POLYSACCHARIDE: EIGENSCHAFTEN, STRUKTUR, KLASSIFIZIERUNG, BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Die Polysaccharide , oft Glykane genannt, sind chemische Verbindungen mit hohem Molekulargewicht, die aus mehr als 10 Einheiten einzelner Zucker (Monosaccharide) gebildet werden. Mit anderen Worten, es handelt sich um Monosaccharidpolymere, die über glykosidische Bindungen miteinander verbunden sind.

Dies sind sehr häufige Moleküle in der Natur, wie sie in allen Lebewesen vorkommen, wo sie eine Vielzahl von Funktionen erfüllen, von denen viele noch untersucht werden. Sie gelten als die größte Quelle erneuerbarer natürlicher Ressourcen auf der Erde.

Struktur von Cellulose, einem Homopolysaccharid (Quelle: http://www.monografias.com/trabajos46/celulosa-madera/celulosa-madera2.shtml / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa) /4.0) über Wikimedia Commons)

Die Wand von Pflanzenzellen besteht beispielsweise aus einem der am häufigsten vorkommenden Polysaccharide in der Biosphäre: Cellulose.

Diese Verbindung, die durch wiederholte Einheiten eines Monosaccharids namens Glucose gebildet wird, dient zusätzlich zu den Funktionen, die sie bei der Aufrechterhaltung der Pflanzenstruktur hat, als Nahrung für Tausende von Mikroorganismen, Pilzen und Tieren.

Der Mensch hat es im Laufe der Zeit geschafft, Zellulose für praktische Zwecke zu nutzen: Er verwendet Baumwolle, um Kleidung herzustellen, das "Fruchtfleisch" von Bäumen, um Papier herzustellen, und so weiter.

Ein weiteres sehr häufig vorkommendes Polysaccharid, das ebenfalls von Pflanzen produziert wird und für den Menschen von großer Bedeutung ist, ist Stärke, da es eine der Hauptquellen für Kohlenstoff und Energie ist. Es ist in den Körnern von Getreide, in Knollen usw.

Eigenschaften von Polysacchariden

- Sie sind Makromoleküle mit sehr hohem Molekulargewicht

- Sie bestehen hauptsächlich aus Kohlenstoff-, Wasserstoff- und Sauerstoffatomen

- Sie sind strukturell und funktionell sehr unterschiedlich

- Sie kommen in praktisch allen Lebewesen der Erde vor: Pflanzen, Tiere, Bakterien, Protozoen und Pilze

- Einige Polysaccharide sind in Wasser gut löslich, andere nicht, was normalerweise vom Vorhandensein von Verzweigungen in ihrer Struktur abhängt

- Sie arbeiten in der Energiespeicherung, in der zellulären Kommunikation, bei der strukturellen Unterstützung von Zellen und Geweben usw.

- Durch seine Hydrolyse werden in der Regel einzelne Rückstände (Monosaccharide) freigesetzt.

- Sie können als Teil komplexerer Makromoleküle gefunden werden, wie z. B. des Kohlenhydratanteils vieler Glykoproteine, Glykolipide usw.

Struktur

Wie eingangs erläutert, sind Polysaccharide Polymere mit mehr als 10 Zucker- oder Monosaccharidresten, die über glucosidische Bindungen miteinander verbunden sind.

Obwohl es sich um äußerst unterschiedliche Moleküle handelt (es gibt unendlich viele mögliche Strukturtypen), sind Pentose- und Hexosezucker, dh Zucker mit 5 bzw. 6 Kohlenstoffatomen, die häufigsten Monosaccharide in der Struktur eines Polysaccharids.

Vielfalt

Die Vielfalt dieser Makromoleküle liegt in der Tatsache, dass zusätzlich zu den verschiedenen Zuckern, aus denen sie bestehen können, jeder Zuckerrest in zwei verschiedenen cyclischen Formen vorliegen kann: Furanose oder Pyranose (nur solche Zucker mit 5 und 6 Kohlenstoffatomen).

Darüber hinaus können die glykosidischen Bindungen in der α- oder β-Konfiguration vorliegen, und als ob dies nicht ausreichend wäre, könnte die Bildung dieser Bindungen die Substitution einer oder mehrerer Hydroxylgruppen (-OH) im benachbarten Rest beinhalten.

