10.3. Poliszacharidok

A fontosabb homo- és heteropoliszacharidok jellemző tulajdonságait a 10.2. táblázatban foglaltuk össze.

10.2. táblázat: Poliszacharidok

10.2. táblázat: Poliszacharidok

A poliszacharidok (glikánok), a polipeptidekkel és a nukleinsavláncokkal ellentétben lehetnek elágazók is. Összetételük szerint léteznek homo- és heteropoliszacharidok.

A természetben az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló biomolekula, a cellulóz homopolimer, β-D-glükóz egységek (több tízezer), β14 glikozidos kötésekkel kapcsolódnak össze lineáris polimerré (lásd 10.3. ábra). Becslések szerint évente ~1012 tonna cellulóz szintetizálódik a növények sejtfalanyagaként. Mivel a glükóz egységek β-konfigurációban vannak, a kialakuló cellulózláncok nyújtott konformációjúak, könnyen képeznek vízben oldhatatlan fibrillumokat, kötegeket, amelyeket a láncok közötti hidrogénhidak tartanak össze. Közismert, hogy az állatokban hiányzik a lebontásukért felelős celluláz enzim.

10.3. ábra: A cellulóz, a keményítő és a glikogén szerkezete (részlet)

10.3. ábra: A cellulóz, a keményítő és a glikogén szerkezete (részlet)

A cellulóz mellett, a faanyag, a lignin is nagy mennyiségben szintetizálódik a természetben (>106 t/ év). A lignin egy komplex heteropolimer (nem szénhidrát!), fenilalanin és tirozin aminosavakból és glükózból indul ki a szintézise, s a pontos szerkezetét még ma sem ismerjük (de erősen hidrofób tulajdonságú).

Az α-D-glükózból felépülő homopolimerek a keményítő (amilum) és az „állati keményítő” néven is ismert glikogén, az állatok legfontosabb szénhidrát energiaraktározó vegyülete. A α1→4 glikozidos kötés (lásd 10.3. ábra) miatt ezek a láncok el nem ágazó formában helikális konformációt vesznek fel (lásd 10.4. ábra).

10.4. ábra: Az amilóz helikális szerkezete

10.4. ábra: Az amilóz helikális szerkezete

A keményítő valójában a lineárisamilóz (lásd 10.4. ábra) és az elágazóamilopektin molekulák keveréke. Az elágazások mindig α16 glikozidos kötések (lásd Haworth-féle ábrázolásban a 10.5. ábrán). A 2-200 ezer glükóz monomerből felépülő amilopektin láncok 25-30 egységenként ágaznak el.

10.5. ábra: Elágazások (α1→6 glikozidos kötések) a keményítőben

10.5. ábra: Elágazások (α16 glikozidos kötések) a keményítőben

A glikogén az amilopektinhez hasonlít, de az α16 elágazások 8-12 egységenként követik egymást (ennek következtében a glikogén még kompaktabb szerkezetű lesz, mint a keményítő). Az állati sejtek citoplazmájában megfigyelhető glikogén részecskékben (amelyek májsejtekben a nedves tömeg 7%-át is kitehetik), a ~50 ezer α-D-glükózból álló láncok a bioszintézisükben résztvevő enzim, a glikogenin köré szerveződnek (lásd 10.6. ábra).

(A glikogén-szintáz enzim működéséhez templátra van szükség, mely minimum 4 glükóz egységet tartalmaz. A lánckezdést végzi a glikoziltranszferáz aktivitású glikogenin. A növekvő glükózlánc az enzimen egy Tyr oldallánchoz kapcsolódik. Az aktivált glükóz egységek – mint az a glikozidos kötések kialakítására általánosan igaz – UDP-glükózból származnak.).

A sejtek vajon miért glikogén és nem glükóz formájában tárolják a hasznosítható kémiai energiát? Gondoljunk bele, ha a májsejtekben a glikogén (aminek a koncentrációja ~0,01 μM) glükózként lenne jelen (0,4 M-os koncentráció!), az a sejt számára elviselhetetlen ozmotikus körülményeket jelentene.

