Polysaccharide Definitie
Een polysaccharide is een groot molecuul dat is opgebouwd uit vele kleinere monosacchariden. Monosachariden zijn eenvoudige suikers, zoals glucose. Speciale enzymen binden deze kleine monomeren aan elkaar tot grote suikerpolymeren, of polysacchariden. Een polysaccharide wordt ook wel een glycan genoemd. Een polysacharide kan een homopolysacharide zijn, waarbij alle monosachariden hetzelfde zijn, of een heteropolysacharide waarbij de monosachariden variëren. Afhankelijk van welke monosachariden met elkaar verbonden zijn, en welke koolwaterstoffen in de monosachariden met elkaar verbonden zijn, nemen polysachariden verschillende vormen aan. Een molecuul met een rechte keten van monosacchariden wordt een lineaire polysaccharide genoemd, terwijl een keten die armen en bochten heeft bekend staat als een vertakte polysaccharide.
Functies van een Polysaccharide
Afhankelijk van hun structuur, kunnen polysacchariden een grote verscheidenheid van functies in de natuur hebben. Sommige polysacchariden worden gebruikt voor het opslaan van energie, sommige voor het verzenden van cellulaire boodschappen, en andere voor het ondersteunen van cellen en weefsels.
Opslaan van energie
Vele polysacchariden worden gebruikt om energie op te slaan in organismen. Terwijl de enzymen die energie produceren alleen werken op de monosacchariden die in een polysaccharide zijn opgeslagen, vouwen polysacchariden zich typisch samen en kunnen vele monosacchariden in een dicht gebied bevatten. Aangezien de zijketens van de monosachariden zoveel mogelijk waterstofbruggen met zichzelf vormen, kan er geen water in de moleculen binnendringen, waardoor ze hydrofoob zijn. Door deze eigenschap kunnen de moleculen bij elkaar blijven en niet oplossen in het cytosol. Hierdoor daalt de suikerconcentratie in een cel, en kan er meer suiker worden opgenomen. Niet alleen slaan polysacchariden de energie op, maar ze maken ook veranderingen in de concentratiegradiënt mogelijk, wat de cellulaire opname van voedingsstoffen en water kan beïnvloeden.
Cellulaire communicatie
Vele polysacchariden worden glycoconjugaten wanneer ze covalent gebonden raken aan eiwitten of lipiden. Glycolipiden en glycoproteïnen kunnen worden gebruikt om signalen tussen en binnen cellen te verzenden. Eiwitten die op weg zijn naar een specifiek organel kunnen worden “gelabeld” door bepaalde polysacchariden die de cel helpen ze naar een specifiek organel te verplaatsen. De polysacchariden kunnen worden geïdentificeerd door speciale eiwitten, die vervolgens helpen het eiwit, het blaasje of een andere stof aan een microtubule te binden. Het systeem van microtubuli en daaraan verbonden eiwitten in de cellen kan elke stof naar de plaats van bestemming brengen, zodra die is voorzien van specifieke polysacchariden. Voorts beschikken meercellige organismen over immuunsystemen die worden aangestuurd door de herkenning van glycoproteïnen op het oppervlak van cellen. De cellen van een enkel organisme produceren specifieke polysacchariden om hun cellen mee te versieren. Wanneer het immuunsysteem andere polysacchariden en andere glycoproteïnen herkent, komt het in actie, en vernietigt de binnendringende cellen.
Cellulaire ondersteuning
Verreweg een van de grootste rollen van polysacchariden is die van ondersteuning. Alle planten op aarde worden gedeeltelijk ondersteund door de polysaccharide cellulose. Andere organismen, zoals insecten en schimmels, gebruiken chitine om de extracellulaire matrix rond hun cellen te ondersteunen. Een polysaccharide kan worden gemengd met een willekeurig aantal andere componenten om weefsels te creëren die stijver of minder stijf zijn, of zelfs materialen met bijzondere eigenschappen. Tussen chitine en cellulose, beide polysacchariden gemaakt van glucose monosacchariden, worden jaarlijks honderden miljarden tonnen gecreëerd door levende organismen. Alles, van het hout in bomen tot de schelpen van zeedieren, wordt geproduceerd door een of andere vorm van polysaccharide. Door eenvoudigweg de structuur te herschikken, kunnen polysacchariden veranderen van opslagmoleculen in veel sterkere vezelmoleculen. De ringstructuur van de meeste monosacchariden helpt dit proces, zoals hieronder te zien is.
