Polysaccharide

Reviewed by: Todd Smith, PhD

Polysaccharide Definition

noun
plural: polysaccharides
pol·y·sac·cha·ride, ˌpɒlɪˈsækəɹaɪd
Any from the group of polymeric carbohydrates formed by long chains of repeating units linked together by glycosidic bonds

Terminology

The term polysaccharide etymologically means multi saccharides. A saccharide refers to the unit structure of carbohydrates. Thus, a polysaccharide is a carbohydrate comprised of many saccharides, i.e. more than ten (mono)saccharide units.

Overview

Carbohydrates are organic compounds comprised of carbon, hydrogen, and oxygen, usually in the ratio of 1:2:1. They are one of the major classes of biomolecules. They are an important source of energy. They also serve as structural components. Als Nährstoff lassen sie sich in zwei große Gruppen einteilen: einfache Kohlenhydrate und komplexe Kohlenhydrate. Einfache Kohlenhydrate, die manchmal auch einfach als Zucker bezeichnet werden, sind leicht verdauliche Kohlenhydrate, die als schnelle Energiequelle dienen. Komplexe Kohlenhydrate (wie Zellulose, Stärke, Chitin und Glykogen) benötigen mehr Zeit, um verdaut und verstoffwechselt zu werden. Sie sind oft reich an Ballaststoffen und verursachen im Gegensatz zu einfachen Kohlenhydraten seltener Blutzuckerspitzen.

Merkmale von Polysacchariden

Polysaccharide zeichnen sich durch folgende chemische Eigenschaften aus: (1) sie schmecken nicht süß, (2) viele von ihnen sind wasserunlöslich, (3) sie bilden keine Kristalle, wenn sie getrocknet werden, (4) sie sind kompakt und innerhalb der Zellen nicht osmotisch aktiv, (5) sie können zu weißem Pulver extrahiert werden und (6) sie haben die allgemeine chemische Formel Cx(H2O)y.

Polysaccharide bestehen aus Wasserstoff, Kohlenstoff und Sauerstoff, genau wie die anderen Formen von Kohlenhydraten. Das Verhältnis von Wasserstoffatomen zu Sauerstoffatomen ist oft 2:1, weshalb sie auch als Hydrate des Kohlenstoffs bezeichnet werden. Die allgemeine chemische Formel von Polysacchariden lautet (C6H10O5)n. Aufgrund des Vorhandenseins von Kohlenstoff und kovalenten C-C- und C-H-Bindungen werden sie als organische Verbindungen betrachtet, ähnlich wie andere Kohlenhydrate.

Polysaccharide unterscheiden sich von Oligosacchariden und Disacchariden durch die Anzahl der vorhandenen Monosaccharideinheiten. Disaccharide setzen sich aus nur zwei Monosacchariden zusammen. Oligosaccharide haben mehr als zwei Monosaccharide. Der Begriff Oligosaccharid wird üblicherweise verwendet, um relativ kürzere Ketten als Polysaccharide zu beschreiben. Polysaccharide sind eine Art biologischer Makromoleküle, die aus mehreren Monosaccharideinheiten bestehen.

Es gibt verschiedene Formen von Polysacchariden. Ihre Struktur reicht von einer einfachen linearen bis hin zu komplexeren, stark verzweigten Formen. Viele von ihnen sind heterogen. Je nach Zusammensetzung können sie amorph oder wasserunlöslich sein.

Dehydratationssynthese

Der chemische Prozess der Verbindung von Monosaccharideinheiten wird als Dehydratationssynthese bezeichnet, da dabei Wasser als Nebenprodukt freigesetzt wird. Eine Möglichkeit, ein Polysaccharid zu synthetisieren, ist eine Kondensationsreaktion, bei der Untereinheiten zu einer kondensierten Verbindung verbunden werden, wobei Wasser freigesetzt wird oder verloren geht.

