Введение

Длинные углеводные полимеры, такие как крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Полисахариды (,/p//ɒ//l//i/'/s//æ//k//ə//r//aɪ//d/), или полиуглеводы, – наиболее распространенные углеводы, содержащиеся в пищевых продуктах. Это длинноцепочечные полимерные углеводы, состоящие из моносахаридных звеньев, связанных между собой гликозидными связями. Этот углевод может вступать в реакцию с водой (гидролиз) с использованием ферментов амилазы в качестве катализатора, в результате чего образуются составляющие сахара (моносахариды или олигосахариды). Их структура варьируется от линейной до сильно разветвленной. Примеры включают запасающие полисахариды, такие как крахмал, гликоген и галактоген, и структурные полисахариды, такие как целлюлоза и хитин. Полисахариды часто довольно гетерогенны и содержат незначительные модификации повторяющихся звеньев. В зависимости от структуры эти макромолекулы могут обладать свойствами, отличными от свойств моносахаридных строительных блоков. Они могут быть аморфными или даже нерастворимыми в воде. Если все моносахариды в полисахариде одного типа, то полисахарид называется гомополисахаридом или гомогликаном, а если присутствует более одного типа моносахаридов – гетерополисахаридом или гетерогликаном. Природные сахариды обычно состоят из простых углеводов, называемых моносахаридами, с общей формулой (CH2O)n, где n равно трем или более. Примерами моносахаридов являются глюкоза, фруктоза и глицеральдегид. Полисахариды, в свою очередь, имеют общую формулу Cx(H2O)y, где x и y обычно являются большими числами в диапазоне от 200 до 2500. Когда повторяющимися звеньями в полимерной цепи являются шестиуглеродные моносахариды, что часто бывает, общая формула упрощается до (C6H10O5)n, где обычно 40 ≤ n ≤ 3000. Как правило, полисахариды содержат более десяти моносахаридных звеньев, в то время как олигосахариды содержат от трех до десяти моносахаридных звеньев, хотя точная граница несколько варьируется в зависимости от принятых соглашений. Полисахариды являются важным классом биологических полимеров. Их функция в живых организмах обычно связана либо со структурой, либо с запасанием. Крахмал (полимер глюкозы) используется в качестве запасающего полисахарида в растениях и встречается в форме амилозы и разветвленного амилопектина. У животных структурно похожий полимер глюкозы – более плотно разветвленный гликоген, иногда называемый «животным крахмалом». Свойства гликогена позволяют ему быстрее метаболизироваться, что соответствует активному образу жизни подвижных животных. У бактерий они играют важную роль в бактериальной многоклеточности. Целлюлоза и хитин – примеры структурных полисахаридов. Целлюлоза используется в клеточных стенках растений и других организмов и считается самой распространенной органической молекулой на Земле. Она имеет множество применений, в том числе важную роль в бумажной и текстильной промышленности, и используется в качестве сырья для производства вискозы (через вискозный процесс), ацетата целлюлозы, целлулоида и нитроцеллюлозы. Хитин имеет сходную структуру, но содержит боковые ветви, содержащие азот, что повышает его прочность. Он содержится в экзоскелетах членистоногих и в клеточных стенках некоторых грибов. Он также имеет множество применений, включая хирургические нити. К полисахаридам также относятся каллоза или ламинарин, хризоламинарин, ксилан, арабиноксилан, маннан, фукоидан и галактоманнан.

Структура

Пищевые полисахариды являются распространенными источниками энергии. Многие организмы могут легко расщеплять крахмал до глюкозы; однако, большинство организмов не способны метаболизировать целлюлозу или другие полисахариды, такие как целлюлоза, хитин и арабиноксиланы. Некоторые бактерии и простейшие могут метаболизировать эти типы углеводов. Например, жвачные животные и термиты используют микроорганизмы для переработки целлюлозы. Несмотря на то, что эти сложные полисахариды плохо перевариваются, они обеспечивают важные элементы питания для человека. Эти углеводы, известные как пищевые волокна, улучшают пищеварение. Основное действие пищевых волокон заключается в изменении состава содержимого желудочно-кишечного тракта и способов усвоения других питательных веществ и химических соединений. Растворимые волокна также замедляют всасывание сахара, снижают уровень сахара в крови после еды, нормализуют уровень липидов в крови и, после ферментации в толстой кишке, производят короткоцепочечные жирные кислоты как побочные продукты, обладающие широким спектром физиологической активности (обсуждается ниже). Хотя нерастворимые волокна связаны со снижением риска развития диабета, механизм этого явления остается неизвестным. Пищевые волокна, хотя и не признаны официально необходимым макроэлементом (по состоянию на 2005 год), тем не менее, считаются важной частью рациона, и регулирующие органы многих развитых стран рекомендуют увеличить их потребление.

