← Вся энциклопедияНаука и стандарты

Полисахариды

Материал носит справочный характер и не является медицинской рекомендацией. Перед применением мёда и продуктов пчеловодства в лечебных целях проконсультируйтесь с врачом.

Общая характеристика

Полисахариды (от греч. polys — многий и sakchar — сахар) — высокомолекулярные углеводы, представляющие собой полимеры, состоящие из множества моносахаридных остатков, соединённых гликозидными связями. Относятся к классу биополимеров и являются одной из трёх основных групп макромолекул в живых организмах наряду с белками и нуклеиновыми кислотами.

Ключевые параметры

  • Молекулярная масса: от 10 000 до нескольких миллионов дальтон
  • Степень полимеризации: от 50 до 100 000 и более моносахаридных остатков
  • Общая формула: (C₆H₁₀O₅)ₙ для гексозанов, (C₅H₈O₄)ₙ для пентозанов
  • Растворимость: от полной растворимости в воде (декстраны) до полной нерастворимости (целлюлоза)
  • Оптическая активность: все природные полисахариды оптически активны

Классификация полисахаридов

По составу мономеров

  1. Гомополисахариды — состоят из одного типа моносахаридных остатков:

    • Глюканы (целлюлоза, крахмал, гликоген)
    • Фруктаны (инулин)
    • Пентозаны (ксиланы, арабинаны)
    • Галактаны (агароза)
    • Маннаны (глюкоманнан)

  2. Гетерополисахариды — содержат два и более типов моносахаридов:

    • Гликозаминогликаны (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат)
    • Пектиновые вещества
    • Бактериальные экзополисахариды
    • Гемицеллюлозы

По функциональному назначению

  1. Структурные (опорные) — обеспечивают механическую прочность клеточных стенок:

    • Целлюлоза (растения)
    • Хитин (членистоногие, грибы)
    • Муреин (бактерии)

  2. Запасные (резервные) — служат хранилищем энергии и углерода:

    • Крахмал (растения)
    • Гликоген (животные, грибы)
    • Инулин (сложноцветные растения)

  3. Защитные — участвуют в иммунном ответе:

    • Капсульные полисахариды бактерий
    • Липополисахариды грамотрицательных бактерий

  4. Сигнальные — участвуют в межклеточных взаимодействиях:

    • Олигосахариды гликопротеинов клеточной поверхности
    • Лектины-связывающие полисахариды

Строение и конформация

Первичная структура

Первичная структура полисахаридов определяется:

  • Типом моносахаридных остатков
  • Порядком их чередования
  • Типом гликозидных связей (α- или β-)
  • Позицией связи (1→2, 1→3, 1→4, 1→6)
  • Наличием и расположением боковых ответвлений

Вторичная структура

Вторичная структура — пространственная конформация полимерной цепи, стабилизированная водородными связями:

  1. Вытянутые ленточные структуры:

    • Целлюлоза — β-(1→4)-связанная цепь образует плоскую ленту
    • Хитин — аналогичная целлюлозе структура, но с ацетамидными группами

  2. Спиральные структуры:

    • Амилоза — левозакрученная спираль с 6 остатками глюкозы на виток
    • Инулин — спираль с 5 остатками фруктозы на виток

  3. Двойные и тройные спирали:

    • Агароза — двойная спираль
    • Ксантановая камедь — двойная спираль
    • Склероглюкан — тройная спираль

Третичная структура

Третичная структура — упаковка вторичных структур в более крупные надмолекулярные образования:

  • Микрофибриллы целлюлозы
  • Кристаллические и аморфные области
  • Гели и матриксы

Основные представители

Целлюлоза

Целлюлоза — наиболее распространённый органический полимер на Земле.

  • Мономер: β-D-глюкопираноза
  • Связи: β-(1→4)-гликозидные
  • Структура: линейная, без ветвлений
  • Молекулярная масса: 300 000–500 000 Да (2000–3000 остатков)
  • Локализация: клеточные стенки растений, водорослей, некоторых бактерий

Физико-химические свойства:

  • Нерастворима в воде, спиртах, эфирах
  • Растворяется в концентрированных кислотах (H₂SO₄, HCl) с деструкцией
  • Образует кристаллические фибриллы (степень кристалличности 60–70%)
  • Высокая механическая прочность (предел прочности ~100 МПа)

Биосинтез: осуществляется целлюлозосинтазным комплексом в плазмалемме растительных клеток. Субстрат — УДФ-глюкоза.

