Polysaccharide

Polysaccharide Definition

A polysaccharide is a large molecule made of many smaller monosaccharides. 単糖類はグルコースのような単純な糖である。特殊な酵素がこれらの小さな単量体を結合して、大きな糖のポリマー、すなわち多糖類を作る。多糖類は糖鎖とも呼ばれる。多糖類には、すべての単糖が同じであるホモ多糖類と、単糖が異なるヘテロ多糖類がある。どの単糖がつながっているか、単糖のどの炭素がつながっているかによって、多糖は様々な形態をとる。

多糖類の機能

多糖類はその構造によって、自然界でさまざまな機能を発揮する。ある多糖類はエネルギーを貯蔵するために、あるものは細胞のメッセージを送るために、またあるものは細胞や組織をサポートするために使われます。

エネルギーの貯蔵

多くの多糖類は生物においてエネルギーを貯蔵するために使われます。エネルギーを生産する酵素は多糖類に貯蔵された単糖類にしか働かないが、多糖類は一般に折り重なり、多くの単糖類を密集して含むことができる。さらに、単糖の側鎖は自分自身とできるだけ多くの水素結合を形成するため、水が分子に侵入できず、疎水性を示す。この性質により、分子は細胞質内に溶け出すことなく、一緒にいることができる。このため、細胞内の糖濃度が下がり、より多くの糖が取り込まれるようになる。

細胞内コミュニケーション

多くの多糖類は、タンパク質や脂質と共有結合すると糖鎖複合体になる。糖脂質や糖タンパク質は細胞間や細胞内のシグナル伝達に利用される。特定のオルガネラに向かうタンパク質は、細胞が特定のオルガネラに移動するのを助けるために、ある種の多糖類によって “タグ付け “されることがある。多糖類は特殊なタンパク質によって識別され、タンパク質、小胞、その他の物質が微小管に結合するのを助ける。細胞内の微小管と関連するタンパク質のシステムは、多糖類によってタグ付けされたどんな物質も目的の場所に運ぶことができる。さらに、多細胞生物は、細胞表面の糖タンパク質を認識することにより、免疫系を駆動している。単一生物の細胞は、特定の多糖類を作り出し、その細胞を装飾する。免疫系は他の多糖類や異なる糖タンパク質を認識すると活動を開始し、侵入した細胞を破壊する。

細胞の支持

多糖類の最大の役割は、支持ということである。地球上のすべての植物は、セルロースという多糖類によって部分的に支えられています。また、昆虫や菌類はキチンを使って細胞外マトリックスを形成している。多糖類は、他の成分と混ぜることで、より硬い組織、より硬くない組織、あるいは特殊な性質を持つ物質などを作ることができる。グルコース単糖からなる多糖類であるキチンとセルロースの間には、年間数千億トンが生物によって作り出されている。樹木の木材から海の生物の貝殻に至るまで、すべてが何らかの多糖類によって生み出されているのである。多糖類は、その構造を変えるだけで、貯蔵分子からより強力な繊維状分子へと変化する。

Structure of a Polysaccharide

すべての多糖類は同じ基本プロセスで形成される：単糖はグリコシド結合を介して接続されています。多糖の場合、個々の単糖は残基と呼ばれる。以下に示すのは、自然界で作られる多くの単糖の一部である。多糖類によっては、これらの任意の組み合わせを直列に組み合わせることができる。水酸基（OH）、その他の側鎖、分子の配置、関与する酵素の間の複雑な相互作用が、結果として生成する多糖類に影響を与えるのである。エネルギー貯蔵に使われる多糖は、コンパクトな構造を保ちつつ、単糖に容易にアクセスできるようになる。支持体として使われる多糖類は、通常、単糖の長い鎖として組み立てられ、それが繊維として機能する。多くの繊維が一緒になって、下の画像に見られるように、材料の全体的な構造を強化する繊維間の水素結合を生成します。

Cellulose strand

単糖類間のグリコシド結合は、2つの炭素環を架橋する酸素分子で構成されています。この結合は、ある分子の炭素から水酸基が失われ、一方、別の単糖の水酸基によって水素が失われたときに形成される。 1番目の分子の炭素は2番目の分子の酸素を自分のものとして置き換え、グリコシド結合が形成される。水素2分子と酸素1分子が排出されるので、この反応によって水分子も生成される。

多糖類の例

セルロースとキチン

セルロースもキチンもグルコース単量体が何千個と結合して長い繊維状になった構造多糖類である。この2つの多糖の違いは、単糖の炭素環に結合している側鎖の違いだけである。キチンでは、グルコース単糖が、より多くの炭素、窒素、酸素を含む基で修飾されている。この側鎖は双極子を作り、水素結合を増加させる。セルロースは木のような硬い構造を作ることができるが、キチンは圧縮すると貝殻、石灰岩、さらには大理石のようなさらに硬い構造を作ることができる。