Крахмал

Крахмал — это полимер глюкозы, в котором единицы глюкопиранозы связаны альфа-связями. Он состоит из смеси амилозы (15–20%) и амилопектина (80–85%). Амилоза состоит из линейной цепи, содержащей несколько сотен молекул глюкозы, а амилопектин — это разветвленная молекула, состоящая из нескольких тысяч звеньев глюкозы (каждое звено содержит 24–30 единиц глюкозы и является частью молекулы амилопектина). Крахмалы нерастворимы в воде. Они могут быть перевариты путем расщепления альфа-связей (гликозидных связей). И у людей, и у других животных есть амилазы, позволяющие им переваривать крахмал. Картофель, рис, пшеница и кукуруза являются основными источниками крахмала в пищевом рационе человека. Образование крахмала — это способ, которым растения запасают глюкозу.

Гликоген

Гликоген служит вторичным долгосрочным хранилищем энергии в клетках животных и грибов, при этом основные запасы энергии хранятся в жировой ткани. Гликоген производится главным образом печенью и мышцами, но также может образовываться в мозге и желудке посредством гликогенеза. Гликоген аналогичен крахмалу, полимеру глюкозы в растениях, и иногда его называют «животным крахмалом», поскольку он имеет структуру, сходную с амилопектином, но более разветвленную и компактную, чем крахмал. Гликоген представляет собой полимер, состоящий из α(1→4)-гликозидных связей, соединенных α(1→6)-связанными ветвями. Гликоген содержится в виде гранул в цитозоле/цитоплазме многих типов клеток и играет важную роль в цикле глюкозы. Гликоген формирует энергетический резерв, который может быть быстро мобилизован для удовлетворения внезапной потребности в глюкозе, однако он менее компактен и более оперативно доступен в качестве резерва энергии, чем триглицериды (липиды). В гепатоцитах печени гликоген может составлять до 8% (100–120 граммов у взрослого человека) от массы печени сразу после приема пищи. Только гликоген, запасенный в печени, может быть использован другими органами. В мышцах гликоген содержится в низкой концентрации – от 1 до 2% от мышечной массы. Количество гликогена, запасенного в организме – особенно в мышцах, печени и эритроцитах – варьируется в зависимости от физической активности, базального метаболизма и пищевых привычек, таких как интервальное голодание. Небольшое количество гликогена содержится в почках, а еще меньшее – в некоторых глиальных клетках мозга и лейкоцитах. Матка также накапливает гликоген во время беременности для питания эмбриона. Это источник энергии для животных, основная форма углеводов, запасаемых в организмах животных. Он нерастворим в воде, приобретает коричнево-красный цвет при смешивании с йодом и при гидролизе высвобождает глюкозу.

Галактиоген

Галактоген – полисахарид галактозы, выполняющий функцию запаса энергии у лёгочных улиток и некоторых представителей Caenogastropoda. Этот полисахарид специфичен для процесса размножения и обнаруживается только в альбуменной железе репродуктивной системы самки улитки и в перивителлярной жидкости яиц. Кроме того, галактоген служит источником энергии для развивающихся эмбрионов и нововылупившихся личинок, который впоследствии заменяется гликогеном у ювенильных особей и взрослых. Галактогены, формируемые посредством сшивания полисахаридных наночастиц и функциональных полимеров, находят применение в гидрогелевых структурах. Эти гидрогелевые структуры могут быть разработаны для контролируемого высвобождения наночастиц лекарственных препаратов и/или инкапсулированных терапевтических средств во времени или в ответ на внешние стимулы. Галактогены – это полисахариды, обладающие способностью к связыванию с биоаналитами. Благодаря этому, путем ковалентного присоединения галактогенов к другим полисахаридам, составляющим поверхность медицинских устройств, галактогены могут использоваться для захвата биоаналитов (например, циркулирующих опухолевых клеток), их последующего высвобождения и проведения анализа.

Инсулин

Инулин – это природный полисахаридный комплексный углевод, состоящий из фруктозы, растительного продукта, который человеческие пищеварительные ферменты не могут полностью расщепить. Инулины относятся к классу пищевых волокон, известных как фруктаны. Некоторые растения используют инулин как способ запасания энергии, и он обычно содержится в корнях или корневищах. Большинство растений, синтезирующих и запасающих инулин, не запасают другие формы углеводов, такие как крахмал. В 2018 году Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США одобрило инулин в качестве ингредиента пищевых волокон для повышения питательной ценности произведенных пищевых продуктов.

