Polisacharyd Definicja
Polisacharyd to duża cząsteczka zbudowana z wielu mniejszych monosacharydów. Monosacharydy to cukry proste, takie jak glukoza. Specjalne enzymy wiążą te małe monomery razem, tworząc duże polimery cukrowe, czyli polisacharydy. Polisacharyd jest również nazywany glikanem. Polisacharyd może być homopolisacharydem, w którym wszystkie monosacharydy są takie same, lub heteropolisacharydem, w którym monosacharydy różnią się między sobą. W zależności od tego, które monosacharydy są połączone i które węgle w monosacharydach się łączą, polisacharydy przybierają różne formy. Cząsteczka z prostym łańcuchem monosacharydów jest nazywana polisacharydem liniowym, podczas gdy łańcuch, który ma ramiona i skręty jest znany jako polisacharyd rozgałęziony.
Funkcje polisacharydów
Zależnie od ich struktury, polisacharydy mogą pełnić wiele różnych funkcji w przyrodzie. Niektóre polisacharydy są wykorzystywane do przechowywania energii, niektóre do wysyłania wiadomości komórkowych, a inne do zapewniania wsparcia komórkom i tkankom.
Przechowywanie energii
Wiele polisacharydów jest wykorzystywanych do przechowywania energii w organizmach. Podczas gdy enzymy wytwarzające energię działają tylko na monosacharydy przechowywane w polisacharydzie, polisacharydy zazwyczaj składają się razem i mogą zawierać wiele monosacharydów w gęstym obszarze. Ponadto, ponieważ łańcuchy boczne monosacharydów tworzą ze sobą jak najwięcej wiązań wodorowych, woda nie może wniknąć do wnętrza cząsteczek, co czyni je hydrofobowymi. Ta właściwość pozwala cząsteczkom pozostać razem i nie rozpuścić się w cytozolu. W ten sposób obniża się stężenie cukru w komórce i więcej cukru może zostać pobrane. Nie tylko polisacharydy przechowują energię, ale pozwalają na zmiany w gradiencie stężeń, co może wpływać na komórkowy pobór składników odżywczych i wody.
Komórkowa komunikacja
Wiele polisacharydów staje się glikokoniugatami, gdy stają się kowalencyjnie związane z białkami lub lipidami. Glikolipidy i glikoproteiny mogą być używane do wysyłania sygnałów między komórkami i wewnątrz nich. Białka kierowane do określonego organelle mogą być „znakowane” przez pewne polisacharydy, które pomagają komórce przenieść je do określonego organelle. Polisacharydy mogą być identyfikowane przez specjalne białka, które następnie pomagają związać białko, pęcherzyk lub inną substancję z mikrotubulą. System mikrotubul i związanych z nimi białek w komórkach może przenieść każdą substancję do miejsca przeznaczenia po oznaczeniu jej przez specyficzne polisacharydy. Co więcej, organizmy wielokomórkowe mają systemy odpornościowe napędzane przez rozpoznawanie glikoprotein na powierzchni komórek. Komórki pojedynczego organizmu wytwarzają specyficzne polisacharydy, którymi ozdabiają swoje komórki. Kiedy układ odpornościowy rozpoznaje inne polisacharydy i inne glikoproteiny, zostaje uruchomiony i niszczy komórki inwazyjne.
Wsparcie komórkowe
Zdecydowanie jedną z największych ról polisacharydów jest rola wsparcia. Wszystkie rośliny na Ziemi są wspierane, w części, przez celulozę polisacharydową. Inne organizmy, takie jak owady i grzyby, używają chityny do podtrzymywania macierzy zewnątrzkomórkowej wokół swoich komórek. Polisacharyd można zmieszać z dowolną liczbą innych składników, aby stworzyć tkanki bardziej lub mniej sztywne, a nawet materiały o specjalnych właściwościach. Między chityną a celulozą, obydwoma polisacharydami zbudowanymi z monosacharydów glukozy, setki miliardów ton są tworzone przez żywe organizmy każdego roku. Wszystko, od drewna w drzewach po muszle stworzeń morskich, jest wytwarzane przez jakąś formę polisacharydu. Po prostu poprzez zmianę struktury, polisacharydy mogą przejść od cząsteczek magazynujących do znacznie silniejszych cząsteczek włóknistych. Struktura pierścieniowa większości monosacharydów wspomaga ten proces, jak widać poniżej.
