Полисахариды: строение, свойства и применение¶
Полисахариды — класс высокомолекулярных углеводов, молекулы которых состоят из множества (от десятков до сотен тысяч) моносахаридных остатков, соединённых гликозидными связями. В отличие от олигосахаридов, к которым относят дисахариды, полисахариды не обладают сладким вкусом, как правило, нерастворимы в воде или образуют коллоидные растворы и не кристаллизуются. Общая формула большинства из них может быть записана как (C₆H₁₀O₅)ₙ. Это один из трёх основных классов биополимеров наряду с белками и нуклеиновыми кислотами; полисахариды выполняют в живых организмах структурные, запасающие и защитные функции.
¶Строение и классификация
Молекулы полисахаридов построены из повторяющихся звеньев — остатков моносахаридов. Ключевые характеристики, определяющие свойства полимера, — тип мономера, длина цепи, степень разветвления и характер гликозидных связей.
По составу мономеров различают:
- Гомополисахариды — состоят из остатков одного моносахарида (крахмал, целлюлоза, гликоген, хитин).
- Гетерополисахариды — включают два и более разных мономера (гепарин, гиалуроновая кислота, агар-агар, пектины).
По строению цепи выделяют линейные (целлюлоза, амилоза) и разветвлённые (амилопектин, гликоген) полимеры. Связи между звеньями чаще всего α- или β-гликозидные; именно их типом объясняется, например, различие между крахмалом и целлюлозой при одинаковом мономере — глюкозе.
По функциям в организме полисахариды делят на:
- резервные (запасные) — крахмал у растений, гликоген у животных и грибов;
- структурные — целлюлоза у растений, хитин у членистоногих и грибов, пептидогликан в клеточных стенках бактерий;
- защитные и опорные — гетерополисахариды межклеточного матрикса.
¶Важнейшие представители
| Полисахарид | Мономер | Источник | Основная функция |
|---|---|---|---|
| Крахмал | Глюкоза | Картофель, злаки | Запас энергии у растений |
| Целлюлоза | Глюкоза | Древесина, хлопок | Структурная основа клеточных стенок |
| Гликоген | Глюкоза | Печень, мышцы животных | Запас энергии у животных |
| Хитин | N-ацетилглюкозамин | Панцири ракообразных, грибы | Опорная функция |
| Гепарин | Глюкозамин, уроновые кислоты | Тучные клетки | Антикоагулянт |
Крахмал — смесь двух полимеров: линейной амилозы и разветвлённого амилопектина. В горячей воде набухает, образуя клейстер. При гидролизе распадается через декстрины до мальтозы и глюкозы.
Целлюлоза — самый распространённый органический полимер на Земле. Её β-1,4-гликозидные связи не расщепляются пищеварительными ферментами человека, поэтому для людей она служит балластным веществом (пищевыми волокнами). Жвачные животные и термиты переваривают её благодаря симбиотическим микроорганизмам.
Хитин по строению близок к целлюлозе, но несёт ацетиламиногруппу. Из него получают хитозан, применяемый в медицине и водоочистке.
¶Свойства
Полисахариды аморфны, нелетучи, термически неустойчивы. При нагревании с кислотами или под действием ферментов гидролизуются до моносахаридов. Многие из них образуют вязкие коллоидные растворы, способны к студнеобразованию (агар-агар, пектин). Химически они инертны в обычных условиях, но содержат гидроксильные группы, что позволяет получать производные — эфиры, сложные эфиры (например, ацетат целлюлозы, нитроцеллюлозу).
¶Получение и применение
Крахмал и целлюлозу получают из растительного сырья в промышленных масштабах. Целлюлоза служит основой для производства бумаги, картона, вискозы, лаков, взрывчатых веществ, а также для получения этанола гидролизом. Крахмал применяют в пищевой промышленности как загуститель, в текстильной — для шлихтования тканей, в фармацевтике — как наполнитель таблеток.
Гетерополисахариды используются в медицине (гепарин как антикоагулянт, гиалуроновая кислота в офтальмологии и косметологии), в пищевой индустрии (агар, пектин, камеди как стабилизаторы и желирующие агенты).
В России исследования полисахаридов ведут институты Российской академии наук, в частности Институт органической химии и Институт биоорганической химии; значительное внимание уделяется хитину и хитозану из дальневосточного сырья, а также пектинам из яблок и свёклы.
¶Биологическое значение
Резервные полисахариды обеспечивают хранение энергии: при расщеплении гликогена в организме высвобождается глюкоза, поддерживающая уровень сахара в крови. Структурные полисахариды придают клеткам прочность и форму, защищают от механических повреждений и патогенов. Гетерополисахариды межклеточного вещества регулируют диффузию веществ, участвуют в узнавании клеток и свёртывании крови. Пищевые волокна (целлюлоза, пектины) стимулируют перистальтику кишечника и связывают токсины.
¶Интересные факты
- Масса молекулы целлюлозы в древесине может достигать нескольких миллионов углеродных единиц.
- Гликоген в печени человека запасается в количестве до 100–120 граммов.
- Хитин по распространённости в природе уступает только целлюлозе.
- Агар-агар получают из красных водорослей; он плавится при 85–95 °C, а застывает при 35–40 °C.
Источники: учебники по органической и биологической химии, справочные материалы по биохимии и полимерам, энциклопедические издания по химии.