulatokkal rendelkező láncot elágazó poliszacharidnak nevezzük.
A poliszacharid funkciói
A poliszacharidok szerkezetüktől függően sokféle funkciót tölthetnek be a természetben. Egyes poliszacharidokat az energia tárolására, másokat a sejtek üzeneteinek továbbítására, másokat pedig a sejtek és szövetek támogatására használnak.
Energia tárolása
Sok poliszacharidot használnak a szervezetekben az energia tárolására. Míg az energiatermelő enzimek csak a poliszacharidban tárolt monoszacharidokon dolgoznak, addig a poliszacharidok jellemzően összecsukódnak, és sok monoszacharidot tartalmazhatnak sűrűn. Továbbá, mivel a monoszacharidok oldalláncai a lehető legtöbb hidrogénkötést képeznek egymással, a víz nem tud behatolni a molekulákba, így azok hidrofóbak. Ez a tulajdonság teszi lehetővé, hogy a molekulák együtt maradjanak, és ne oldódjanak fel a citoszolban. Ezáltal csökken a sejt cukorkoncentrációja, és így több cukrot lehet felvenni. A poliszacharidok nemcsak az energiát tárolják, hanem lehetővé teszik a koncentrációgradiens változását is, ami befolyásolhatja a sejtek tápanyag- és vízfelvételét.
Celluláris kommunikáció
Néhány poliszacharid glikokonjugátokká válik, amikor kovalensen kötődnek fehérjékhez vagy lipidekhez. A glikolipidek és glikoproteinek segítségével jeleket küldhetnek a sejtek között és a sejteken belül. Az egy adott organellumba tartó fehérjéket bizonyos poliszacharidok “megjelölhetik”, amelyek segítik a sejtet abban, hogy az adott organellumba juttassa. A poliszacharidok speciális fehérjékkel azonosíthatók, amelyek aztán segítenek a fehérjét, a vezikulát vagy más anyagot egy mikrotubulushoz kötni. A sejteken belüli mikrotubulusok és a hozzájuk kapcsolódó fehérjék rendszere képes bármilyen anyagot a rendeltetési helyére vinni, amint azt a specifikus poliszacharidok megjelölik. Továbbá a többsejtű szervezetek immunrendszere a sejtek felszínén lévő glikoproteinek felismerésén alapul. Az egyes élőlények sejtjei specifikus poliszacharidokat termelnek, amelyekkel a sejtjeiket díszítik. Amikor az immunrendszer más poliszacharidokat és más glikoproteineket ismer fel, működésbe lép, és elpusztítja a betolakodó sejteket.
Celluláris támogatás
A poliszacharidok egyik legnagyobb szerepe messze a támogatás. A Földön minden növényt részben a poliszacharid cellulóz támogat. Más élőlények, például a rovarok és a gombák kitint használnak a sejtjeiket körülvevő extracelluláris mátrix támogatására. Egy poliszacharid bármilyen más összetevővel keverhető, hogy merevebb, kevésbé merev szöveteket, vagy akár különleges tulajdonságokkal rendelkező anyagokat hozzon létre. A kitin és a cellulóz, mindkettő glükóz-monoszacharidokból álló poliszacharidok között évente több százmilliárd tonnát hoznak létre az élő szervezetek. A fák fájától kezdve a tengeri élőlények kagylóhéjáig minden valamilyen poliszacharidból készül. Egyszerűen a szerkezet átrendezésével a poliszacharidok raktározó molekulákból sokkal erősebb szálas molekulákká válhatnak. A legtöbb monoszacharid gyűrűs szerkezete segíti ezt a folyamatot, amint az alább látható.
A poliszacharid szerkezete
Minden poliszacharid ugyanazon alapvető folyamat révén jön létre: a monoszacharidok glikozidos kötésekkel kapcsolódnak össze. Amikor egy poliszacharidban az egyes monoszacharidokat maradékoknak nevezzük. Az alábbiakban látható csak néhány a természetben keletkező számos monoszacharid közül. A poliszacharidtól függően ezek bármely kombinációja sorba kapcsolható.
A kombinálódó molekulák szerkezete határozza meg a keletkező poliszacharid szerkezetét és tulajdonságait. A hidroxilcsoportjaik (OH), más oldalcsoportjaik, a molekulák konfigurációi és a résztvevő enzimek közötti összetett kölcsönhatás mind befolyásolják a keletkező poliszacharidot. Az energiatárolásra használt poliszacharid könnyű hozzáférést biztosít a monoszacharidokhoz, miközben kompakt szerkezetet tart fenn. A tartószerkezetként használt poliszacharid általában monoszacharidok hosszú láncaként áll össze, amely rostként viselkedik. Sok szál együttesen hidrogénkötéseket hoz létre a szálak között, amelyek erősítik az anyag általános szerkezetét, ahogy az alábbi képen látható.
A monoszacharidok közötti glikozidos kötések két széngyűrűt áthidaló oxigénmolekulából állnak. A kötés akkor jön létre, amikor az egyik molekula szénjéről egy hidroxilcsoport, míg egy másik monoszacharid hidroxilcsoportjáról a hidrogén veszik el. Az első molekula szénje a második molekula oxigénjét sajátjaként helyettesíti, és glikozidos kötés jön létre. Mivel két molekula hidrogén és egy oxigén távozik, a reakció során egy vízmolekula is keletkezett. Az ilyen típusú reakciót dehidrációs reakciónak nevezzük, mivel a reagensekből víz távozik.
