Polysaccharide

Begriff, Aufbau und Bedeutung

Polysaccharide, auch Vielfachzucker, Glycane/Glykane oder Polyosen, sind Kohlenhydrate. Sie sind Biopolymere: Viele Monosaccharide (Einfachzucker) sind durch glycosidische Bindungen miteinander verbunden. Ein Polysaccharid enthält mehr als neun Monosaccharideinheiten und besitzt eine statistische Molekülgrößenverteilung; kürzere Ketten heißen Oligosaccharide.

Einige Polysaccharide haben die allgemeine Summenformel [Cₓ(H₂O)ᵧ]ₙ, meist mit x = 5 oder 6 und y = x−1. Beispiele sind Stärke mit Amylose und Amylopektin, Pektine, Callose und Cellulose. Cellulose ist ein wichtiges Strukturelement der Pflanzen und das am häufigsten vorkommende Polysaccharid.

Polysaccharide dienen unter anderem als Energiespeicher, Nährstoffe und Gerüststoffe. Pflanzliche Zellwände bestehen zu über 50 % aus Cellulose und Hemicellulose. Hemicellulose ist ein Gemisch aus Polysacchariden und übernimmt eine stützende Funktion in der Zellwand. In der Tierwelt kommen Polysaccharide als Energiespeicher Glycogen, als Gerüstbaustein Chitin und in Schleimstoffen vor.

Einteilung nach Bausteinen

Die Einteilung richtet sich nach den Monomeren, also den einzelnen Zuckerbausteinen: Homoglycane bestehen aus nur einer Art Einfachzucker, Heteroglycane aus zwei oder mehr verschiedenen Kettenbausteinen. Jeder Monomerbaustein ist über eine oder mehrere glycosidische Bindungen mit seinen Nachbarn verbunden. Ein Baustein am Kettenende hat mindestens einen Nachbarn, ein Kettenmittelstück mindestens zwei; in verzweigten oder nachträglich vernetzten Ketten können es drei oder mehr sein.

Die wiederholende Einheit eines Polymers kann trotz gleicher Monosaccharide aus mehreren Bausteinen bestehen. Wiederholungseinheiten aus zwei gleichen Sacchariden heißen Homodisaccharide, solche aus drei gleichen Homotrisaccharide. Bei zwei gleichen, aber unterschiedlich verknüpften Monosacchariden kann bei einem Unterschied nur in der α- oder β-Verknüpfung dieselbe Konstitution, aber eine unterschiedliche Konfiguration vorliegen.

Homoglycane und Heteroglycane

Zu den Homoglycanen zählen Stärke und Cellulose, die beiden Polysaccharide mit dem größten Anteil an der Biomasse. Stärke ist die Hauptspeicherform der stoffwechselaktiven Glucose und besteht aus Amylose und Amylopektin; beide sind ausschließlich aus α-D-Glucose-Einheiten aufgebaut. Cellulose ist ein Baustein pflanzlicher Zellwände und besteht aus β-D-Glucose-Einheiten. Auch Sinistrin, ein pflanzlicher Energiespeicher, und Chitin, Hauptbestandteil der Exoskelette von Gliederfüßern, sind Homoglycane.

Homoglycane werden nach ihren Monomeren benannt: Cellulose und Stärke sind Glucane. Sinistrin besteht vollständig aus D-Fructose-Einheiten und ist deshalb ein Fructan. Dextrane werden in der Medizin als Gerinnungshemmstoffe verwendet. Quervernetzte Dextrane dienen in der Biochemie als Trägermaterial bei Affinitätschromatographie, Pulldown-Assays und Größenausschlusschromatographie.

Heteroglycane bestehen aus mehreren unterschiedlichen Monomeren; dadurch sind sehr viele mögliche Strukturen denkbar. Heparin und Fondaparinux sind Heteroglycane mit gerinnungshemmender Wirkung. Agarose wird vor allem im biochemischen Labor als Medium für Agarose-Gelelektrophorese und Chromatographiesäulen eingesetzt. Glycosaminoglycane bestehen aus wiederholten Disaccharid-Einheiten. Sie sind überwiegend Bestandteile von Proteoglycanen; nicht proteingebunden kommen unter anderem Heparin und Hyaluronsäure vor. Hyaluronsäure wird als Medikament in der Schönheitschirurgie und Orthopädie verwendet.

Funktionen in Stoffwechsel, Zellhülle und Gewebe

Im Metabolismus sind Polysaccharide essentielle Energieträger und meist Energiespeicher, also Produkte des Anabolismus. Bei Tieren und Menschen übernimmt Glycogen diese Aufgabe; es ist ein Analogon des Amylopektins. Bei Energiebedarf wird der Speicher durch Glucagon freigesetzt, sodass katabolisch aktive D-Glucose-Einheiten entstehen. Pflanzen speichern Energie vor allem als Stärke.

Eukaryotische und prokaryotische Zellen besitzen eine Kohlenhydrathülle, die Glykokalyx. Sie ist bis zu 140 nm dick und besteht aus Poly- und Oligosacchariden. Die Saccharid-Ketten liegen als Bestandteile von Glycoproteinen und Glycolipiden vor, die teilweise die Zellmembran bilden. Die Glykokalyx schützt vor Austrocknung und ermöglicht Zell-Zell-Kommunikation, die besonders für das Immunsystem wichtig ist. Polysaccharide können auch die äußere Hülle von Mikroorganismen wie Streptococcus pneumoniae bilden. Ihre unterschiedliche Zusammensetzung bestimmt die Oberflächenstruktur und damit den Serotyp bei der Charakterisierung mit verschiedenen Seren.

Proteoglycane enthalten den größten Teil der Glycosaminoglycane. Hyaluronsäure bildet ihr Rückgrat und kann bis zu 4 µm lang sein; Heparan-, Chondroitin- und Keratansulfat gehören ebenfalls dazu. Zusammen mit Kollagen und Wasser bilden Proteoglycane Knorpelgewebe.

β-Glucane, Herstellung und Derivate

β-Glucane sind hochmolekulare β-D-Glucose-Polysaccharide in den Zellwänden von Getreide, Bakterien und Pilzen. Ihre physikalisch-chemischen Eigenschaften unterscheiden sich je nach Quelle deutlich. Auch Cellulose und Chitin sind Glucane mit β-glycosidischer Bindung. Manche β-Glucane zeigen antitumorale und antientzündliche Effekte.

Polysaccharide können künstlich hergestellt werden, unter anderem mit der Koenigs-Knorr-Methode. Zur Verbesserung bestimmter Eigenschaften werden sie chemisch verändert, indem Liganden an Hydroxylgruppen gebunden werden. Methyl-, Hydroxyethyl- oder Carboxymethyl-Gruppen können beispielsweise die Quelleigenschaften von Cellulose in wässrigen Medien verbessern.

Thiolisierte Polysaccharide enthalten synthetisch gebundene Thiolgruppen. Bei Hyaluronsäure oder Chitosan können diese Disulfidbrücken bilden und dadurch die Viskosität erhöhen. Über Disulfidbrücken können thiolisierte Polysaccharide außerdem mit Proteinen wie Keratin und Mucin verbunden werden.