Полизахаридите са полимерни въглехидрати, образувани от повтарящи се единици (моно- или дизахариди) свързани заедно чрез гликозидна връзка. Те често са линейни, но може да бъдат и разклонени в различна степен. Често полизахаридите са доста хетерогенни, съдържащи малки модификации при градивните си мономери. В зависимост от структурата си тези макромолекули може да имат различни свойства от изграждащите ги монозахариди. Те може да са аморфни или дори неразтворими във вода.[1][2]

Триизмерна структура на целулозата

Когато всички монозахариди, изграждащи полизахарида, са от един и същи вид (напр. α-D-Глюкоза), той се нарича хомополизахарид (от гръцки хомо еднакъв) или хомогликан. Когато обаче се съдържат повече видове мономери, полизахаридът се нарича хетерополизахарид (от гръцки хетеро различен) или хетерогликан.[3][4]

Примери за полизахариди са запасни вещества, като нишесте и гликоген, както и структурни полизахариди, като целулоза и хитин.

Полизахаридите имат обща формула Cx(H2O)y, където x обикновено е голямо число между 200 и 2500. Изхождайки от факта, че повтарящите се единици в полимерния скелет са шест въглеродни монозахариди, общата формула може да се представи като (C6H10O5)n, където 40≤n≤3000.

Запасни полизахариди

редактиране

Нишестето е глюкозен полимер, чиито глюкопиранозни единици са свързани чрез α- връзка. Изградено е от комбинирани амилоза (15 – 20%) и амилопектин (80 – 85%). Амилозата се състои от линейна верига, изградена от няколкостотин глюкозни остатъка, а амилкопектинът е разклонен и съдържа няколко хиляди глюкозни остатъка (всяка верига по 24 – 30 глюкозни остатъка). Нишестето е неразтворимо във вода. Може да бъде разградено чрез хидролиза, катализирана от ензим наречен амиалаза, който къса α-гликозидните връзки. Човекът и другите животни синтезират амилаза, така че са в състояние да смилат нишесте. Картофи, ориз, жито и царевица са основните източници на нишесте в човешката диета. Синтезът на нишесте е способът на растенията да складират глюкоза.

Гликоген

редактиране
 
Гликоген.

Гликогенът е полизахарид, срещан в животните, и е изграден от глюкозни остатъци. Веригата му е силно разклонена. Складира се в черния дроб и мускулите. Неразтворим е във вода и при реакция с йод дава червено оцветяване.

Арабиноксилани

редактиране

Арабиноксиланите се откриват в първичната и вторичната клетъчна стена на растенията. Основната им градивна единица е дизахарид, изграден от две пентози: арабиноза и ксилоза.

Целулоза

редактиране

Целулозата е основен структурен компонент на растенията. Дървесината е изградена предимно от целулоза и лигнин, докато повечето видове хартия, а също и памукът са почти чиста целулоза. Целулозата е полимер, изграден от повтарящи се глюкозни единици, свързани чрез β-гликозидна връзка. Хората, както и много животни, нямат ензим, който да къса β- връзките, така че те не са в състояние да храносмилат целулозата. Някои животни могат да я усвояват благодарение на ензим, отделян от бактерии, обитаващи червата им. Класически пример са термитите. Целулозата не се разтваря във вода и не дава цветна реакция с йод. Тя е най-разпространеният въглехидрат в природата.

Хитинът е един от многото природни полимери. Представлява дълга неразклонена верига, изградена от N-ацетилглюкозамин (2-(ацетиламино)-2-деокси-D-глюкоза). Той е един от най-разпространените природни материали на Земята и е основният компонент на клетъчната стена при гъбите, екзоскелетът при членестоногите (напр. насекоми, раци и др.), радулата и клюна на мекотелите. В структурно отношение хитинът може да се сравни с целулозата, докато във функционално е по-близък до протеина кератин при хората. Неговото разграждане се катализира от ензим, наречен хитиназа, секретиран от някои микроорганизми, като бактерии и фунги, както и от някои растения.

От химична гледна точка хитинът е близък на хитозана (по-добре разтворим дериват на хитина).

Пектините са семейство от комплексни полизахариди, изградени от 1,4-свързани остатъци на α-D-галактосилуронова киселина. Те се срещат в първичната клетъчна стена на растенията и недървесинните части на сухоземните растения.

Киселинни полизахариди

редактиране

Киселинни полизахариди са полизахаридите, съдържащи карбоксилна група, фосфатна група и/или сулфириново естерна група.