Struktura polisacharydu
Wszystkie polisacharydy powstają w wyniku tego samego podstawowego procesu: monosacharydy są połączone za pomocą wiązań glikozydowych. W polisacharydach, poszczególne monosacharydy są znane jako reszty. Poniżej przedstawiono tylko niektóre z wielu monosacharydów występujących w przyrodzie. W zależności od polisacharydu, każda ich kombinacja może być połączona w szereg.
Struktura łączonych cząsteczek determinuje struktury i właściwości powstałego polisacharydu. Złożone interakcje pomiędzy ich grupami hydroksylowymi (OH), innymi grupami bocznymi, konfiguracjami cząsteczek oraz zaangażowanymi enzymami wpływają na powstający polisacharyd. Polisacharyd wykorzystywany do magazynowania energii będzie zapewniał łatwy dostęp do monosacharydów, zachowując jednocześnie zwartą strukturę. Polisacharyd stosowany jako podpora jest zwykle złożony jako długi łańcuch monosacharydów, który działa jak włókno. Wiele włókien razem wytwarza wiązania wodorowe pomiędzy włóknami, które wzmacniają ogólną strukturę materiału, jak widać na poniższym obrazku.
Wiązania glikozydowe pomiędzy monosacharydami składają się z cząsteczki tlenu mostkującej dwa pierścienie węglowe. Wiązanie jest tworzone, gdy grupa hydroksylowa jest tracona z węgla jednej cząsteczki, podczas gdy wodór jest tracony przez grupę hydroksylową innego monosacharydu. Węgiel w pierwszej cząsteczce zastąpi tlen z drugiej cząsteczki jako swój własny, i powstaje wiązanie glikozydowe. Ponieważ wydalane są dwie cząsteczki wodoru i jedna tlenu, w wyniku reakcji powstaje również cząsteczka wody. Ten typ reakcji nazywany jest reakcją dehydratacji, ponieważ woda jest usuwana z reagentów.
Przykłady polisacharydów
Celuloza i chityna
Celuloza i chityna są zarówno polisacharydami strukturalnymi, które składają się z wielu tysięcy monomerów glukozy połączonych w długie włókna. Jedyną różnicą pomiędzy tymi dwoma polisacharydami są łańcuchy boczne dołączone do pierścieni węglowych monosacharydów. W chitynie, monosacharydy glukozy zostały zmodyfikowane grupą zawierającą więcej węgla, azotu i tlenu. Łańcuch boczny tworzy dipol, który zwiększa wiązanie wodorowe. Podczas gdy celuloza może wytwarzać twarde struktury, takie jak drewno, chityna może wytwarzać jeszcze twardsze struktury, takie jak skorupa, wapień, a nawet marmur po skompresowaniu.
Oba polisacharydy tworzą długie, liniowe łańcuchy. Łańcuchy te tworzą długie włókna, które są składane na zewnątrz błony komórkowej. Niektóre białka i inne czynniki pomagają włókna splotu do złożonego kształtu, który jest utrzymywany w miejscu przez wiązania wodorowe między łańcuchami bocznymi. W ten sposób proste cząsteczki glukozy, które kiedyś służyły do magazynowania energii, mogą zostać przekształcone w cząsteczki o sztywnej strukturze. Jedyną różnicą między polisacharydami strukturalnymi a magazynującymi jest rodzaj użytych monosacharydów. Poprzez zmianę konfiguracji cząsteczek glukozy, zamiast strukturalnego polisacharydu, cząsteczka rozgałęzia się i magazynuje o wiele więcej wiązań na mniejszej przestrzeni. Jedyną różnicą między celulozą a skrobią jest konfiguracja użytej glukozy.
