Ugrás a tartalomhoz

A biokémia és molekuláris biológia alapjai

Nyitray László, Pál Gábor (2013)

Eötvös Loránd Tudományegyetem

10.3. Poliszacharidok

10.3. Poliszacharidok

A fontosabb homo- és heteropoliszacharidok jellemző tulajdonságait a 10.2. táblázatban foglaltuk össze.

10.2. táblázat: Poliszacharidok

10.2. táblázat: Poliszacharidok

A poliszacharidok (glikánok), a polipeptidekkel és a nukleinsavláncokkal ellentétben lehetnek elágazók is. Összetételük szerint léteznek homo- és heteropoliszacharidok.

A természetben az egyik legnagyobb mennyiségben előforduló biomolekula, a cellulóz homopolimer, β-D-glükóz egységek (több tízezer), β14 glikozidos kötésekkel kapcsolódnak össze lineáris polimerré (lásd 10.3. ábra). Becslések szerint évente ~1012 tonna cellulóz szintetizálódik a növények sejtfalanyagaként. Mivel a glükóz egységek β-konfigurációban vannak, a kialakuló cellulózláncok nyújtott konformációjúak, könnyen képeznek vízben oldhatatlan fibrillumokat, kötegeket, amelyeket a láncok közötti hidrogénhidak tartanak össze. Közismert, hogy az állatokban hiányzik a lebontásukért felelős celluláz enzim.

10.3. ábra: A cellulóz, a keményítő és a glikogén szerkezete (részlet)

10.3. ábra: A cellulóz, a keményítő és a glikogén szerkezete (részlet)

A cellulóz mellett, a faanyag, a lignin is nagy mennyiségben szintetizálódik a természetben (>106 t/ év). A lignin egy komplex heteropolimer (nem szénhidrát!), fenilalanin és tirozin aminosavakból és glükózból indul ki a szintézise, s a pontos szerkezetét még ma sem ismerjük (de erősen hidrofób tulajdonságú).

Az α-D-glükózból felépülő homopolimerek a keményítő (amilum) és az „állati keményítő” néven is ismert glikogén, az állatok legfontosabb szénhidrát energiaraktározó vegyülete. A α1→4 glikozidos kötés (lásd 10.3. ábra) miatt ezek a láncok el nem ágazó formában helikális konformációt vesznek fel (lásd 10.4. ábra).

10.4. ábra: Az amilóz helikális szerkezete

10.4. ábra: Az amilóz helikális szerkezete

A keményítő valójában a lineárisamilóz (lásd 10.4. ábra) és az elágazóamilopektin molekulák keveréke. Az elágazások mindig α16 glikozidos kötések (lásd Haworth-féle ábrázolásban a 10.5. ábrán). A 2-200 ezer glükóz monomerből felépülő amilopektin láncok 25-30 egységenként ágaznak el.

10.5. ábra: Elágazások (α1→6 glikozidos kötések) a keményítőben

10.5. ábra: Elágazások ( α 1 6 glikozidos kötések) a keményítőben

A glikogén az amilopektinhez hasonlít, de az α16 elágazások 8-12 egységenként követik egymást (ennek következtében a glikogén még kompaktabb szerkezetű lesz, mint a keményítő). Az állati sejtek citoplazmájában megfigyelhető glikogén részecskékben (amelyek májsejtekben a nedves tömeg 7%-át is kitehetik), a ~50 ezer α-D-glükózból álló láncok a bioszintézisükben résztvevő enzim, a glikogenin köré szerveződnek (lásd 10.6. ábra).

(A glikogén-szintáz enzim működéséhez templátra van szükség, mely minimum 4 glükóz egységet tartalmaz. A lánckezdést végzi a glikoziltranszferáz aktivitású glikogenin. A növekvő glükózlánc az enzimen egy Tyr oldallánchoz kapcsolódik. Az aktivált glükóz egységek – mint az a glikozidos kötések kialakítására általánosan igaz – UDP-glükózból származnak.).

A sejtek vajon miért glikogén és nem glükóz formájában tárolják a hasznosítható kémiai energiát? Gondoljunk bele, ha a májsejtekben a glikogén (aminek a koncentrációja ~0,01 μM) glükózként lenne jelen (0,4 M-os koncentráció!), az a sejt számára elviselhetetlen ozmotikus körülményeket jelentene.