Бактериални полизахариди

редактиране

Бактериалните полизахариди представляват разнообразна група от макромолекули, като пептидогликан, липополизахариди, бактериална капсула и ексополизахариди; съединения, които обхващат множество функции: компоненти на клетъчната стена (напр. пептидогликан), важни вирулентни фактори (напр. поли-N-ацетилглюкозамин в S. aureus), фактори обезпечаващи преживяването на бактериите при неблагоприятни усливия (напр. Pseudomonas aeruginosa в човешки бял дроб).[5] Полизахаридната биосинтеза е фино регулирана, и е енергоемък процес. Разбирането на тънките взаимовръзки между регулация, „енергийна ефективност“, модификации и синтез, както и външните екологично проявления са от критично значение за човешкото познание. Потенциалните изгоди са огромни и се изразяват във възможността за създаване на нови антибактериални стратегии (напр. нови антибиотици и ваксини), както и създаването и усъвършенстването на нови промишнели методи и способи.[6][7]

Бактериални капсулни полизахариди

редактиране

Патогенните бактерии обикновено изграждат около себе си плътен мукозен слой от полизахариди. Тази „капсула“ покрива антигенните протеини на бактериалната повърхност, които в противен случай биха инициирали имунен отговор, който би довел до унищожаването на бактерията. Капсуларните полизахариди са водоразтворими, обикновено кисели и имат молекулна маса от рода на 100 – 1000 kDa. Те са линейни и се състоят от периодично повтарящи се мотиви изградено от един до шест монозахарида. Съществува огромно структурно разообразие; близо две хиляди различни полизахариди се синтезират само от E. coli. Смес от капсуларни полизахариди както и техни конюгати се използват като ваксини.

Бактериите както и другите микроорганизми, като фунги (гъби) и алги (водорасли), често секретират полизахариди като адаптационен механизъм, за да се залавят по-лесно към повърхността или за да се предпазят от изсъхване.

Повечето от тези полизахариди показват полезни вискозо-еластични свойства, когато бъдат разтворени в много малки количества във вода.[8]

Повърхностните полизахаиди играят различна ропя в бактериалната екология и физиология. Те служат като бариера между клетъчната стена и обкръважащата среда, опосредстват взаимодействието патоген-гостоприемник, и формират структурния компонент на биофилмите. Тези полизахариди се синтезират от нуклеотид-активирани прекурсори и в повечето случаи всички ензими необходими за синтезата, сглобяването и транспорта на целия полимер са кодирани от гени организирани в отелен клъстер (оперон), така че да бъдат транскрибирани групово. Липополизахаридите са едни от най-важните за клетъчната повърхност полизахариди, тъй като играят ключова структурна роля за целостта на външната мембрана, както и за взаимодействието патоген-гостоприемник.

Ензимите, изграждащи A-band (хомополимерни) и B-band (хетерополимерни) O-антигени, са индентифицирани, а метаболитните пътища установени.[9] Екзополизахаридът алгинат, който е линеен ко-полимер на β-1,4-свързани остатъци на D-мануронова киселина и L-гулуронова киселина, е отговорен за микоидния фенотип при късната фаза на заболяването муковисцидоза. pel и psl локусите са два открити генни клъстера, които също кодират екзополизахарид, важен за формирането на биофилма. Рамнолипид е биосърфактант, чиято синтеза е фино регулирана на ниво транскрипция, но точната му роля в заболяването не е установена все още. Гликозилирането на протеините пипин и флагелин е обект на изследване и е установено, че е отговорен за адхезията и инвазията при бактериална инфекция.[10]

Източници

редактиране
  1. Varki A, Cummings R, Esko J, Freeze H, Stanley P, Bertozzi C, Hart G, Etzler M. Essentials of glycobiology. Cold Spring Harbor Laboratory Press; 2nd edition, 2008. ISBN 0-87969-770-9.
  2. Varki A, Cummings R, Esko J, Jessica Freeze, Hart G, Marth J. Essentials of glycobiology. Cold Spring Harbor Laboratory Press, 1999. ISBN 0-87969-560-9.
  3. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version:  (2006–) "homopolysaccharide (homoglycan)".
  4. IUPAC, Compendium of Chemical Terminology, 2nd ed. (the "Gold Book") (1997). Online corrected version:  (2006–) "heteropolysaccharide (heteroglycan)".
  5. Sutherland, I. W. Polysaccharides from Microorganisms, Plants and Animals, in: Biopolymers, Volume 5, Polysaccharides I: Polysaccharides from Prokaryotes. Weiheim Wiley VCH, 2002. ISBN 978-3-527-30226-0. с. 1 – 19.
  6. Ullrich M (editor). Bacterial Polysaccharides: Current Innovations and Future Trends. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-45-5.
  7. Rehm BHA (editor). Microbial Production of Biopolymers and Polymer Precursors: Applications and Perspectives. Caister Academic Press, 2009. ISBN 978-1-904455-36-3.
  8. Viscosity of Welan Gum vs. Concentration in Water Архив на оригинала от 2011-07-18 в Wayback Machine..
  9. Guo H, Yi W, Song JK, Wang PG. Current understanding on biosynthesis of microbial polysaccharides // Curr Top Med Chem 8 (2). 2008. DOI:10.2174/156802608783378873. с. 141 – 51.
  10. Cornelis P (editor). Pseudomonas: Genomics and Molecular Biology. 1st. Caister Academic Press, 2008. ISBN 978-1-904455-19-6.