Glikogen i skrobia
Prawdopodobnie najważniejsze polisacharydy magazynowe na planecie, glikogen i skrobia są produkowane odpowiednio przez zwierzęta i rośliny. Te polisacharydy są tworzone z centralnego punktu początkowego i spiralnie rozchodzą się na zewnątrz, dzięki złożonym wzorcom rozgałęzień. Z pomocą różnych białek, które przyłączają się do poszczególnych polisacharydów, duże rozgałęzione cząsteczki tworzą granulki lub skupiska. Można to zaobserwować na poniższym obrazie cząsteczek glikogenu i związanych z nimi białek, widocznych w środku.
Gdy cząsteczka glikogenu lub skrobi jest rozbijana, enzymy odpowiedzialne za to zaczynają się na końcach najbardziej oddalonych od środka. Jest to ważne, ponieważ można zauważyć, że z powodu rozległego rozgałęzienia istnieją tylko 2 punkty początkowe, ale wiele końców. Oznacza to, że monosacharydy mogą być szybko wyodrębnione z polisacharydów i wykorzystane do produkcji energii. Jedyną różnicą między skrobią a glikogenem jest liczba rozgałęzień występujących w każdej cząsteczce. Jest to spowodowane różnymi częściami monosacharydów tworzącymi wiązania oraz różnymi enzymami działającymi na cząsteczki. W glikogenie rozgałęzienie występuje co około 12 reszt, podczas gdy w skrobi rozgałęzienie występuje tylko co 30 reszt.
- Monosacharyd – Najmniejsza jednostka cząsteczek cukru lub monomer cukru.
- Monomer – Pojedyncza jednostka, która może być połączona w celu utworzenia większej jednostki lub polimeru.
- Polimer – Obejmuje białka, polisacharydy i wiele innych cząsteczek istniejących z mniejszych jednostek połączonych razem.
- Polipeptyd – Polimer monomerów aminokwasów, zwany również białkiem.
Quiz
1. Jeśli od jakiegoś czasu nie szczotkowałeś zębów, możesz zauważyć, że zaczyna się na nich odkładać żółta płytka nazębna. Część płytki nazębnej składa się z dekstranów, czyli polisacharydów, które bakterie wykorzystują do magazynowania energii. Skąd bakterie czerpią monosacharydy, aby stworzyć te polisacharydy?
A. Syntetyzują je ze światła słonecznego.
B. Tworzą je ze swojego kodu genetycznego.
C. Zbierają je z resztek jedzenia, które zjadasz.
2. Rośliny wytwarzają zarówno skrobię amylozę, jak i polimer strukturalny celulozę z jednostek glukozy. Większość zwierząt nie może trawić celulozy. Nawet przeżuwacze, takie jak bydło, nie mogą trawić celulozy i polegają na symbiotycznych organizmach wewnętrznych, które rozbijają wiązania celulozy. Jednak wszystkie ssaki wytwarzają amylazę, enzym, który może rozłożyć amylozę. Dlaczego amylaza nie może rozerwać wiązań celulozy?
A. Celuloza i amyloza różnią się strukturalnie, a amylaza nie rozpoznaje celulozy.
B. Wiązania glikozydowe celulozy są silniejsze.
C. Macierz zewnątrzkomórkowa tworzona przez celulozę nie może zostać rozłożona.
3. Hialuronan jest cząsteczką znajdującą się w stawach kręgowców, która zapewnia wsparcie poprzez tworzenie galaretowatej matrycy amortyzującej kości. Hialuronan jest utworzony z kilku różnych monosacharydów połączonych ze sobą w długie łańcuchy. Które z poniższych określeń opisuje hialuronan?
1. homopolisacharyd
2. heteropolisacharyd
3. polimer
4. monomer
A. Wszystkie z nich
B. 1, 3
C. 2, 3