Кіріспе

Ұзын көмірсутек полимерлері, мысалы, крахмал, гликоген, целлюлоза және хитин. Полисахаридтер, немесе поликарбогидраттар, тағамдық өнімдерде ең көп кездесетін көмірсулар болып табылады. Олар гликозидтік байланыстар арқылы біріктірілген моносахарид бірліктерінен тұратын ұзын тізбекті полимерлі көмірсулар. Бұл көмірсулар амилаза ферменттерін катализатор ретінде пайдалана отырып, сумен (гидролиз) реакцияға түсіп, құрамына кіретін қанттарды (моносахаридтерді немесе олигосахаридтерді) шығарады. Олардың құрылымы сызықтықтан жоғары тармақталғанға дейін өзгереді. Мысалдарға крахмал, гликоген және галактоген сияқты сақтау полисахаридтері, сондай-ақ целлюлоза және хитин сияқты құрылымдық полисахаридтер жатады. Полисахаридтер көбінесе біртекті емес, қайталанатын бірліктерде шағын өзгерістерге ие. Құрылысына қарай, бұл макромолекулалар моносахаридтік құрылыс блоктарынан өзгеше қасиеттерге ие болуы мүмкін. Олар аморфты немесе тіпті суда ерімейтін болуы мүмкін. Егер полисахаридтегі барлық моносахаридтер бір типте болса, онда ол гомополисахарид немесе гомогликан деп аталады, ал егер моносахаридтердің бірнеше түрі болса, онда ол гетерополисахарид немесе гетерогликан деп аталады. Табиғи сахаридтер әдетте (CH2O)n жалпы формуласына ие моносахаридтерден тұрады, мұнда n үш немесе одан көп. Моносахаридтердің мысалдары глюкоза, фруктоза және глицеральдегид. Полисахаридтердің жалпы формуласы Cx(H2O)y, мұнда x және y әдетте 200 мен 2500 арасындағы үлкен сандар болып табылады. Егер полимер тізбегіндегі қайталанатын бірліктер алты көміртек моносахаридтері болса, онда жалпы формула (C6H10O5)n түрінде жайлатылады, мұнда әдетте 40 ≤ n ≤ 3000. Қағида бойынша, полисахаридтер оннан астам моносахарид бірлігін қамтиды, ал олигосахаридтер үштен онға дейін моносахарид бірлігін қамтиды, бірақ нақты шегі сол кездегі конвенцияға сәйкес өзгеруі мүмкін. Полисахаридтер биологиялық полимерлердің маңызды класын құрайды. Тірі организмдердегі олардың функциясы әдетте құрылымдық немесе сақтаумен байланысты. Крахмал (глюкозаның полимері) өсімдіктерде сақтау полисахариды ретінде қолданылады және амилоза мен тармақталған амилопектин түрінде кездеседі. Жануарларда құрылысы ұқсас глюкоза полимері - тығыз тармақталған гликоген, кейде "жануарлық крахмал" деп аталады. Гликогеннің қасиеттері оны жылдам метаболизмге түсуге мүмкіндік береді, бұл жылдам қозғалатын жануарлардың өміріне сәйкес келеді. Бактерияларда олар бактериялық көпжасушалылықта маңызды рөл атқарады. Целлюлоза мен хитин құрылымдық полисахаридтердің мысалдары. Целлюлоза өсімдіктер мен басқа да организмдердің жасуша қабырғаларында қолданылады және Жердегі ең көп таралған органикалық молекула болып саналады. Оның қағаз және тоқыма өнеркәсібінде маңызды рөл атқару сияқты көптеген қолданыстары бар, сондай-ақ район (вискоз процесі арқылы), целлюлоза ацетаты, целлюлоид және нитроцеллюлоза өндіру үшін шикізат ретінде қолданылады. Хитиннің құрылымы ұқсас, бірақ оның күшін арттыратын азотты қосқан бүйірлік бұтақтары бар. Ол буынтық аяқты жануарлардың экзоскелеттерінде және кейбір саңырауқұлақтың жасуша қабырғаларында кездеседі. Оның хирургиялық тізбелерді қоса, көптеген пайдалы қолданыстары бар. Полисахаридтерге каллоза немесе ламинарин, хризоламинарин, ксилан, арабиноксилан, маннан, фукоидан және галактоманнан да жатады.