Деградация: гидролизуется целлюлазами (комплекс из эндо- и экзоглюканаз, β-глюкозидаз). У жвачных животных осуществляется симбиотическими микроорганизмами.

Крахмал

Крахмал — основной запасной полисахарид растений.

Состоит из двух компонентов:

  1. Амилоза (15–25%):

    • Линейный полимер α-D-глюкозы
    • Связи α-(1→4)
    • Молекулярная масса 10⁵–10⁶ Да
    • Спиральная структура
    • Даёт синее окрашивание с йодом

  2. Амилопектин (75–85%):

    • Разветвлённый полимер
    • Линейные участки: α-(1→4)
    • Точки ветвления: α-(1→6) через каждые 20–25 остатков
    • Молекулярная масса 10⁶–10⁷ Да
    • Древовидная структура

Свойства:

  • Растворим в горячей воде (амилоза) и набухает (амилопектин)
  • При охлаждении образует гель (ретроградация)
  • Гидролизуется амилазами (α- и β-) до мальтозы и глюкозы

Гликоген

Гликоген — запасной полисахарид животных, грибов и бактерий.

  • Мономер: α-D-глюкопираноза
  • Связи: α-(1→4) в линейных участках, α-(1→6) в точках ветвления
  • Ветвление: более частое, чем в амилопектине (каждые 8–12 остатков)
  • Молекулярная масса: до 10⁸ Да
  • Локализация: печень (до 10% массы), мышцы (до 2%), цитоплазма клеток

Особенности:

  • Высокая степень ветвления обеспечивает быструю мобилизацию глюкозы
  • Синтез: Гликогенсинтаза с участием УДФ-глюкозы
  • Распад: Гликогенфосфорилаза с образованием глюкозо-1-фосфата

Хитин

Хитин — структурный полисахарид, второй по распространённости в природе.

  • Мономер: N-ацетил-β-D-глюкозамин
  • Связи: β-(1→4)
  • Структура: линейная
  • Локализация: экзоскелет членистоногих (крабы, насекомые), клеточные стенки грибов, раковины моллюсков

Модификации:

  • Деацетилирование → Хитозан (растворим в слабых кислотах)
  • Обработка щёлочью → хитозан
  • Кальцификация → твёрдость панцирей

Пектиновые вещества

Пектиновые вещества — группа гетерополисахаридов, входящих в состав клеточных стенок и межклеточного вещества растений.

Основные компоненты:

  1. Гомогалактуронан — линейный полимер α-(1→4)-D-галактуроновой кислоты (частично метилированной)
  2. Рамногалактуронан I — разветвлённый с L-рамнозой в основной цепи
  3. Рамногалактуронан II — сложный с многочисленными боковыми цепями (арабинаны, галактаны, апиоза)

Функции:

  • Механическая прочность клеточных стенок
  • Регуляция пористости клеточных стенок
  • Участие в межклеточной адгезии (срединная пластинка)
  • Формирование гелей в присутствии Ca²⁺ и сахарозы

Гемицеллюлозы

Гемицеллюлозы — гетерогенная группа полисахаридов, ассоциированных с целлюлозой в клеточных стенках.

Основные классы:

  1. Ксиланы — β-(1→4)-D-ксилоза с боковыми заместителями (арабиноза, глюкуроновая кислота)
  2. Маннаны — β-(1→4)-D-манноза (часто с глюкозой)
  3. Глюканы — β-(1→3, 1→4)-D-глюкоза (в злаках)
  4. Арабинаны — α-(1→5)-L-арабиноза

Функции: связывание целлюлозных фибрилл, регуляция роста клеточных стенок, резервный материал.