A kitin N-acetil-glükózamin monomerekből β-1→4 kötésekkel létrejövő lineáris poliszacharid, az ízeltlábúak külső vázának fő alkotóeleme (a bioszférában évente 109 t szintetizálódik). A cellulózhoz hasonlóan fibrillumokat alkot és az állatok nem tudják lebontani (nincs kitináz enzimük).

10.6. ábra: Egy glikogén részecske szerkezete (középen a glikogenin fehérje)

10.6. ábra: Egy glikogén részecske szerkezete (középen a glikogenin fehérje)

A dextrán α1→6 glükóz egységekből felépülő poliszacharid, amelyben elsősorban α1→3, de ezenkívül α1→2 és α1→4 elágazások is előfordulnak. Egyes baktériumok és élesztők szintetizálják, a fogakon lerakódó plakkok egyik fő komponense. Biokémiai jelentősége még, hogy különböző, kémiai kereszkötésekkel térhálósított változatait gélszűréshez, makromolekulák és kisebb biomolekulák méret szerinti kromatográfiás szétválasztásához használják (pl. Sepharose néven, lásd 6.3. fejezet).

A vörösmoszatok sejtfalából származó, sokoldalú felhasználású heteropoliszacharid az agaróz (lásd pl. baktériumtenyészetek agar táptalaja, DNS agaróz gélelektroforézise a 19.2.1. fejezetben), amelyben D-galaktóz és 3,6-anhidro-L-galaktóz β1→4 kötéssel diszacharid egységeket alkot, amelyek a1→3 glikozidos kötéssel hoznak létre láncokat. Az agarban, (ami kémiailag nem homogén vegyület) a cukoregységekhez több-kevesebb szulfát- és piruvát-csoport is kapcsolódik.

10.3.1. Glikózaminokligánok

A glikózaminoglikánok (GAG, régebbi elnevezéssel mukopoliszacharidok) ismétlődő diszacharid egységekből felépülő lineáris heteropolimerek (lásd a hialuronsav a 10.2. táblázatban), a fibrilláris fehérjékkel (kollagén, elasztáz, fibronektin) együtt az extracelluláris mátrix fontos összetevői. A GAG láncok a hialuronsav (hialuronát) kivételével, amely akár 50.000 egységből is állhat, 20-90 diszacharidból épülnek fel. A diszacharid egyik komponense mindig GlcNAc vagy GalNAc, a másik pedig általában valamilyen karboxilcsoportot tartalmazó cukorszármazék (pl. GlcA). Gyakran tartalmaznak észterkötéssel kialakuló szulfátcsoportokat is, ami a karboxilokkal együtt nagy negatív töltést eredményez. A molekulán belüli taszító kölcsönhatások nyújtott térszerkezetet hoznak létre.

A töltésmintázat információt hordozhat, ami lehetővé teszi, hogy specifikusan kötődhessenek fehérjékhez. Legfontosabb képviselőit a 10.7. ábra mutatja be, külön kiemelve a heparin térszerkezetét (ami egy természetes véralvadásgátló szer, a biomolekulák között a legnagyobb negatív töltéssűrűséggel bír, s a proteáz-inhibitor antitrombin aktiválásán keresztül hat).

10.7. ábra: Glikózaminoglikánok szerkezete.A heparin térszerkezetét térkitöltő modellben ábrázoltuk.

10.7. ábra: Glikózaminoglikánok szerkezete. A heparin térszerkezetét térkitöltő modellben ábrázoltuk.

A glikózaminoglikánok érdekes módon csak az állatokra és a baktériumokra jellemzőek, a növényvilágból hiányoznak. A hialuronsav (hyalos: üveg) viszkózus, átlátszó oldatot alkot, s az izületi valamint üvegtesti folyadék egyik fő komponense. A porcok és inak extracelluláris mátrixában is megtalálható, rugalmasságot biztosít ezen szöveti képletek számára. A kondroitin-szulfát (chondros: porc) nevének megfelelően a porcok, inak, kötőszöveti szalagok és az aortafal rugalmasságához járul hozzá. A dermatán-szulfát (derma: bőr) a bőrszövet rugalmasságát növeli, de szintén jelen van az érfalak, a szívbillentyűk extracelluláris mátrixában is. A keratán-szulfát a keratint is tartalmazó képződményekben fordul elő.