Құрылымы

Тамақ полисахаридтері энергияның кең таралған көзі болып табылады. Көптеген организмдер крахмалды глюкозаға оңай ыдырата алады; алайда, көптеген организмдер целлюлозаны немесе целлюлоза, хитин және арабиноксилан сияқты басқа полисахаридтерді метаболизмдей алмайды. Кейбір бактериялар мен протозоалар осы көмірсулардың түрлерін метаболизмдей алады. Мысалы, тісқарыштар мен термиттер целлюлозаны өңдеу үшін микроорганизмдерді пайдаланады. Бұл күрделі полисахаридтердің қорытылуы қиын болғанымен, олар адамдар үшін маңызды диеталық элементтерді қамтамасыз етеді. Тамақталшық деп аталатын бұл көмірсулар ас қорытуға көмектеседі. Тамақталшықтың негізгі әрекеті – асқазан-ішек жолының құрамын және басқа да қоректік заттар мен химиялық элементтердің сіңірілу жолын өзгерту болып табылады. Ерігіш талшықтар қанттың сіңірілуін баяулатып, тамақтанғаннан кейін қант деңгейінің өсуін азайтады, қан липидтерінің деңгейін қалыпқа келтіреді және ішекте ферментацияланғаннан кейін, кең ауқымды физиологиялық әрекеттері бар қысқа тізбекті май қышқылдарын тудырады (төменде талқыланады). Ерімейтін талшық қант диабеті қаупін азайтумен байланысты болғанымен, оның механизмі әлі белгісіз. 2005 жылғы мәліметтер бойынша, әлі ресми түрде маңызды макроэлемент ретінде ұсынылмаған тамақталшық, дегенмен, диета үшін маңызды саналады және көптеген дамыған елдердің реттеуші органдары талшық тұтынуды арттыруды ұсынады.

Сырша

Крахмал – глюкоза полимері, онда глюкопираноза бірліктері альфа-байланыстар арқылы қосылған. Ол амилозадан (15–20%) және амилопектиннен (80–85%) тұратын қоспа. Амилоза – бірнеше жүз глюкоза молекуласынан тұратын тізбектелген құрылым, ал амилопектин – бірнеше мың глюкоза бірлігінен тұратын тармақталған молекула (әр 24–30 глюкоза бірлігінен тұратын тізбек – амилопектиннің бір бірлігі). Крахмалдар суда ерімейді. Олар альфа-байланыстарды (гликозидтік байланыстарды) үзу арқылы қорытылады. Адамдар мен басқа жануарлардың ағзасында амилаза ферменттері бар, олар крахмалдың қорытылуына көмектеседі. Картоп, күріш, бидай және жүгері – адамдардың тамақтануындағы крахмалдың маңызды көздері. Крахмалдың түзілуі – өсімдіктердің глюкозаны сақтау жолы.

Гликоген

Гликоген жануарлар мен саңырауқұлақ жасушаларында ұзақ мерзімді қосалқы энергия қоры болып табылады, ал негізгі энергия қоры майлы тіндерде жиналады. Гликогенді негізінен бауыр және бұлшықеттер синтездейді, бірақ оны ми мен асқазанның гликогенезі арқылы да жасауға болады. Гликоген өсімдіктердегі глюкоза полимері – крахмалға ұқсас, кейде «жануар крахмалы» деп те аталады. Оның құрылымы амилопектинге ұқсас, бірақ крахмалға қарағанда тармақталған әрі тығыз. Гликоген – α(1→4) гликозидтік байланыстармен байланысқан полимер, және α(1→6) байланысқан тармақтармен толықтырылады. Гликоген көптеген жасуша түрлерінің цитозолінде/цитоплазмасында түйіршіктер түрінде кездеседі және глюкоза айналымында маңызды рөл атқарады. Гликоген глюкозаға кенеттен туындаған қажеттілікті жылдам қанағаттандыруға мүмкіндік беретін энергия қоры болып табылады, бірақ триглицеридтерге (липидтерге) қарағанда аз жинақталған және энергия қоры ретінде тез қолжетімді. Бауыр гепатоциттерінде гликоген тамақтанғаннан кейін жаңа салмақтың 8 пайызына дейін (ересек адамда 100-120 граммға дейін) жете алады. Бауырда сақталған гликоген ғана басқа органдарға қолжетімді болады. Бұлшықеттерде гликоген бұлшықет массасының 1-2 пайызын құрайды. Денедегі, әсіресе бұлшықеттерде, бауырда және қызыл қан жасушаларында сақталатын гликоген мөлшері дене белсенділігіне, негізгі метаболизм жылдамдығына және үзілісті ораза сияқты тамақтану әдеттеріне байланысты өзгереді. Гликогеннің шағын мөлшері бүйректерде, ал одан да аз мөлшері мидағы кейбір глиальды жасушаларда және ақ қан жасушаларында табылады. Жатырда жүктілік кезінде ұрықты қоректендіру үшін гликоген жиналады. Бұл жануарлар үшін энергия қоры. Бұл жануар ағзаларында сақталатын көмірсулардың басты түрі. Ол суда ерімейді. Йодпен араласқанда қоңыр-қызыл түске өзгереді. Гидролиз кезінде глюкоза да түзіледі.