Арабиноксиланы

Арабиноксиланы содержатся как в первичных, так и во вторичных клеточных стенках растений и являются сополимерами двух сахаров: арабинозы и ксилозы. Они также могут оказывать положительное влияние на здоровье человека.

Целюлоза

Структурные компоненты растений формируются преимущественно из целлюлозы. Древесина в основном состоит из целлюлозы и лигнина, а бумага и хлопок – практически из чистой целлюлозы. Целлюлоза – это полимер, образованный повторяющимися звеньями глюкозы, соединенными β-связями. У людей и многих животных отсутствует фермент, способный расщеплять β-связи, поэтому они не переваривают целлюлозу. Некоторые животные, например, термиты, могут переваривать целлюлозу, поскольку в их кишечнике присутствуют бактерии, обладающие необходимым ферментом. Целлюлоза нерастворима в воде и не изменяет цвет при взаимодействии с йодом. При гидролизе она распадается на глюкозу. Целлюлоза – самый распространенный углевод в природе.

Хитин

Хитин – один из множества природных полимеров. Он является структурным компонентом многих животных, например, экзоскелетов. Со временем он биоразлагается в естественной среде. Его разложение может катализироваться ферментами, называемыми хитиназами, выделяемыми микроорганизмами, такими как бактерии и грибы, и продуцируемыми некоторыми растениями. У некоторых из этих микроорганизмов есть рецепторы к простым сахарам, образующимся при разложении хитина. При обнаружении хитина они производят ферменты для его переваривания, разрывая гликозидные связи для преобразования его в простые сахара и аммиак. С химической точки зрения, хитин тесно связан с хитозаном (более водорастворимым производным хитина). Он также тесно связан с целлюлозой, поскольку представляет собой длинную неразветвленную цепь производных глюкозы. Оба материала обеспечивают структуру и прочность, защищая организм.

Пектины

Пектины — это семейство сложных полисахаридов, содержащих остатки α-галактозилуроновой кислоты, соединенных 1,4-гликозидной связью. Они содержатся в большинстве первичных клеточных стенок и в недревесных частях наземных растений.

Кислотные полисахариды

Кислые полисахариды – это полисахариды, содержащие карбоксильные группы, фосфатные группы и/или сульфатные эфиры. Полисахариды, содержащие сульфатные группы, можно выделять из водорослей или получать посредством химической модификации. Полисахариды являются основными классами биомолекул. Они представляют собой длинные цепи углеводных молекул, состоящие из нескольких небольших моносахаридов. Эти сложные биомакромолекулы служат важным источником энергии для клеток животных и формируют структурные компоненты растительных клеток. Полисахариды могут быть гомополисахаридами или гетерополисахаридами, в зависимости от типа входящих в их состав моносахаридов. Полисахариды могут иметь линейную, неразветвленную структуру, или разветвленную.

Периодическое кислотное окрашивание (PAS)

Полисахариды с незащищенными вицинальными диолами или аминосахарами (где некоторые гидроксильные группы замещены аминами) дают положительную реакцию при окрашивании раствором Шиффа с использованием периодической кислоты (PAS). Список полисахаридов, дающих положительную реакцию с PAS, весьма обширен. Хотя муцины эпителиального происхождения окрашиваются PAS, муцины соединительной ткани содержат настолько много кислых заместителей, что в них недостаточно гликольных или аминоалкогольных групп для реакции с PAS.

Деривативы

Химическими модификациями можно улучшить определенные свойства полисахаридов. Различные лиганды могут ковалентно присоединяться к их гидроксильным группам. Например, ковалентное присоединение метильных, гидроксиэтильных или карбоксиметильных групп к целлюлозе позволяет придать ей высокие набухающие свойства в водной среде. Другой пример – тиолированные полисахариды (см. тиомеры). Тиольные группы ковалентно присоединяются к полисахаридам, таким как гиалуроновая кислота или хитозан. Поскольку тиолированные полисахариды способны сшиваться посредством образования дисульфидных связей, они формируют стабильные трехмерные сети. Кроме того, они могут связываться с цистеиновыми субъединицами белков через дисульфидные связи. Благодаря этим связям полисахариды могут ковалентно присоединяться к эндогенным белкам, таким как муцины или кератины.