Polysakkaridit

Kuten nimikin kertoo, polysakkaridit ovat suuria, suurimolekyylisiä molekyylejä, jotka on muodostettu liittämällä monosakkaridiyksiköitä toisiinsa glykosidisidoksilla. Niitä kutsutaan joskus glykaaneiksi. Tämän luokan tärkeimmät yhdisteet, selluloosa, tärkkelys ja glykogeeni, ovat kaikki glukoosipolymeerejä. Tämä voidaan helposti osoittaa happokatalyyttisellä hydrolyysillä monosakkaridiksi. Koska selluloosan osittaisesta hydrolyysistä saadaan vaihtelevia määriä sellobioosia, voidaan päätellä, että tämän makromolekyylin glukoosiyksiköt ovat liittyneet toisiinsa viereisten sokerien C-1- ja C-4-kohtien välisillä beetaglykosidisidoksilla. Tärkkelyksen ja glykogeenin osittainen hydrolyysi tuottaa disakkaridia maltoosia sekä pienimolekyylipainoisia dekstraaneja, polysakkarideja, joissa glukoosimolekyylit ovat liittyneet toisiinsa C-1- ja C-6-kohtien välisillä alfa-glykosidisidoksilla sekä maltoosissa esiintyvillä alfa-C-1-C-4-sidoksilla. Muista monosakkarideista (esim. mannoosista, galaktoosista, ksyloosista ja arabinoosista) rakennettuja polysakkarideja tunnetaan myös, mutta niitä ei käsitellä tässä.

Yli puolet maapallon biosfäärin orgaanisesta hiilestä on selluloosassa. Puuvillakuidut ovat olennaisesti puhdasta selluloosaa, ja pensaiden ja puiden puu on noin 50-prosenttisesti selluloosaa. Glukoosin polymeerinä selluloosalla on kaava (C6H10O5)n, jossa n vaihtelee 500:sta 5 000:een riippuen polymeerin lähteestä. Selluloosan glukoosiyksiköt liittyvät toisiinsa lineaarisesti, kuten alla olevassa piirroksessa on esitetty. Beetaglykosidisidokset mahdollistavat näiden ketjujen venymisen, ja tätä muotoa stabiloivat molekyylin sisäiset vetysidokset. Myös molekyylien väliset vetysidokset suosivat vierekkäisten ketjujen yhdensuuntaisuutta. Vaikka yksittäinen vetysidos on suhteellisen heikko, monet tällaiset sidokset yhdessä voivat antaa suurten molekyylien tietyille konformaatioille suuren vakauden. Useimmat eläimet eivät pysty sulattamaan selluloosaa ravintona, ja ihmisten ruokavaliossa tämä osa kasvissyönnistä toimii karkearehuna ja poistuu suurelta osin muuttumattomana. Joillakin eläimillä (esimerkiksi lehmällä ja termiiteillä) on suolistossa mikro-organismeja, jotka hajottavat selluloosaa monosakkaridiravintoaineiksi beetaglykosidaasientsyymien avulla.

Selluloosaan liittyy yleisesti pienemmän molekyylipainon omaavaa, haarautunutta, amorfista polymeeriä, jota kutsutaan hemiselluloosaksi. Toisin kuin selluloosa, hemiselluloosa on rakenteellisesti heikko ja hydrolysoituu helposti laimealla hapolla tai emäksellä. Myös monet entsyymit katalysoivat sen hydrolyysiä. Hemiselluloosat koostuvat monista D-pentoosisokereista, joista ksyloosi on tärkein. Mannoosia ja mannuronihappoa esiintyy usein, samoin kuin galaktoosia ja galakturonihappoa.

Tärkkelys on glukoosin polymeeri, jota esiintyy kasvien juurissa, juurakoissa, siemenissä, varsissa, mukuloissa ja mukulamadoissa mikroskooppisina rakeina, joilla on ominainen muoto ja koko. Useimmat eläimet, ihmiset mukaan lukien, ovat riippuvaisia näistä kasvitärkkelyksistä ravinnokseen. Tärkkelyksen rakenne on monimutkaisempi kuin selluloosan. Ehjät rakeet eivät liukene kylmään veteen, mutta niiden jauhaminen tai paisuttaminen lämpimässä vedessä saa ne puhkeamaan.

Vapautunut tärkkelys koostuu kahdesta fraktiosta. Noin 20 % on vesiliukoista ainetta nimeltä amyloosi. Amyloosimolekyylit ovat lineaarisia ketjuja, jotka koostuvat useista tuhansista glukoosiyksiköistä, jotka on yhdistetty alfa-C-1-C-4-glykosidisidoksilla. Amyloosiliuokset ovat itse asiassa hydratoituneiden kierteisten mikkelien dispersioita. Suurin osa tärkkelyksestä on paljon suuremman molekyylipainon ainetta, joka koostuu lähes miljoonasta glukoosiyksiköstä ja jota kutsutaan amylopektiiniksi. Amylopektiinimolekyylit ovat haaroittuneita verkostoja, jotka rakentuvat C-1-C-4- ja C-1-C-6-glykosidilenkkeistä, ja ne ovat periaatteessa vesiliukenemattomia. Amyloosin ja amylopektiinin edustavat rakennekaavat on esitetty edellä. Kaavion haarautuminen on liioiteltua, sillä haaroja esiintyy keskimäärin vain joka 25. glukoosiyksikön välein.

Tärkkelyksen hydrolyysi, yleensä entsymaattisten reaktioiden avulla, tuottaa siirappimaista nestettä, joka koostuu suurelta osin glukoosista. Kun raaka-aineena on maissitärkkelys, tätä tuotetta kutsutaan maissisiirapiksi. Sitä käytetään laajalti pehmentämään rakennetta, lisäämään tilavuutta, estämään kiteytymistä ja parantamaan elintarvikkeiden makua. Glykogeeni on eläinten käyttämä glukoosin varastointipolymeeri. Se on rakenteeltaan samanlainen kuin amylopektiini, mutta se on vielä voimakkaammin haaroittunut (noin joka kymmenes glukoosiyksikkö). Näiden polysakkaridien haarautumisaste voidaan mitata entsymaattisella tai kemiallisella analyysillä.