Sie können auch durch Zucker mit verzweigten Ketten, durch Zucker ohne eine oder mehrere Hydroxylgruppen (-OH) und durch Zucker mit mehr als 6 Kohlenstoffatomen sowie durch verschiedene Derivate von Monosacchariden (häufig oder nicht) gebildet werden.

Grafische Darstellung eines linearen und eines verzweigten Polysaccharids (Quelle: jphwang / Public Domain, über Wikimedia Commons), modifiziert von Raquel Parada Puig

Linearkettige Polysaccharide packen im Allgemeinen besser in starren oder unflexiblen Strukturen und sind in Wasser unlöslich, im Gegensatz zu verzweigten Polysacchariden, die in Wasser gut löslich sind und in wässrigen Lösungen "pastöse" Strukturen bilden.

Klassifizierung von Polysacchariden

Die Klassifizierung von Polysacchariden basiert normalerweise auf ihrem natürlichen Vorkommen, es wird jedoch zunehmend üblich, sie nach ihrer chemischen Struktur zu klassifizieren.

Viele Autoren sind der Ansicht, dass der beste Weg zur Klassifizierung von Polysacchariden auf der Art der Zucker basiert, aus denen sie bestehen, nach denen zwei große Gruppen definiert wurden: die von Homopolysacchariden und die von Heteropolysacchariden.

Homopolysaccharide oder Homoglykane

Diese Gruppe umfasst alle Polysaccharide, die aus identischen Zucker- oder Monosaccharideinheiten bestehen, dh Homopolymere derselben Zuckersorte sind.

Die einfachsten Homopolysaccharide sind solche mit linearer Konformation, bei denen alle Zuckerreste über dieselbe Art chemischer Bindung verbunden sind. Cellulose ist ein gutes Beispiel: Es ist ein Polysaccharid, das aus Glucoseresten besteht, die durch β-Bindungen verbunden sind (1 → 4).

Es gibt jedoch komplexere Homopolysaccharide, die mehr als eine Art von Bindung in einer linearen Kette aufweisen und sogar Verzweigungen aufweisen können.

Beispiele für Homopolysaccharide, die in der Natur sehr häufig sind, sind Cellulose, Glykogen und Stärke, die alle aus sich wiederholenden Glucoseeinheiten bestehen; Diese Gruppe umfasst auch Chitin, das aus sich wiederholenden Einheiten von N-Acetylglucosamin, einem Derivat von Glucose, besteht.

Dann gibt es andere, die in der Literatur weniger populär sind, wie Fructane (bestehend aus Fructoseeinheiten), Pentosane (bestehend aus Arabinose oder Xylose) und Pektine (bestehend aus Derivaten der Galacturonsäure, die wiederum von Galactose abgeleitet sind).

Heteropolysaccharide oder Heteroglycane

Innerhalb dieser Gruppe werden andererseits alle Polysaccharide klassifiziert, die aus zwei oder mehr verschiedenen Zuckertypen bestehen, dh sie sind Heteropolymere verschiedener Zucker.

Die einfachsten Heteropolysaccharide werden durch zwei unterschiedliche Zuckerreste (oder Derivate von Zuckern) gebildet, die (1) in derselben linearen Kette oder (2) eine lineare Hauptkette und die andere Seitenketten bilden können.

Es kann jedoch auch Heteropolysaccharide geben, die aus mehr als 2 Arten hochverzweigter oder nicht zuckerhaltiger Reste bestehen.

Viele dieser Moleküle assoziieren mit Proteinen oder Lipiden und bilden Glykoproteine ​​und Glykolipide, die in tierischen Geweben sehr häufig vorkommen.

Sehr häufige Beispiele für Heteropolysaccharide sind solche, die Teil von Mucopolysacchariden wie Hyaluronsäure sind, die unter Tieren weit verbreitet sind und aus Glucuronsäureresten bestehen, die an N-Acetyl-D-Glucosaminreste gebunden sind.

Knorpel, der in allen Wirbeltieren vorhanden ist, weist auch reichlich vorhandene Heteropolysaccharide auf, insbesondere Chondroitinsulfat, das aus sich wiederholenden Einheiten von Glucuronsäure und N-Acetyl-D-Galactosamin besteht.

