Полисахариды – это природные высокомолекулярные вещества, состоящие из большого количества остатков моносахаридов (рис.2.1). Полисахариды, в составе которых присутствуют остатки только одного моносахарида, называют гомополисахаридами. Если остатки моносахаридов разные, такие полисахариды называют гетерополисахаридами.
Полисахариды в различных организмах выполняют несколько важных биологических функций:
1) структурная у растений (целлюлоза);
2) защитная у членистоногих (хитин);
3) запасающая (крахмал – у растений; гликоген – у животных и грибов).
Рис. 2.1. Структура гомо- и гетерополисахаридов
Поскольку наиболее распространенными представителями полисахаридов являются крахмал, гликоген и целлюлоза, рассмотрим строение этих веществ подробнее.
Крахмал, широко распространенный резервный полисахарид растений, является наиболее важным углеводным компонентом пищевого рациона. Он содержится в хлоропластах листьев, плодах, семенах и клубнях. Оcoбeнно высоко содержание крахмала в зерновых культурах (до 75% от сухой массы), клубнях картофеля (примерно 65%) и других запасающих частях растений. Крахмал откладывается в форме микроскопических гранул в специальных органеллах – амилопластах. При продолжительном кипячении примерно 15-25% крахмала переходит в раствор в виде коллоида. Этот «растворимый крахмал» носит название «амилоза». Ocтальная часть, амилопектин, нe растворяется даже при очень длительном кипячении. И крахмал, и амилоза построены из остатков α-D-глюкозы, связанных α-(1,4`)-глюкозидными связями. Цепочки молекул крахмала имеют большую молекулярную массу. Молекулярная масса амилозы достигает 160000, а молекулярная масса амилопектина может составлять более 1000000.
Молекулы амилозы имеют вид нитей, а молекулы амилопектина имеют боковые ответвления, расположенные через 24 – 30 глюкозных остатков. Эти ответвления образуются по типу (1 – 6) глюкозидных связей:
Пространственные взаимоотношения между амилозой и амилопектином в растительных гранулах крахмала можно представить следующим образом, см. рис. 2.2.
Рис. 2.2. Пространственные взаимоотношения между амилозой и амилопектином в растительных гранулах крахмала
Гликоген – запасающий полисахарид животных и человека. Цепочки гликогена, как и крахмала, построены из остатков α-D-глюкозы, связанных α-(1,4)-глюкозидными связями. Но ветвление гликогена более частое, в среднем приходится на каждые 8 – 12 остатков глюкозы. Вследствие этого гликоген представляет собой более компактную массу, чем крахмал. Особенно много гликогена содержится в печени, где его количество может достигать 7% от массы всего органа. В гепатоцитах гликоген находится в гранулах большого размера, которые представляют собой кластеры, состоящие из более мелких гранул, являющихся единичными молекулами гликогена и имеющих среднюю молекулярную массу несколько миллионов. Эти гранулы содержат также ферменты, способные катализировать реакции синтеза и реакции распада гликогена.
Поскольку каждое ответвление гликогена оканчивается невосстанавливающим остатком глюкозы, молекула гликогена имеет столько же невосстанавливающих концов, сколько ответвлений, и только один восстанавливающий конец. Ферменты деградации гликогена воздействуют только на невосстанавливающие концы и могут одновременно функционировать на многих ветвях молекулы. Это значительно увеличивает суммарную скорость распада молекулы гликогена на моносахариды.
Для чего необходимо сохранять глюкозу в форме полисахарида? Рассчитано, что гепатоциты содержат столько гликогена, что если бы содержащаяся в нем глюкоза находилась в свободной форме, ее концентрация в клетке составила бы 0,4 М. Это бы обусловило очень высокое осмотическое давление среды, при котором клетка не смогла бы существовать. Концентрация глюкозы в крови обычно составляет 5 мМ. Таким образом, между кровью и цитоплазмой гепатоцита возник бы очень большой градиент концентрации глюкозы, вода из крови стала бы входить внутрь клетки, что привело бы к ее раздутию и разрыву плазматической мембраны. Таким образом, синтез гликогена позволяет не допустить чрезмерного изменения осмотических свойств клетки при хранении значительных количеств глюкозы.
Цeллюлoзa состоит из остатков глюкозы, связанных, в отличие от крахмала и гликогена, в положении β(1→4). Она является самым распространенным органическим соединением в живой природе. Молекулярная масса целлюлозы может составлять 1000000 и более. Природная целлюлоза обладает высокой механической прочностью, устойчива к химическому и ферментативному гидролизу. Эти свойства связаны с конформацией молекул и особенностями надмолекулярной организации. Неразветвленные связи типа β(1→4) приводят к oбpaзoвaнию линейных цепей, которые стабилизированы внутри- и межцепочечными водородными мостиками, образованными гидроксильными группами, см. рис.2.3.
Рис. 2.3. Образование водородных связей в молекуле целлюлозы