両方の多糖類は長い、直鎖として形成する。これらの鎖は長い繊維を形成し、細胞膜の外側に沈着する。ある種のタンパク質などの働きで繊維は複雑な形に編まれ、側鎖間の水素結合で固定される。こうして、かつてはエネルギー貯蔵に使われていた単純なグルコース分子を、構造的な剛性を持つ分子に変換することができる。構造多糖類と貯蔵多糖類の違いは、使用する単糖類だけである。構造多糖ではなく、グルコース分子の配置を変えることで、分子は枝分かれし、より小さなスペースに多くの結合を蓄えることができるようになる。セルロースとデンプンの唯一の違いは、使用されるグルコースの配置です。

Glycogen and Starch

おそらく地球上で最も重要な貯蔵多糖類、グリコーゲンとデンプンはそれぞれ動物と植物によって生産されています。これらの多糖類は、中央を出発点として、複雑な枝分かれのパターンにより、螺旋状に外側に広がって形成されています。個々の多糖類に付着する様々なタンパク質の助けを借りて、大きく枝分かれした分子は顆粒、またはクラスターを形成する。

グリコーゲン構造

グリコーゲンやデンプン分子が分解されるとき、その酵素は中心から最も遠い端から開始されます。これは重要なことで、広範な枝分かれのため、開始点は2つしかないが、末端は多数あることに気づくだろう。つまり、多糖類から単糖類を素早く取り出し、エネルギーとして利用することができるのです。デンプンとグリコーゲンの唯一の違いは、1分子あたりに発生する分岐の数である。これは単糖の異なる部分が結合を形成し、異なる酵素が分子に作用することによって生じる。

単糖類 – 糖分子の最小単位、または糖の単量体
単量体 – 結合してより大きな実体、または重合体を形成することができる単一の実体。
ポリマー – タンパク質、多糖類、その他多くの分子を含む。
ポリペプチド – アミノ酸単量体のポリマーで、タンパク質とも呼ばれます。しばらく歯磨きをしていないと、黄色い歯垢がたまり始めていることに気がつくかもしれません。歯垢の一部はデキストランと呼ばれる多糖類で、細菌がエネルギーを蓄えるために使用します。細菌はこの多糖類を作るための単糖類をどこから得ているのでしょうか。太陽光から合成しています。
B. 遺伝子のコードから作る。

質問1の答え

Cが正解です。一口食べるたびに、食べ物のかけらが歯と歯の間に挟まる。ほとんどの食品には単糖類が含まれており、これが細菌のエサとなり、デキストランにエネルギーを蓄え、歯垢を作ることができるのです。しかし、唾液の中で消化が始まり、食べ物が口の中にとどまると、細菌の繁殖を可能にする単糖類を放出し続けます。そのため、定期的に歯磨きやフロスをすることが大切です。

2. 植物はグルコース単位からデンプンのアミロースと構造ポリマーのセルロースの両方を生成します。ほとんどの動物はセルロースを消化することができません。牛のような反芻動物でさえセルロースを消化できず、セルロースの結合を切断するのは共生する体内生物に頼っている。しかし、すべての哺乳類はアミラーゼというアミロースを分解することができる酵素を産生する。なぜアミラーゼはセルロースの結合を切ることができないのでしょうか？
A．セルロースとアミロースは構造的に異なり、アミラーゼはセルロースを認識しない。
B. セルロースのグリコシド結合の方が強い。
C. セルロースの作る細胞外マトリックスは分解できない。

質問2の答え

Aが正解です。両分子の生成にはグルコースが使われるが、構成が異なる。アミロースでは、これが密な枝分かれを起こし、アミラーゼに消化される点が多く露出する。アミラーゼはアミロースを特異的に認識し、セルロースの結合に取り付いたり、切断したりすることはできない。これは、グリコシド結合がないだけで、セルロースの結合が強いことが一因である。セルロースには、アミロースにはない、側鎖間の結合が数多く見られます。これも形を保つのに役立っていますが、分解が不可能なわけではありません。牛は植物繊維の束を何時間も噛んで、セルロース分子間の結合をゆっくりと壊していく。

3. ヒアルロン酸は脊椎動物の関節に見られる分子で、骨のクッションとなるゼリー状のマトリックスを作り、支持力を発揮している。ヒアルロン酸は数種類の単糖が長い鎖状に結合してできたものである。次のうちどれがヒアルロン酸を表しているか？
1. ホモ多糖
2. ヘテロ多糖
3. ポリマー
4. モノマー
A. すべて
B. 1, 3
C. 2, 3

問題の答え

Cが正解です。ヒアルロナンは異なる種類の単糖からなる多糖類であり、ヘテロ多糖と呼ばれる。また、一般にポリマー、すなわちモノマーからなる分子として知られている。この場合、単糖が単量体である

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