Hydrolyse

Hydrolyse ist der Prozess der Umwandlung von Polysacchariden in einfache Monosaccharidkomponenten. Während die Kondensationsreaktion die Abspaltung von Wasser beinhaltet, wird bei der Hydrolyse das Wassermolekül verwendet. Der Prozess der Umwandlung von Polysacchariden in Monosaccharide wird als Verzuckerung bezeichnet.
Beim Menschen werden Kohlenhydrate (mit Ausnahme von Monosacchariden) durch eine Reihe von enzymatischen Reaktionen verdaut. Diese Enzyme sind Speichelamylase, Pankreasamylase und Maltase. Die Speichelamylase wirkt auf die Stärke ein und spaltet sie zu Maltose auf. Der nächste Ort der Kohlenhydratverdauung ist der Dünndarm. Der Magen ist an der Verdauung von Kohlenhydraten nicht beteiligt, da der Magensaft die Aktivität der Speichelamylase hemmt. Wenn die teilweise verdauten Kohlenhydrate den Dünndarm erreichen, sondert die Bauchspeicheldrüse einen Pankreassaft ab, der die Pankreasamylase enthält. Dieses Enzym wirkt auf die teilweise verdauten Kohlenhydrate, indem es sie in Einfachzucker aufspaltet. Der Bürstensaum des Dünndarms setzt Verdauungsenzyme wie Isomaltase, Maltase, Sucrase und Laktase frei. Isomaltase verdaut Polysaccharide an den alpha-1-6-Bindungen und wandelt alpha-limitiertes Dextrin in Maltose um. Maltase spaltet Maltose (ein Disaccharid) in zwei Glukoseeinheiten auf. Sucrase und Lactase verdauen Saccharose bzw. Lactose in Monosaccharid-Bestandteile. Die Epithelzellen am Bürstensaum des Dünndarms nehmen Monosaccharide auf. Glucose und Galactose werden durch aktiven Transport mit Hilfe von Glucosetransportern (GluT) in die Darmzelle (Enterozyt) aufgenommen. Fruktose wird ebenfalls mit Hilfe von GluT aufgenommen, aber die Art des Transports ist noch nicht klar (ob es sich um aktiven oder passiven Transport handelt). Die Enterozyten geben die Monosaccharide durch passiven Transport (insbesondere durch erleichterte Diffusion) in die Kapillaren ab. Die Einfachzucker werden dann vom Blutstrom zu den Zellen anderer Gewebe, insbesondere zur Leber, transportiert. Die Glukose im Blut kann vom Körper zur Herstellung von ATP verwendet werden. Andernfalls wird sie zusammen mit Galaktose und Fruktose (die größtenteils in Glukose umgewandelt werden) zur Speicherung als Glykogen in die Leber transportiert.
Die restlichen Kohlenhydrate, die nicht vom Dünndarm aufgenommen werden, gelangen in den Dickdarm. Die Darmflora im Dickdarm verstoffwechselt sie anaerob (z.B. durch Gärung). Dabei entstehen Gase (z. B. Wasserstoff, CO2 und Methan) und Fettsäuren wie Acetat und Butyrat, die vom Körper sofort verstoffwechselt werden. Die Gase wiederum werden durch Ausatmen, Aufstoßen oder Blähungen ausgeschieden.

Glykogenese

Die Glykogenese ist der Stoffwechselprozess, bei dem aus Glukose Glykogen für die Speicherung hergestellt wird. Der Prozess findet hauptsächlich in Leber- und Muskelzellen als Reaktion auf einen hohen Glukosespiegel im Blut statt. Kurze Glukose-Polymere, insbesondere exogene Glukose, werden in lange Polymere umgewandelt, die in den Zellen gespeichert werden. Wenn der Körper Stoffwechselenergie benötigt, wird das Glykogen durch den Prozess der Glykogenolyse in Glukoseuntereinheiten zerlegt. Die Glykogenese ist also das Gegenteil der Glykogenolyse.

Glykogenolyse

Die Glykogenolyse ist der Prozess, bei dem in der Leber gespeichertes Glykogen abgebaut wird, um Glukose für den Energiestoffwechsel zu gewinnen. Das in den Leberzellen gespeicherte Glykogen wird in Glukosevorstufen zerlegt. Ein einzelnes Glukosemolekül wird vom Glykogen abgespalten und in Glukose-1-Phosphat umgewandelt, das wiederum in Glukose-6-Phosphat umgewandelt wird, das in die Glykolyse eintreten kann.

Glykosylierung

Ähnlich wie Oligosaccharide können auch einige Polysaccharide als Glykane in bestimmten Glykokonjugaten dienen. Allerdings sind Oligosaccharide häufiger die Kohlenhydratkomponente als Polysaccharide. Glykosylierung ist der Prozess, bei dem ein Glykan enzymatisch mit einem Protein, einem Lipid oder einem anderen organischen Molekül verbunden wird. Die schrittweisen Prozesse der Glykosylierung variieren je nach Art der Glykosylierung. Bei der N-verknüpften Glykosylierung wird das Glykan beispielsweise an ein Stickstoffatom des Asparagin- oder Argininrests eines Proteins gebunden. Umgekehrt ist die O-gebundene Glykosylierung ein Prozess, bei dem O-gebundene Glykane an den Hydroxylsauerstoff von Serin-, Threonin-, Tyrosin-, Hydroxylysin- oder Hydroxyprolin-Seitenketten eines Proteins gebunden werden. Es kann sich auch um einen Prozess handeln, bei dem die O-verknüpften Glykane an den Sauerstoff von Lipiden gebunden werden. Es gibt auch andere Formen der Glykosylierung, z. B. C-gebundene (d. h. an Kohlenstoff gebundene Glykane), P-gebundene (d. h. an Phosphor gebundene Glykane) und S-gebundene (an Schwefel gebundene Glykane).