Példák egy poliszacharidra
Cellulóz és kitin
A cellulóz és a kitin egyaránt szerkezeti poliszacharidok, amelyek sok ezer glükóz-monomerből állnak, hosszú szálakká egyesülve. A két poliszacharid között az egyetlen különbség a monoszacharidok széngyűrűihez kapcsolódó oldalláncok. A kitinben a glükóz-monoszacharidokat egy több szenet, nitrogént és oxigént tartalmazó csoporttal módosították. Az oldallánc dipólust hoz létre, ami növeli a hidrogénkötést. Míg a cellulóz olyan kemény szerkezeteket képes létrehozni, mint a fa, addig a kitin még keményebb szerkezeteket képes létrehozni, mint a kagyló, a mészkő vagy akár a márvány, ha összenyomják.
Mindkét poliszacharid hosszú, lineáris láncok formájában alakul ki. Ezek a láncok hosszú szálakat alkotnak, amelyek a sejtmembránon kívül rakódnak le. Bizonyos fehérjék és más tényezők segítenek a szálaknak összetett formába szövődni, amelyet az oldalláncok közötti hidrogénkötések tartanak a helyükön. Így az egykor energiatárolásra használt egyszerű glükózmolekulák szerkezeti merevséggel rendelkező molekulákká alakíthatók át. Az egyetlen különbség a strukturális poliszacharidok és a tároló poliszacharidok között a felhasznált monoszacharidok. A glükózmolekulák konfigurációjának megváltoztatásával a szerkezeti poliszacharid helyett a molekula elágazik és sokkal több kötést tárol kisebb térben. A cellulóz és a keményítő között az egyetlen különbség a felhasznált glükóz konfigurációja.
Glikogén és keményítő
A glikogént és a keményítőt
A glikogént és a keményítőt, amelyek valószínűleg a legfontosabb tároló poliszacharidok a Földön, az állatok, illetve a növények termelik. Ezek a poliszacharidok egy központi kiindulópontból képződnek, és bonyolult elágazási mintázatuknak köszönhetően spirálisan haladnak kifelé. Az egyes poliszacharidokhoz kötődő különböző fehérjék segítségével a nagy, elágazó molekulák szemcséket vagy klasztereket alkotnak. Ez látható az alábbi képen, amelyen a glikogénmolekulák és a hozzájuk kapcsolódó fehérjék láthatóak középen.
A glikogén- vagy keményítőmolekula lebontásakor a felelős enzimek a középponttól legtávolabbi végekről indulnak. Ez azért fontos, mert észrevehetjük, hogy a kiterjedt elágazás miatt csak 2 kiindulási pont van, de sok végpont. Ez azt jelenti, hogy a monoszacharidok gyorsan kivonhatók a poliszacharidból, és energiaként hasznosíthatók. A keményítő és a glikogén között az egyetlen különbség a molekulánként előforduló elágazások száma. Ezt az okozza, hogy a monoszacharidok különböző részei kötéseket képeznek, és különböző enzimek hatnak a molekulákra. A glikogénben körülbelül 12 maradékonként fordul elő egy elágazás, míg a keményítőben csak 30 maradékonként fordul elő egy elágazás.
- Monoszacharid – A cukormolekulák legkisebb egysége, vagy cukormonomer.
- Monomer – Egyetlen egység, amely nagyobb egységgé, polimerré egyesíthető.
- Polimer – Ide tartoznak a fehérjék, poliszacharidok és sok más, kisebb egységekből álló molekulák, amelyek egymással kombinálva állnak.
- Polipeptid – Aminosav-monomerek polimerje, fehérjének is nevezik.
Kvíz
1. Ha egy ideje nem mostál fogat, észreveheted, hogy sárga lepedék kezd felhalmozódni. A lepedék egy része dextrákból, vagyis poliszacharidokból áll, amelyeket a baktériumok energiatárolásra használnak. Honnan szerzik be a baktériumok a monoszacharidokat, hogy létrehozzák ezeket a poliszacharidokat?
A. A napfényből szintetizálják őket.
B. A genetikai kódjukból állítják elő őket.
C. Az elfogyasztott ételmaradékból gyűjtik őket.
2. A növények mind az amilóz keményítőt, mind a cellulóz szerkezeti polimert glükóz egységekből állítják elő. A legtöbb állat nem képes megemészteni a cellulózt. Még a kérődzők, például a szarvasmarha sem képes megemészteni a cellulózt, és a cellulóz kötéseinek felbontásában szimbiózisban élő belső szervezetekre támaszkodnak. Minden emlős azonban amilázt termel, egy olyan enzimet, amely képes lebontani az amilózt. Miért nem képes az amiláz megbontani a cellulóz kötéseit?
A. A cellulóz és az amilóz szerkezetileg különbözik, és az amiláz nem ismeri fel a cellulózt.
B. A cellulóz glikozidos kötései erősebbek.
C. A cellulóz által létrehozott extracelluláris mátrixot nem lehet lebontani.
3. A hialuronsav a gerincesek ízületeiben található molekula, amely a csontok kipárnázására szolgáló kocsonyaszerű mátrix létrehozásával biztosít támasztékot. A hialuronán több különböző monoszacharidból jön létre, amelyek hosszú láncokban kapcsolódnak egymáshoz. Az alábbiak közül melyek jellemzik a hialuronánt?
1. Homopoliszacharid
2. Heteropoliszacharid
3. Polimer
4. Monomer
A. Mindegyik
B. 1, 3
C. 2, 3