Галактиоген

Галактоген – бұл галактозаның полисахариді, ол өкпелі ұлулар мен кейбір Caenogastropoda ұлуларында энергияны сақтау үшін қолданылады. Бұл полисахарид көбею процесіне қатыспайды және тек аналық ұлудың көбею жүйесіндегі альбумен безінде және жұмыртқалардың перивителл сұйықтығында ғана табылады. Бұдан әрі, галактоген дамып келе жатқан эмбриондар мен шабалдар үшін энергия резерві ретінде қызмет етеді, кейін жас және ересек ұлуларда гликогенмен алмастырылады. Полисахарид негізіндегі нанобөлшектер мен функционалды полимерлердің байланысуы арқылы құрылған галактогендер гидрогельдік құрылымдарда қолданылады. Бұл гидрогельдік құрылымдар белгілі бір нанобөлшектік дәрілік препараттарды және/немесе капсулаланған терапиялық заттарды уақыт өте келе немесе сыртқы ортаның стимулдарына жауап ретінде шығару үшін жасалуы мүмкін. Галактогендер – биоаналиттерге байланысқа жағдай жасайтын полисахаридтер. Осыған байланысты, галактогендерді медициналық құрылғылардың бетін құрайтын басқа полисахаридтерге қосымша байланыстыру арқылы, галактогендер биоаналиттерді (мысалы, CTC) ұстау әдісі, ұсталған биоаналиттерді босату әдісі және талдау әдісі ретінде қолданылады.

Инулин

Инулин – табиғи түрде кездесетін полисахаридтік күрделі көмірсу, ол фруктозадан тұрады, бұл өсімдік тектес тағамдық зат, және адамның ас қорыту ферменттері оны толық ыдырата алмайды. Инулиндер фруктан деп аталатын диеталық талшықтар класына жатады. Кейбір өсімдіктер инулинді энергияны сақтау үшін пайдаланады, ол көбінесе тамырларда немесе тамырсабақтарда кездеседі. Инулин синтездейтін және сақтайтын көптеген өсімдіктер крахмал сияқты басқа көмірсу түрлерін сақтамайды. 2018 жылы АҚШ-та Азық-дәрі басқармасы инулинді өндірілген тағамдық өнімдердің тағамдық құндылығын арттыру үшін қолданылатын диеталық талшық компоненті ретінде бекітті.

Арабиноксиландар

Арабиноксиландар өсімдіктердің бірінші және екінші жасуша қабырғаларында кездеседі және арабиноза мен ксилоза екі қантының сополимері болып табылады. Олар сондай-ақ адам денсаулығына жағымды әсер ете алады.

Целюлоза

Өсімдіктердің құрылымдық компоненттері негізінен целлюлозадан тұрады. Ағаш көбінесе целлюлоза мен лигниннен, ал қағаз бен мақта дерлік таза целлюлозадан құралған. Целлюлоза – бета-байланыстар арқылы біріктірілген қайталамалы глюкоза бірліктерінен жасалған полимер. Адамдар мен көптеген жануарларда бета-байланыстарды ыдыратуға қабілетті фермент болмайды, сондықтан олар целлюлозаны қорыта алмайды. Термиттер сияқты кейбір жануарлар целлюлозаны қорыта алады, себебі олардың ішегінде фермент өндіретін бактериялар бар. Целлюлоза суда ерімейді. Ол йодпен араласқанда түсі өзгермейді. Гидролиз нәтижесінде глюкоза түзіледі. Бұл табиғаттағы ең көп кездесетін көмірсу.

