Polysaccharide

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Polysacchariden um große Moleküle mit hohem Molekulargewicht, die durch die Verbindung von Monosaccharideinheiten über glykosidische Bindungen entstehen. Sie werden manchmal auch als Glykane bezeichnet. Die wichtigsten Verbindungen dieser Klasse, Cellulose, Stärke und Glykogen, sind allesamt Polymere aus Glucose. Dies lässt sich leicht durch säurekatalysierte Hydrolyse zum Monosaccharid nachweisen. Da die partielle Hydrolyse von Cellulose unterschiedliche Mengen an Cellobiose ergibt, schließen wir, dass die Glukoseeinheiten in diesem Makromolekül durch Beta-Glykosidbindungen zwischen C-1- und C-4-Stellen benachbarter Zucker verbunden sind. Bei der teilweisen Hydrolyse von Stärke und Glykogen entsteht das Disaccharid Maltose zusammen mit Dextranen mit niedrigem Molekulargewicht, also Polysacchariden, bei denen die Glukosemoleküle durch Alpha-Glykosidbindungen zwischen C-1 und C-6 verbunden sind, ebenso wie die Alpha-C-1-C-4-Bindungen in Maltose. Polysaccharide, die aus anderen Monosacchariden aufgebaut sind (z.B. Mannose, Galaktose, Xylose und Arabinose), sind ebenfalls bekannt, werden hier aber nicht behandelt.

Über die Hälfte des gesamten organischen Kohlenstoffs in der Biosphäre der Erde besteht aus Cellulose. Baumwollfasern bestehen im Wesentlichen aus reiner Cellulose, und das Holz von Sträuchern und Bäumen besteht zu etwa 50 % aus Cellulose. Als Glukosepolymer hat Cellulose die Formel (C6H10O5)n, wobei n je nach Quelle des Polymers zwischen 500 und 5.000 liegt. Die Glukoseeinheiten in Cellulose sind linear miteinander verbunden, wie in der folgenden Zeichnung dargestellt. Die beta-Glykosidbindungen ermöglichen eine Streckung dieser Ketten, und diese Konformation wird durch intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen stabilisiert. Eine parallele Ausrichtung der benachbarten Ketten wird auch durch intermolekulare Wasserstoffbrückenbindungen begünstigt. Obwohl eine einzelne Wasserstoffbindung relativ schwach ist, können viele solcher Bindungen, die zusammen wirken, bestimmten Konformationen großer Moleküle große Stabilität verleihen. Die meisten Tiere können Zellulose als Nahrungsmittel nicht verdauen, und in der Ernährung des Menschen dient dieser Teil der pflanzlichen Nahrung als Ballaststoff und wird weitgehend unverändert ausgeschieden. Einige Tiere (z. B. Kühe und Termiten) beherbergen Darmmikroorganismen, die Zellulose mit Hilfe von Beta-Glykosidase-Enzymen in Monosaccharid-Nährstoffe aufspalten.

Zellulose wird häufig von einem verzweigten, amorphen Polymer mit geringerem Molekulargewicht begleitet, das Hemizellulose genannt wird. Im Gegensatz zur Cellulose ist die Hemicellulose strukturell schwach und kann leicht durch verdünnte Säuren oder Basen hydrolysiert werden. Außerdem katalysieren viele Enzyme ihre Hydrolyse. Hemicellulosen setzen sich aus vielen D-Pentosezuckern zusammen, wobei Xylose der Hauptbestandteil ist. Mannose und Mannuronsäure sind häufig vorhanden, ebenso Galaktose und Galakturonsäure.

Stärke ist ein Polymer aus Glukose, das in Wurzeln, Rhizomen, Samen, Stängeln, Knollen und Knollen von Pflanzen als mikroskopisch kleine Körnchen mit charakteristischer Form und Größe vorkommt. Die meisten Tiere, einschließlich des Menschen, sind für ihre Ernährung auf diese Pflanzenstärke angewiesen. Die Struktur der Stärke ist komplexer als die der Zellulose. Die intakten Körnchen sind in kaltem Wasser unlöslich, aber wenn man sie zerkleinert oder in warmem Wasser aufbläht, platzen sie auf.

Die freigesetzte Stärke besteht aus zwei Fraktionen. Etwa 20 % ist ein wasserlösliches Material namens Amylose. Amylosemoleküle sind lineare Ketten aus mehreren tausend Glukoseeinheiten, die durch alpha-C-1- bis C-4-Glykosidbindungen verbunden sind. Amyloselösungen sind eigentlich Dispersionen von hydratisierten helikalen Mizellen. Der größte Teil der Stärke ist eine Substanz mit einem viel höheren Molekulargewicht, die aus fast einer Million Glukoseeinheiten besteht und Amylopektin genannt wird. Amylopektinmoleküle sind verzweigte Netzwerke, die aus C-1- bis C-4- und C-1- bis C-6-Glykosidbindungen aufgebaut sind, und sind im Wesentlichen wasserunlöslich. Repräsentative Strukturformeln für Amylose und Amylopektin sind oben dargestellt. Die Verzweigung in diesem Diagramm ist übertrieben, da Verzweigungen im Durchschnitt nur alle fünfundzwanzig Glukoseeinheiten auftreten.

Bei der Hydrolyse von Stärke, in der Regel durch enzymatische Reaktionen, entsteht eine sirupartige Flüssigkeit, die größtenteils aus Glukose besteht. Wenn Maisstärke das Ausgangsmaterial ist, wird dieses Produkt als Maissirup bezeichnet. Er wird häufig verwendet, um die Textur zu mildern, das Volumen zu erhöhen, das Auskristallisieren zu verhindern und den Geschmack von Lebensmitteln zu verbessern. Glykogen ist das von Tieren verwendete Glukose-Speicherpolymer. Es hat eine ähnliche Struktur wie Amylopektin, ist aber noch stärker verzweigt (etwa jede zehnte Glukoseeinheit). Der Grad der Verzweigung in diesen Polysacchariden kann durch enzymatische oder chemische Analyse gemessen werden.