Structuur van een Polysaccharide
Alle polysacchariden worden gevormd door hetzelfde basisproces: monosacchariden worden verbonden via glycosidebindingen. In een polysaccharide worden de afzonderlijke monosacchariden residuen genoemd. Hieronder ziet u enkele van de vele monosachariden die in de natuur ontstaan. Afhankelijk van de polysaccharide kan elke combinatie ervan in serie worden gecombineerd.
De structuur van de moleculen die worden gecombineerd, bepaalt de structuren en eigenschappen van de resulterende polysaccharide. De complexe interactie tussen hun hydroxylgroepen (OH), andere zijgroepen, de configuraties van de moleculen en de betrokken enzymen hebben allemaal invloed op de resulterende polysaccharide die wordt geproduceerd. Een polysaccharide dat wordt gebruikt voor energieopslag zal gemakkelijk toegang geven tot de monosacchariden, terwijl het toch een compacte structuur behoudt. Een polysaccharide dat als drager wordt gebruikt, wordt gewoonlijk samengesteld als een lange keten van monosacchariden, die als een vezel fungeert. Veel vezels samen produceren waterstofbruggen tussen vezels die de algehele structuur van het materiaal versterken, zoals te zien is in de afbeelding hieronder.
De glycosidebindingen tussen monosachariden bestaan uit een zuurstofmolecuul dat twee koolstofringen overbrugt. De binding wordt gevormd wanneer een hydroxylgroep van de koolstof van het ene molecuul verloren gaat, terwijl de waterstof verloren gaat door de hydroxylgroep van een ander monosaccharide. De koolstof op het eerste molecuul zal de zuurstof van het tweede molecuul als zijn eigen vervangen, en de glycosidebinding wordt gevormd. Omdat er twee moleculen waterstof en één zuurstof worden uitgestoten, ontstaat er bij de reactie ook een watermolecuul. Dit type reactie wordt een dehydratatiereactie genoemd, omdat water uit de reactanten wordt verwijderd.
Voorbeelden van een Polysaccharide
Cellulose en Chitine
Cellulose en chitine zijn beide structurele polysacchariden die bestaan uit vele duizenden glucosemonomeren gecombineerd in lange vezels. Het enige verschil tussen de twee polysacchariden zijn de zijketens die aan de koolstofringen van de monosacchariden vastzitten. In chitine zijn de glucose monosacchariden gemodificeerd met een groep die meer koolstof, stikstof en zuurstof bevat. De zijketen creëert een dipool, waardoor de waterstofbinding toeneemt. Terwijl cellulose harde structuren kan produceren zoals hout, kan chitine nog hardere structuren produceren, zoals schelp, kalksteen en zelfs marmer wanneer het wordt samengeperst.
Beide polysacchariden vormen zich als lange, lineaire ketens. Deze ketens vormen lange vezels, die buiten het celmembraan worden afgezet. Bepaalde proteïnen en andere factoren helpen de vezels in een complexe vorm te weven, die op zijn plaats wordt gehouden door waterstofbruggen tussen de zijketens. Zo kunnen eenvoudige glucosemoleculen, die vroeger voor energieopslag werden gebruikt, worden omgezet in moleculen met structurele starheid. Het enige verschil tussen de structurele polysacchariden en de opslagpolysacchariden zijn de gebruikte monosacchariden. Door de configuratie van glucosemoleculen te veranderen, in plaats van een structureel polysaccharide, vertakt het molecuul zich en slaat het veel meer bindingen op in een kleinere ruimte. Het enige verschil tussen cellulose en zetmeel is de configuratie van de gebruikte glucose.