Klassifizierung der Polysaccharide

Polysaccharide können je nach ihren Monosaccharidkomponenten ein Homopolysaccharid oder ein Heteropolysaccharid sein. Ein Homopolysaccharid (auch Homoglykan genannt) besteht aus nur einer Art von Monosaccharid, während ein Heteropolysaccharid (auch Heteroglykan genannt) aus verschiedenen Arten von Monosacchariden zusammengesetzt ist.
Auf der Grundlage ihrer Funktion können Polysaccharide als Speicher- oder Strukturpolysaccharide klassifiziert werden. Speicherpolysaccharide sind Polysaccharide, die für die Speicherung verwendet werden. Pflanzen speichern zum Beispiel Glukose in Form von Stärke. Tiere speichern Einfachzucker in Form von Glykogen. Strukturelle Polysaccharide sind Kohlenhydrate, die eine strukturelle Funktion haben. Pflanzen haben Zellulosen, die Polymere aus wiederholten Glukoseeinheiten sind, die durch Beta-Bindungen verbunden sind. Bestimmte Tiere produzieren Chitin, das als struktureller Bestandteil z. B. des Exoskeletts dient.

Beispiele für Polysaccharide

Gängige Beispiele für Polysaccharide sind Cellulose, Stärke, Glykogen und Chitin. Cellulose ist ein Polysaccharid, das aus einer linearen Kette von β (1→4)-verknüpften D-Glucoseeinheiten besteht: (C6H10O5)n. Stärke ist ein Polysaccharid-Kohlenhydrat (C6H10O5)n, das aus einer großen Anzahl von Glukosemonosaccharid-Einheiten besteht, die durch glykosidische Bindungen miteinander verbunden sind und insbesondere in Samen, Zwiebeln und Knollen vorkommen. Glykogen ist ein verzweigtes Polymer aus Glukose, das hauptsächlich in Leber- und Muskelzellen gebildet wird und als sekundärer Langzeit-Energiespeicher in tierischen Zellen dient. Chitin ist ein Polymer aus stickstoffhaltigem Polysaccharid (C8H13O5N)n, das in bestimmten Organismen eine zähe, schützende Hülle oder strukturelle Stütze bildet. Es bildet die Zellwände von Pilzen und das Exoskelett von Insekten. Andere Beispiele für Disaccharide sind Callose, Chrysolaminarin, Xylan, Mannan, Fucoidan, Galactomannan und Arabinoxylan.

Biologische Bedeutung

Polysaccharide sind wie die anderen Kohlenhydrate eine wichtige Energiequelle und daher einer der wichtigsten Nahrungsbestandteile. Tiere verzehren sie, um Monosaccharide zu erhalten, die sie zur Synthese von ATP verwenden können. ATP ist chemische Energie, die biologisch durch aerobe und anaerobe Atmung synthetisiert wird. Glukose ist die häufigste Form von Monosacchariden, die die Zelle zur ATP-Synthese durch Phosphorylierung auf Substratebene (Glykolyse) und/oder oxidative Phosphorylierung (mit Redoxreaktionen und Chemiosmose) verwendet. Eine der Quellen für Glukose ist eine kohlenhydrathaltige Ernährung. Zu viele Kohlenhydrate in der Ernährung können jedoch zu gesundheitlichen Problemen führen. Ein anhaltend hoher Blutzuckerspiegel könnte schließlich zu Diabetes mellitus führen. Der Darm müsste sich außerdem mehr anstrengen, um sie zu verdauen. Zu viel Fruktose könnte beispielsweise zu einer Malabsorption im Dünndarm führen. In diesem Fall könnte die nicht absorbierte Fruktose, die in den Dickdarm transportiert wird, von der Dickdarmflora zur Gärung verwendet werden. Dies kann zu Magen-Darm-Schmerzen, Durchfall, Blähungen oder Völlegefühl führen.
Pflanzen speichern überschüssige Glukose in Form von Stärke. Thus, there are plants that are harvested to use the starch for food preparation and industrial purposes. Animals store carbohydrates in the form of glycogen so that when the body demands for more glucose, glucose can be taken from this reserve through the process, glycogenolysis. Polysaccharides are also essential in living organisms as they serve as structural component of biological structures, such as cellulose and chitin. Plant cellulose is harvested for its multifarious uses in the industry.

Etymology

• Ancient Greek πολύς (polús, meaning „many) + saccharide

Synonyms

• polysaccharose
• polysaccharid

Related Terms

• C polysaccharide

Compare

• monosaccharide
• oligosaccharide

See Also

• carbohydrate
• saccharide
• polymer
• starch
• cellulose
• glycogen