Бактериальные полисахариды

Капсульные полисахариды:

  • Высокомолекулярные гетерополимеры
  • Ковалентно связаны с клеточной поверхностью
  • Определяют антигенность и вирулентность
  • Примеры: пневмококковые полисахариды, менингококковые

Экзополисахариды:

  • Выделяются в окружающую среду
  • Участвуют в образовании биоплёнок
  • Примеры: декстран, ксантан, леван

Липополисахариды (ЛПС):

  • Компонент внешней мембраны грамотрицательных бактерий
  • Состоят из липида А, корового олигосахарида и О-антигена
  • Мощный иммуностимулятор (эндотоксин)

Биосинтез полисахаридов

Общие принципы

Биосинтез полисахаридов осуществляется по одному из трёх механизмов:

  1. Нуклеозиддифосфат-сахарный путь (основной для большинства полисахаридов):

    • Активация моносахаридов: УДФ-глюкоза, АДФ-глюкоза, ГДФ-манноза
    • Перенос от нуклеозидных сахаров на растущую цепь
    • Катализ: Гликозилтрансферазы

  2. Липид-фосфатный путь:

    • Использование долихолфосфата
    • Характерен для биосинтеза гликопротеинов и бактериальных полисахаридов

  3. Полимер-сахарный путь:

    • Прямая полимеризация без активации
    • Характерен для левинсукразы (синтез левана) и декстранукразы

Регуляция биосинтеза

  • Активация субстратом (гликогенсинтаза активируется глюкозо-6-фосфатом)
  • Ковалентная модификация (фосфорилирование/дефосфорилирование)
  • Аллостерическая регуляция (АДФ-глюкозопирофосфорилаза)
  • Гормональная регуляция (инсулин, глюкагон)

Ферментативная деградация

Гидролазы

  1. Эндо-ферменты — гидролизуют внутренние связи:

    • α-амилаза (крахмал)
    • Эндо-β-глюканаза (целлюлоза)
    • Лизоцим (муреин)

  2. Экзо-ферменты — гидролизуют с конца цепи:

    • β-амилаза (крахмал)
    • Целлобиаза (целлюлоза)
    • Глюкоамилаза

Фосфорилазы

  • Атакуют нередуцирующие концы
  • Образуют сахар-1-фосфат
  • Не требуют АТФ
  • Обратимы в условиях клетки

Лиазы

  • Неклассический механизм деградации
  • Отщепление ненасыщенных уроновых кислот
  • Характерны для пектинлиаз и гиалуронатлиаз

Биологические функции

Энергетическая функция

  • Крахмал и гликоген — компактное хранение глюкозы
  • Окисление 1 г полисахарида даёт ~17,6 кДж энергии
  • Мобилизация через Гликогенолиз и Глюконеогенез

Структурная функция

  • Целлюлоза — основа клеточных стенок растений (20–40% массы)
  • Хитин — экзоскелет членистоногих
  • Муреин — жёсткость бактериальной клетки
  • Гликозаминогликаны — соединительная ткань

Защитная функция

  • Иммуномодуляция (β-глюканы грибов)
  • Антикоагулянтная (Гепарин)
  • Антиоксидантная (фукоиданы)
  • Антибактериальная (хитозан)

Сигнальная функция

  • Клеточная адгезия (селектины, интегрины)
  • Распознавание клеток (группы крови, системы гистосовместимости)
  • Рецепция патогенов (Паттерн-распознающие рецепторы)
  • Молекулярные паттерны патогенов (PAMP)

Методы исследования

Химические методы

  1. Полный кислотный гидролиз:

    • 2М HCl, 100°C, 2–4 часа
    • Анализ моносахаридов (ГЖХ, ВЭЖХ)

  2. Частичный гидролиз:

    • Определение последовательности
    • Выделение ди- и трисахаридов

  3. Метилирование:

    • Определение позиций связей
    • Комбинация с ГХ-МС

  4. Периодатное окисление:

    • Определение типа связей
    • Смит-деградация

Физико-химические методы

  1. Спектроскопия ЯМР (¹H, ¹³C, 2D-методы):

    • Структурная характеристика
    • Определение аномерной конфигурации
    • Количественный анализ

  2. ИК-спектроскопия:

    • Определение типа связей
    • Выявление функциональных групп

  3. Масс-спектрометрия:

    • MALDI-TOF, ESI-MS
    • Определение молекулярной массы
    • Структурный анализ

  4. Гель-фильтрация:

