Skrobia i celuloza są zbudowane z glukozy, ale różnica α/β decyduje, czy człowiek może je strawić
Skrobia i celuloza są polisacharydami zbudowanymi z jednostek D-glukozy. Różnica dotyczy stereochemii wiązania glikozydowego. W skrobi glukozy łączą się głównie wiązaniami α(1→4), a amylopektyna dodatkowo α(1→6), tworząc helikalne i rozgałęzione struktury łatwo rozpoznawane przez nasze amylazy. Celuloza ma wiązania β(1→4); każda kolejna glukoza jest odwrócona, a proste łańcuchy tworzą między sobą gęstą sieć wiązań wodorowych i mikrofibryle. Człowiek nie produkuje celulaz rozcinających β(1→4), więc ten sam monomer jest dla nas raz źródłem kalorii, a raz błonnikiem.
Monomer jest dosłownie ten sam
Zarówno skrobia, jak i celuloza powstają z D-glukozy. Nie ma drugiego rodzaju cukru ani dodatkowego pierwiastka, który tłumaczyłby różnicę właściwości.
Anomeria zmienia kierunek wiązania
Przy atomie anomerycznym C1 glukozy podstawnik może mieć konfigurację α lub β. Enzym tworzący polisacharyd wybiera konkretną orientację i tym samym zapisuje stereochemię w każdym kolejnym połączeniu.
Różnica α/β powstaje przy zamykaniu glukozy w pierścień. Atak grupy –OH na aldehyd tworzy nowe centrum stereogeniczne C1 zwane anomerycznym. W D-glukozie grupa anomeryczna może znaleźć się po przeciwnej stronie względem CH₂OH w α albo po tej samej stronie w β. Gdy enzym tworzy wiązanie glikozydowe, konfiguracja zostaje utrwalona w polimerze i nie może już swobodnie mutarotować bez rozerwania połączenia.
Skrobia tworzy helisy i rozgałęzienia
Amyloza ma głównie α(1→4) i może zwijać się w helisy. Amylopektyna dodaje punkty α(1→6), tworząc rozgałęzioną strukturę, która umożliwia szybkie enzymatyczne uwalnianie glukozy z wielu końców.
Amyloza zwija się w helisę z hydrofobową wnęką, do której może wejść jod/polyjodkowe łańcuchy, dając charakterystyczny granatowy kompleks używany w teście skrobi. Celuloza nie tworzy analogicznej helisy, dlatego nie daje tego samego intensywnego koloru. Prosty szkolny test analityczny wykrywa więc pośrednio konformację wynikającą z konfiguracji wiązań glikozydowych.
Celuloza tworzy wyprostowane taśmy
W β(1→4) kolejna glukoza jest obrócona o około 180°. Łańcuch nie zwija się jak amyloza, lecz tworzy wydłużony układ z licznymi donorami i akceptorami H-bondów ustawionymi do kontaktu z sąsiednimi łańcuchami.
Mikrofibryle są wyjątkowo wytrzymałe
Wiele łańcuchów celulozy agreguje w uporządkowane domeny, w których H-bondy i siły dyspersyjne tworzą mocne włókna. To podstawowy materiał konstrukcyjny ściany komórkowej roślin.
W celulozie liczne równoległe łańcuchy łączą się w mikrofibryle zawierające bardziej krystaliczne i mniej uporządkowane obszary. Dostęp enzymów zależy od powierzchni, stopnia krystaliczności i obecności ligniny lub hemiceluloz w ścianie roślinnej. Nawet mikroorganizm wyposażony w celulazy potrzebuje zestawu enzymów i często mechanicznego/chemicznego przygotowania materiału, aby skutecznie rozłożyć biomasę.
Nasza amylaza rozpoznaje α, nie β
Enzymy trawienne człowieka hydrolizują wiązania skrobi, ale nie mają celulazy zdolnej do efektywnego przecinania β(1→4) celulozy. Celuloza przechodzi więc do jelita grubego jako składnik błonnika.
Mikroorganizmy potrafią obejść ograniczenie
Przeżuwacze wykorzystują mikrobiom wytwarzający celulazy, a termity polegają na własnych i symbiotycznych enzymach. Problem nie polega na tym, że wiązanie β jest absolutnie nierozrywalne — człowiek po prostu nie posiada odpowiedniego zestawu enzymów.
Przemysł biopaliw próbuje właśnie pokonać tę strukturę. Jeśli celulozę rozłoży się do glukozy, można ją fermentować podobnie jak cukry ze skrobi, ale koszt pretreatmentu i enzymów jest wysoki. Ten sam β(1→4), który dla drzewa jest świetnym sposobem budowania trwałej ściany, dla biotechnologa stanowi barierę dostępu do energii. Stereochemia jednego powtarzanego wiązania wpływa na globalną ekonomikę przetwarzania biomasy.
Skrobia sama także nie jest jednym jednolitym materiałem. Proporcja amylozy do amylopektyny, długość gałęzi, rozmiar granulek i stopień krystaliczności różnią się między ziemniakiem, ryżem, kukurydzą i innymi roślinami. Po ogrzaniu z wodą granulki pęcznieją i zachodzi kleikowanie, a po ochłodzeniu łańcuchy mogą częściowo ponownie się uporządkować w retrogradacji. „Skrobia” jest więc rodziną struktur powstałych z tych samych wiązań α. Nawet po odróżnieniu jej od celulozy pozostaje cały poziom organizacji ponad podstawową stereochemią, który decyduje o teksturze i strawności żywności.
Różnica skrobia–celuloza pokazuje też, dlaczego nazwę „węglowodan” trudno utożsamiać z jedną wartością odżywczą. Dwa polimery glukozy mogą mieć niemal identyczny skład elementarny, a dla człowieka jeden jest szybko dostępnym paliwem, drugi głównie włóknem strukturalnym. O wartości biologicznej decyduje dostęp enzymu do konkretnej stereochemii, nie sam procent węgla czy liczba jednostek glukozy.