Glycogeen en Zetmeel
Waarschijnlijk de belangrijkste opslagpolysacchariden op de planeet, worden glycogeen en zetmeel geproduceerd door respectievelijk dieren en planten. Deze polysacchariden worden gevormd vanuit een centraal beginpunt, en spiraliseren naar buiten, door hun complexe vertakkingspatronen. Met behulp van verschillende eiwitten die zich aan individuele polysacchariden hechten, vormen de grote vertakte moleculen korrels, of clusters. Dit is te zien in de onderstaande afbeelding van glycogeenmoleculen en de bijbehorende eiwitten, die in het midden te zien zijn.
Wanneer een glycogeen- of zetmeelmolecuul wordt afgebroken, beginnen de verantwoordelijke enzymen aan de uiteinden die het verst van het centrum verwijderd zijn. Dit is belangrijk, want je zult zien dat er door de uitgebreide vertakking maar 2 beginpunten zijn, maar vele uiteinden. Dit betekent dat de monosacchariden snel uit de polysaccharide kunnen worden gehaald en worden gebruikt voor energie. Het enige verschil tussen zetmeel en glycogeen is het aantal vertakkingen dat per molecuul voorkomt. Dit wordt veroorzaakt door verschillende delen van de monosachariden die bindingen vormen, en verschillende enzymen die op de moleculen inwerken. In glycogeen komt een vertakking ongeveer om de 12 residuen voor, terwijl in zetmeel een vertakking slechts om de 30 residuen voorkomt.
- Monosaccharide – De kleinste eenheid van suikermoleculen, of een suikermonomeer.
- Monomeer – Een enkele entiteit die kan worden gecombineerd om een grotere entiteit, of polymeer, te vormen.
- Polymeer – Omvat eiwitten, polysacchariden, en vele andere moleculen die bestaan uit kleinere eenheden die samen zijn gecombineerd.
- Polypeptide – Een polymeer van aminozuurmonomeren, ook wel een eiwit genoemd.
Quiz
1. Als je je tanden al een tijdje niet gepoetst hebt, zie je misschien dat zich gele tandplak begint op te hopen. Een deel van de tandplak bestaat uit dextranen, of polysacchariden die bacteriën gebruiken om energie op te slaan. Waar halen de bacteriën de monosacchariden vandaan om deze polysacchariden te maken?
A. Ze synthetiseren ze uit zonlicht.
B. Ze maken ze uit hun genetische code.
C. Ze verzamelen ze uit de restjes voedsel die je eet.
2. Planten produceren zowel het zetmeel amylose, als het structurele polymeer cellulose, uit eenheden van glucose. De meeste dieren kunnen cellulose niet verteren. Zelfs herkauwers zoals runderen kunnen geen cellulose verteren en zijn afhankelijk van symbiotische inwendige organismen om de bindingen van cellulose te verbreken. Alle zoogdieren produceren echter amylase, een enzym dat amylose kan afbreken. Waarom kan amylase de bindingen van cellulose niet afbreken?
A. Cellulose en amylose zijn structureel verschillend, en amylase herkent cellulose niet.
B. De glycosidische bindingen van cellulose zijn sterker.
C. De extracellulaire matrix die door cellulose wordt gevormd, kan niet worden afgebroken.
3. Hyaluronzuur is een molecuul dat in de gewrichten van gewervelde dieren wordt aangetroffen en dat steun biedt door een geleiachtige matrix te vormen om de botten te beschermen. Hyaluronzuur wordt gemaakt van verschillende monosachariden die in lange ketens aan elkaar worden gebonden. Welke van de volgende beschrijvingen zijn van hyaluronzuur?
1. Homopolysaccharide
2. Heteropolysaccharide
3. Polymeer
4. Monomeer
A. Alle
B. 1, 3
C. 2, 3