Структура и классификация полисахаридов
Полисахариды представляют собой высокомолекулярные соединения, образованные из множества остатков моносахаридов, соединённых между собой гликозидными связями. В зависимости от состава мономеров различают гомополисахариды, состоящие из одинаковых остатков сахаров (например, крахмал, целлюлоза, гликоген), и гетерополисахариды, построенные из различных моносахаридных звеньев (например, гиалуроновая кислота, гепарин, хондроитинсульфаты).
Полисахариды подразделяются на структурные и запасающие в зависимости от выполняемых ими биологических функций. Структурные полисахариды формируют каркас клеточных стенок растений и микроорганизмов, а также межклеточный матрикс животных тканей. Запасающие служат резервом углеводов, депонируемых организмом для обеспечения энергетических потребностей.
Запасающие полисахариды: крахмал и гликоген
Главными запасающими полисахаридами в природе являются крахмал у растений и гликоген у животных и грибов.
Крахмал — это гомополисахарид, построенный из остатков D-глюкозы, соединённых преимущественно α-1,4-гликозидными связями, с ветвлением через α-1,6-связи. Он состоит из двух фракций — амилозы и амилопектина. Амилоза образует спиралевидные неразветвлённые цепи, растворимые в горячей воде. Амилопектин имеет сильно разветвлённую структуру, что обуславливает его меньшую растворимость, но более высокую реакционную способность при гидролизе.
Функция крахмала заключается в накоплении энергии в форме, доступной для ферментативного расщепления при необходимости. В растительных клетках крахмал откладывается в виде зерен различной формы и размера, характерных для каждого вида растений. При гидролизе под действием фермента амилазы образуются декстрины, мальтоза и глюкоза, используемая в процессах дыхания.
Гликоген является аналогом крахмала у животных, однако отличается более высокой степенью ветвления: каждые 8–12 остатков глюкозы образуется новая цепь, соединённая α-1,6-гликозидной связью. Благодаря этому гликоген обладает большей растворимостью и быстрее подвергается ферментативному расщеплению. Основные запасы гликогена находятся в печени и мышцах. В печени он выполняет роль регулятора уровня глюкозы в крови, а в мышцах — источника энергии для сокращений.
Биосинтез гликогена (гликогенез) и его расщепление (гликогенолиз) строго регулируются гормонами — инсулином и глюкагоном, а также адреналином. Эти процессы обеспечивают поддержание энергетического гомеостаза в организме животных и человека.
Структурные полисахариды: целлюлоза, хитин и другие
Целлюлоза (клетчатка) — наиболее распространённый полисахарид на Земле. Она является основным компонентом клеточных стенок растений и некоторых микроорганизмов. Целлюлоза представляет собой линейный гомополимер, состоящий из β-D-глюкопиранозных остатков, соединённых β-1,4-гликозидными связями. Такое строение придаёт молекуле высокую прочность и устойчивость к гидролизу. Цепи целлюлозы формируют прочные микрофибриллы, объединённые водородными связями в волокнистые структуры.
Целлюлоза не растворяется в воде и не усваивается организмом человека из-за отсутствия фермента β-глюкозидазы, разрушающего β-1,4-связи. Однако некоторые микроорганизмы и жвачные животные, обладающие соответствующими ферментами, способны расщеплять целлюлозу до глюкозы. В природе целлюлоза играет важнейшую роль как строительный материал, обеспечивающий механическую устойчивость растительных тканей.
Хитин — основной структурный компонент клеточных стенок грибов и наружного скелета членистоногих. По строению он близок к целлюлозе, но вместо гидроксильной группы при втором атоме углерода содержит ацетамидную группу (–NHCOCH₃), что делает его производным N-ацетилглюкозамина. Гликозидные связи типа β-1,4 формируют линейные цепи, которые объединяются в кристаллические волокна, придающие тканям жесткость и устойчивость.
Пектиновые вещества представляют собой гетерополисахариды растительного происхождения, образованные в основном остатками галактуроновой кислоты и её метиловыми эфирами. Они содержатся в клеточных стенках и межклеточном веществе растений, участвуя в их прочности и тургоре. Пектины обладают способностью связывать воду и ионы кальция, образуя гели — свойство, лежащее в основе их применения в пищевой промышленности.
Гемицеллюлозы — это группа полисахаридов, которые, в отличие от целлюлозы, включают различные моносахаридные звенья (ксилозу, маннозу, галактозу, глюкуроновую кислоту). Они заполняют промежутки между микрофибриллами целлюлозы, обеспечивая упругость и эластичность клеточной стенки.
Гетерополисахариды биологических тканей животных
У животных и человека важную роль играют мукополисахариды (гликозаминогликаны) — линейные полисахариды, построенные из повторяющихся дисахаридных звеньев, содержащих аминозахара и уроновые кислоты.
Гиалуроновая кислота состоит из чередующихся остатков N-ацетилглюкозамина и D-глюкуроновой кислоты, соединённых β-1,3- и β-1,4-гликозидными связями. Она входит в состав межклеточного вещества соединительной, эпителиальной и нервной тканей, а также в синовиальную жидкость суставов, выполняя функции смазки и амортизации.
Хондроитинсульфаты содержат сульфатированные остатки галактозамина и глюкуроновой кислоты. Они входят в состав хрящей, сухожилий и костей, обеспечивая их прочность и эластичность.
Гепарин является сульфатированным полисахаридом, обладающим выраженной антикоагулянтной активностью. Его молекула содержит остатки глюкозамина и идуроновой кислоты, частично сульфатированные, что придаёт ему сильный отрицательный заряд. Гепарин препятствует свертыванию крови, активируя антитромбин III и ингибируя тромбин.
Физико-химические свойства и биологическая значимость
Полисахариды характеризуются высокой молекулярной массой, коллоидными свойствами и способностью образовывать вязкие растворы или гели. Нерастворимые формы (целлюлоза, хитин) формируют волокнистые структуры, а растворимые (крахмал, гликоген, пектины) выполняют функции накопления и транспорта энергии.
Функциональные свойства полисахаридов определяются типом гликозидных связей: α-связи придают молекулам гибкость и доступность для ферментов, в то время как β-связи образуют прочные, устойчивые структуры.
В биологических системах полисахариды выполняют разнообразные функции:
Таким образом, полисахариды являются фундаментальными биополимерами, обеспечивающими как энергетическую, так и структурную организацию живых систем. Их химическое разнообразие и способность к образованию сложных надмолекулярных структур определяют ключевое место в биоорганической химии и биохимии.