Eine allgemeine Tatsache über die Nomenklatur

Polysaccharide werden mit dem Oberbegriff Glycan benannt, daher verwenden die genauesten Nomenklaturen, um einen Namen zu geben, das Präfix "Elternzucker" und die Endung "-ano". Beispielsweise kann ein auf Glucoseeinheiten basierendes Polysaccharid als Glucan bezeichnet werden.

Beispiele für Polysaccharide

Im gesamten Text haben wir die häufigsten Beispiele angeführt, die zweifellos diese große Gruppe von Makromolekülen darstellen. Als nächstes werden wir einige von ihnen etwas weiterentwickeln und andere ebenso wichtige erwähnen.

Glykogen und Cellulose, zwei Polysaccharide (Quelle: Sunshineconnelly bei en.wikibooks / CC BY (https://creativecommons.org/licenses/by/2.5) über Wikimedia Commons, modifiziert von Raquel Parada Puig)

Cellulose und Chitin

Cellulose, ein Polymer aus Glucoseresten, ist zusammen mit Chitin ein Polymer aus N-Acetyl-Glucosamin-Resten, eines der am häufigsten vorkommenden Polymere auf der Erde.

Chitinmolekül

Ersteres ist ein wesentlicher Bestandteil der Wand, die Pflanzenzellen bedeckt, und letzteres befindet sich in der Zellwand von Pilzen und dem Exoskelett von Arthropoden, unglaublich vielfältigen und häufig vorkommenden wirbellosen Tieren, einschließlich Insekten und Insekten. Krebstiere zum Beispiel.

Beide Homopolysaccharide sind nicht nur für den Menschen, sondern für alle Ökosysteme in der Biosphäre gleich wichtig, da sie einen strukturellen Bestandteil der Organismen bilden, die sich an der Basis der Nahrungskette befinden.

Glykogen und Stärke

Polysaccharide dienen unter ihren vielfältigen Funktionen als Energiereservematerial. Stärke wird in Pflanzen und Glykogen in Tieren produziert.

Beide sind Homopolysaccharide, die aus Glucoseresten bestehen, die über verschiedene glycosidische Bindungen verbunden sind und zahlreiche Verzweigungen in recht komplexen Mustern aufweisen. Mit Hilfe einiger Proteine ​​können die beiden Arten von Molekülen kompaktere Körnchen bilden.

Stärke ist ein Komplex aus zwei verschiedenen Glucosepolymeren: Amylose und Amylopektin. Amylose ist ein lineares Polymer aus Glucoseresten, die durch α-Bindungen (1 → 4) verbunden sind, während Amylopektin ein verzweigtes Polymer ist, das über α-Bindungen (1 → 6) an Amylose bindet.

Stärkekörner in einer Kartoffelzelle. Quelle: Ganymede / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)

Glykogen ist andererseits auch ein Polymer von Glucoseeinheiten, die durch α (1 → 4) -Bindungen und mit zahlreichen durch α (1 → 6) -Bindungen verbundenen Verzweigungen verbunden sind. Dies hat eine signifikant höhere Anzahl von Zweigen als Stärke.

Struktur von Glykogen

Heparin

Heparin ist ein Glycosaminoglycan, das mit Sulfatgruppen assoziiert ist. Es ist ein Heteropolysaccharid, das aus Glucuronsäureeinheiten, von denen viele verestert sind, und N-Glucosaminsulfateinheiten besteht, die an ihrem 6-Kohlenstoff eine zusätzliche Sulfatgruppe aufweisen, die durch α (1 → 4) -Bindungen verbunden ist.

Struktur von Heparin. Bildquelle: Jü / CC0

Diese Verbindung wird üblicherweise als Antikoagulans verwendet, das normalerweise zur Behandlung von Herzinfarkten und instabiler Angina pectoris verschrieben wird.

Andere Polysaccharide

Pflanzen produzieren viele Substanzen, die reich an komplexen Heteropolysacchariden sind, einschließlich Gummi und anderen adhäsiven oder emulgierenden Verbindungen. Diese Substanzen sind oft reich an Polymeren aus Glucuronsäure und anderen Zuckern.

Bakterien produzieren auch Heteropolysaccharide, die oft in die sie umgebende Umgebung freigesetzt werden, weshalb sie als Exopolysaccharide bekannt sind.

Viele dieser Substanzen werden in der Lebensmittelindustrie als Geliermittel verwendet, insbesondere solche, die von Milchsäurebakterien synthetisiert werden.

Verweise

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