В природе большинство углеводов находится в форме полисахаридов (синоним гликаны).
В рассмотренных молекулах мальтозы и целлобиозы один из аномерных атомов свободен и через него может быть присоединен следующий остаток. Таким образом могут образовываться олигосахариды и полисахариды.
Главные функции полисахаридов: резервная (накопление моносахаридов) и структурная. Однако кроме того полисахариды входят в состав многих биологически активных веществ, рецепторов и маркеров.
Различают гомополисахариды (состоят из одинаковых моносахаридов, например, крахмал, целлюлоза и гликоген) и гетерополисахариды (состоят из моносахаридов 2 или более видов, например, гиалуроновая кислота).
В отличие от белков у полисахаридов нет определенной молекулярной массы, моносахариды могут присоединяться и отщепляться от полимера.
Наиболее важные из резервных - гликоген и крахмал. Внутри клеток в виде крупных кластеров. Много экспонированных ОН - сильно гидратированы.
Крахмал – смесь двух полимеров глюкозы: α-амилозы и амилопектина. α-амилоза – длинные неразветвленные цепи остатков глюкозы с α(1→4) связями. Молекулярная масса амилозы колеблется от нескольких тысяч до сотен тысяч дальтон. В амилопектине цепи сильно разветвлены по (1→6) связям. При варке картофеля происходит экстракция амилозы, остается в основном амилопектин.
Аналогом растительного крахмала у животных является гликоген, отличающийся от амилопектина еще большей степенью разветвленности по (1→6) связям.
В желудочно-кишечном тракте крахмал и гликоген расщепляются α- амилазой (индекс α не имеет отношения к типу связи) по связям (1→4). Образуются глюкоза, мальтоза и декстрины (полисахариды с промежуточной длиной). В солоде содержится другой фермент - β-амилаза, который действует несколько иначе: он последовательно отщепляет остатки мальтозы, начиная с нередуцирующего конца. Обе амилазы не могут полностью расщепить амилопектин, поскольку не способны разрушать (1→6) связи. Остается крупная нерасщепленная «сердцевина» полисахарида – остаточный декстрин. Для ее расщепления необходим еще один фермент α(1→6)- глюкозидаза. Совместное действие этих ферментов полностью расщепляет полисахариды.
В клетках животных гликоген расщепляется гликогенфосфорилазой с образованием глюкозо-1-фосфата.
Из структурных полисахаридов наиболее распространена целлюлоза. Самый распространенный в мире полимер. В состав целлюлозы входит более 50% всего органического углеода биосферы. Длинная неразветвленная цепь глюкоз, связанных β(1→4) связями. Амилоза и целлюлоза различаются только типом связи (соответственно α(1→4) и β(1→4)). Однако это определяет очень большие различия по физическим и биологическим свойствам полимеров.
1. Цепь амилозы стремится свернуться в клубок, образуются гранулы. Цепи целлюлозы линейны, полисахарид нерастворим.
2. У высших животных нет ферментов для расщепления β(1→4) связей, целлюлоза не переваривается в желудочно-кишечном тракте. Целлюлозу способны утилизировать грибы, вызывающие гниение древесины, и некоторые бактерии. Способны использовать термиты, но только за счет кишечных бактерий. У жвачных животных бактерии, способные разрушать целлюлозу расположены в т.н. рубце. Они сбраживают полисахарид до жирных кислот, углекислого газа и метан. Жирные кислоты всасываются в кровь животного и таким образом включаются в метаболизм. А потом и сами бактерии поступают в другие отделы желудка и там перевариваются.
Широко распространен структурный гомополисахарид членистоногих хитин – линейный полимер N-ацетил-D-глюкозамина.
N-ацетил-D-глюкозамин
В соединительной ткани животных (хрящи, сухилия, синовиальная жидкость) межклеточное пространство заполнено т.н. основным веществом. Его большую часть составляют гетерополисахариды. Они состоят из повторяющихся дисахаридов, каждый из составляющих дисахарид остатков – производное гексозы (обычно D-глюкозамин или D-галактозамин). По меньшей мере один из остатков несет кислотную группу, имеющую при нейтральных рН отрицательный заряд (обычно карбоксильная или сульфатная группы). Гликозамингликаны обычно включают в свой состав небольшой белковый компонент (до 5%), то есть являются протеогликанами. Поэтому гликозамингликаны называют также кислыми мукополисахаридами.
Наиболее распространенный представитель гликозамингликанов – гиалуроновая кислота, состоящая из чередующихся глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина, связанных β(1→4) связью.
Глюкуроновая кислота N-ацетил-D-глюкозамин
Гиалуроновая кислота
Поскольку карбоксильные группы при нейтральных рН полностью ионизированы, гиалуроновая кислота растворима в воде, образует очень вязкие растворы. Некоторые патогенные бактерии секретируют фермент гиалуронидазу, гидролизующую β(1→4) связи, облегчая свое распространение в организме.
Протеогликаны очень широко распространены в организмах, многие из них являются биологически активными соединениями. Например, к ним относится гепарин – мощный ингибитор свертывания, синтезируемый клетками, выстилающими полость артерий.
Полисахариды входят в состав многих сложных белков - гликопротеинов, углеводная часть при этом составляет от 1 до 30%. Почти все белки на внешней поверхности животных клеток – гликопротеины. К ним относится большинство функционирующих вне клетки белков: большая часть секретируемых клетками белков, белки плазмы крови и т.д.