Хитин

Хитин – табиғатта кездесетін көптеген полимерлердің бірі. Ол көптеген жануарлардың, мысалы, экзоскелеттердің құрылымдық құрауыштарын құрайды. Уақыт өте келе ол табиғи ортада биодеградацияланады. Оның ыдырауын хитиназа деп аталатын ферменттер жеделдете алады, оларды бактериялар мен саңырауқұлақтар сияқты микроорганизмдер бөліп шығарады және кейбір өсімдіктер өндіреді. Осы микроорганизмдердің кейбіреулері хитиннің ыдырауынан түзілген қарапайым қанттарға сезімтал рецепторларға ие. Хитин анықталған жағдайда, олар оны қарапайым қанттар мен аммиакқа айналдыру үшін гликозидтік байланыстарды үзу арқылы қорытуға қажетті ферменттерді өндіреді. Химиялық тұрғыдан хитин хитозанмен (хитиннің суда жақсы еритін туындысы) тығыз байланысты. Сондай-ақ ол целлюлозамен де тығыз байланысты, себебі ол глюкоза туындыларының ұзын, тармақталмаған тізбегі болып табылады. Екі материал да организмді қорғап, оның құрылымын нығайтуға көмектеседі.

Пектиндер

Пектиндер — 1,4 байланысқан α-галактозил урон қышқылы қалдықтарын қамтитын күрделі полисахаридтер тобы. Олар көптеген негізгі жасуша қабырғаларында және құрлықта өсетін өсімдіктердің ағаш емес бөліктерінде кездеседі.

Қышқыл полисахаридтер

Қышқыл полисахаридтер – карбоксил топтарын, фосфат топтарын және/немесе күкірт эфирлік топтарды қамтитын полисахаридтер. Күкірт топтарын қамтитын полисахаридтерді балдырлардан бөліп алуға болады немесе химиялық түрлендіру арқылы қол жеткізуге болады. Полисахаридтер – биомолекулалардың маңызды кластары. Олар бірнеше кіші моносахаридтерден құралған көмірсу молекулаларының ұзын тізбектері. Бұл күрделі биомакромолекулалар жануарлар жасушалары үшін маңызды энергия көзі болып табылады және өсімдік жасушаларының құрылымдық құрауыштарын құрайды. Моносахаридтердің түріне қарай, олар гомополисахарид немесе гетерополисахарид болуы мүмкін. Полисахаридтер моносахаридтердің тік тізбегінен – сызықтық полисахаридтерден немесе тармақталған полисахаридтерден тұруы мүмкін.

Кезекті қышқыл-Шифф лағы (PAS)

Қорғалмаған жақын орналасқан диолдар немесе амин қанттары (кейбір гидроксил тобы аминмен алмастырылған) бар полисахаридтер периодтық қышқыл Шифф бояуына (PAS) оң нәтиже береді. PAS бояуына түсетін полисахаридтердің тізімі өте ұзын. Эпителийден шыққан муциндер PAS бояуына түссе де, дәнекер тіндерден шыққан муциндердегі қышқылдық алмастырулар сонша көп, олардың PAS-пен реакцияға түсу үшін жеткілікті гликоль немесе амино спирт тобы қалмайды.

Деривативтер

Химиялық модификациялар арқылы полисахаридтердің белгілі бір қасиеттерін жақсартуға болады. Әртүрлі лигандтар олардың гидроксилдік топтарына ковалентті байланыс арқылы бекітілуі мүмкін. Мысалы, целлюлозаға метил, гидроксиэтил немесе карбоксиметил топтарының ковалентті қосылуы сулы ортада жоғары ісіну қасиеттерін тудыруы мүмкін. Тағы бір мысал – тиолатталған полисахаридтер (тіомерлерді қараңыз). Тиол топтары гиалурон қышқылы немесе хитозан сияқты полисахаридтерге ковалентті байланыс арқылы бекітіледі. Тиолатталған полисахаридтер дисульфидтік байланыс арқылы байланысып, тұрақты үш өлшемді желілер құрай алады. Бұдан әрі, олар дисульфидтік байланыстар арқылы белоктардың цистеин суббөлімдеріне байланыса алады. Осы байланыстардың нәтижесінде полисахаридтер муциндер немесе кератиндер сияқты эндогенді белоктарға ковалентті байланыс арқылы бекітілуі мүмкін.