    • Определение молекулярной массы
    • Молекулярно-массовое распределение

  5. ВЭЖХ:

    • Анализ состава
    • Препаративное разделение

Биологические методы

  • Ферментные тест-системы
  • Иммуноферментный анализ (ELISA)
  • Лектиновая гистохимия
  • Животные модели (для физиологической активности)

Практическое применение

Пищевая промышленность

  1. Загустители и гелеобразователи:

    • Пектин (джемы, мармелад)
    • Агар-агар (десерты)
    • Ксантановая камедь (соусы)
    • Каррагинаны (молочные продукты)

  2. Стабилизаторы:

    • Гуаровая камедь
    • Камедь рожкового дерева
    • Альгинаты

  3. Пищевые волокна:

    • Инулин (пребиотик)
    • Полидекстроза
    • Резистентные крахмалы

Медицина и фармацевтика

  1. Лекарственные средства:

    • Гепарин (антикоагулянт)
    • Гиалуроновая кислота (офтальмология, артрология)
    • Хондроитинсульфат (хондропротектор)
    • β-глюканы (иммуномодуляторы)

  2. Системы доставки лекарств:

    • Хитозановые наночастицы
    • Альгинатные микросферы
    • Декстран-конъюгаты

  3. Раневые покрытия:

    • Хитозан
    • Альгинат кальция
    • Целлюлозные повязки

  4. Диагностика:

    • Декстран-магнетит (МРТ)
    • Полисахаридные вакцины (пневмококковая, менингококковая)

Косметическая промышленность

  • Гиалуроновая кислота (увлажнение)
  • Хитозан (плёнкообразование)
  • Каррагинаны (гелеобразователи)
  • Полисахариды водорослей (биостимуляция)

Биотехнология

  • Субстраты для ферментации
  • Носители для иммобилизации ферментов
  • Хроматографические матрицы (сефароза, декстран)
  • Биопластики (полигидроксиалканоаты)

Сельское хозяйство

  • Хитозан (стимулятор роста растений)
  • Альгинаты (капсулирование удобрений)
  • Микробные полисахариды (почвоулучшители)

Полисахариды и здоровье

Пребиотическое действие

  • Инулин и фруктоолигосахариды (стимуляция бифидобактерий и лактобактерий)
  • Галактоолигосахариды
  • β-глюканы овса и ячменя

Иммуномодулирующее действие

  • β-(1→3, 1→6)-глюканы (активация макрофагов, NK-клеток)
  • Арабиногалактаны (стимуляция Т-клеточного ответа)
  • Фукоксантантин-содержащие полисахариды водорослей

Гипогликемическое действие

  • Растворимые пищевые волокна замедляют всасывание глюкозы
  • Глюкоманнан (конжак) снижает постпрандиальную гликемию
  • Пектин уменьшает всасывание холестерина

Антикоагулянтное действие

  • Гепарин — классический антикоагулянт
  • Сульфатированные полисахариды (гепариноиды)
  • Фукоиданы (пероральные антикоагулянты)

Перспективные направления исследований

Биоактивные полисахариды

  • Поиск новых соединений из морских организмов
  • Полисахариды лекарственных грибов (Рейши, Шиитаке)
  • Полисахариды эндемичных растений

Нанотехнологии

  • Полисахаридные наночастицы
  • Наноцеллюлоза
  • Самоорганизующиеся полисахаридные системы

Генная инженерия

  • Модификация биосинтетических путей
  • Создание гибридных полисахаридов
  • Экспрессия полисахаридсинтаз в гетерологичных системах

Экологические аспекты

  • Биодеградируемые упаковки
  • Полисахаридные сорбенты
  • Возобновляемые источники энергии

Заключение

Полисахариды представляют собой одну из наиболее разнообразных и функционально значимых групп биополимеров. Их уникальные свойства — от механической прочности целлюлозы до биологической активности иммуномодулирующих β-глюканов — определяют их незаменимую роль в живой природе и широкое применение в биотехнологии, медицине, пищевой промышленности и материаловедении. Современные методы структурного анализа и генетической модификации открывают новые горизонты для создания полисахаридов с заданными свойствами, что делает эту область одной из ключевых в современной биотехнологии и гликомике.