A kitin N-acetil-glükózamin monomerekből β-1→4 kötésekkel létrejövő lineáris poliszacharid, az ízeltlábúak külső vázának fő alkotóeleme (a bioszférában évente 109 t szintetizálódik). A cellulózhoz hasonlóan fibrillumokat alkot és az állatok nem tudják lebontani (nincs kitináz enzimük).

10.6. ábra: Egy glikogén részecske szerkezete (középen a glikogenin fehérje)

10.6. ábra: Egy glikogén részecske szerkezete (középen a glikogenin fehérje)

A dextrán α1→6 glükóz egységekből felépülő poliszacharid, amelyben elsősorban α1→3, de ezenkívül α1→2 és α1→4 elágazások is előfordulnak. Egyes baktériumok és élesztők szintetizálják, a fogakon lerakódó plakkok egyik fő komponense. Biokémiai jelentősége még, hogy különböző, kémiai kereszkötésekkel térhálósított változatait gélszűréshez, makromolekulák és kisebb biomolekulák méret szerinti kromatográfiás szétválasztásához használják (pl. Sepharose néven, lásd 6.3.fejezet).

A vörösmoszatok sejtfalából származó, sokoldalú felhasználású heteropoliszacharid az agaróz (lásd pl. baktériumtenyészetek agar táptalaja, DNS agaróz gélelektroforézise a 19.2.1.fejezetben), amelyben D-galaktóz és 3,6-anhidro-L-galaktóz β1→4 kötéssel diszacharid egységeket alkot, amelyek a1→3 glikozidos kötéssel hoznak létre láncokat. Az agarban, (ami kémiailag nem homogén vegyület) a cukoregységekhez több-kevesebb szulfát- és piruvát-csoport is kapcsolódik.

10.3.1. Glikózaminokligánok

A glikózaminoglikánok (GAG, régebbi elnevezéssel mukopoliszacharidok) ismétlődő diszacharid egységekből felépülő lineáris heteropolimerek (lásd a hialuronsav a 10.2. táblázatban), a fibrilláris fehérjékkel (kollagén, elasztáz, fibronektin) együtt az extracelluláris mátrix fontos összetevői. A GAG láncok a hialuronsav (hialuronát) kivételével, amely akár 50.000 egységből is állhat, 20-90 diszacharidból épülnek fel. A diszacharid egyik komponense mindig GlcNAc vagy GalNAc, a másik pedig általában valamilyen karboxilcsoportot tartalmazó cukorszármazék (pl. GlcA). Gyakran tartalmaznak észterkötéssel kialakuló szulfátcsoportokat is, ami a karboxilokkal együtt nagy negatív töltést eredményez. A molekulán belüli taszító kölcsönhatások nyújtott térszerkezetet hoznak létre.

A töltésmintázat információt hordozhat, ami lehetővé teszi, hogy specifikusan kötődhessenek fehérjékhez. Legfontosabb képviselőit a 10.7. ábra mutatja be, külön kiemelve a heparin térszerkezetét (ami egy természetes véralvadásgátló szer, a biomolekulák között a legnagyobb negatív töltéssűrűséggel bír, s a proteáz-inhibitor antitrombin aktiválásán keresztül hat).

10.7. ábra: Glikózaminoglikánok szerkezete.A heparin térszerkezetét térkitöltő modellben ábrázoltuk.

10.7. ábra: Glikózaminoglikánok szerkezete. A heparin térszerkezetét térkitöltő modellben ábrázoltuk.

A glikózaminoglikánok érdekes módon csak az állatokra és a baktériumokra jellemzőek, a növényvilágból hiányoznak. A hialuronsav (hyalos: üveg) viszkózus, átlátszó oldatot alkot, s az izületi valamint üvegtesti folyadék egyik fő komponense. A porcok és inak extracelluláris mátrixában is megtalálható, rugalmasságot biztosít ezen szöveti képletek számára. A kondroitin-szulfát (chondros: porc) nevének megfelelően a porcok, inak, kötőszöveti szalagok és az aortafal rugalmasságához járul hozzá. A dermatán-szulfát (derma: bőr) a bőrszövet rugalmasságát növeli, de szintén jelen van az érfalak, a szívbillentyűk extracelluláris mátrixában is. A keratán-szulfát a keratint is tartalmazó képződményekben fordul elő.