多糖類とは？定義・種類・性質と役割 — デンプン・セルロース等の例

多糖類の定義からデンプン・セルロースなどの種類、性質、役割まで図解と例でわかりやすく解説。ホモ・ヘテロ多糖の違いも紹介。

多糖類は比較的複雑な炭水化物です。

多くの単糖からなるポリマーである。非常に大きな分子で、しばしば枝分かれしている。非晶質で水に溶けにくく、甘味がない。

構成する単糖がすべて同じ種類の場合はホモ多糖、2種類以上の単糖が存在する場合はヘテロ多糖と呼ばれる。

例えば、デンプン、グリコーゲンなどの貯蔵多糖類、セルロース、キチンなどの構造多糖類が挙げられる。

定義と基本構造

多糖類は多数の単糖（モノサッカライド）がグリコシド結合で連結した高分子です。結合の形式（α-結合かβ-結合か）、結合する炭素番号（例：1→4、1→6など）、および分岐の有無が物理的性質や生物学的機能を決めます。重合度（単糖ユニットの数）は数十から数万に及ぶことがあります。

分類（構成と結合による）

• ホモ多糖：同一の単糖が繰り返す多糖（例：セルロースはグルコースからなる）。
• ヘテロ多糖：複数種類の単糖が含まれる多糖（例：ペクチン、ヒアルロン酸、糖タンパク質の糖鎖など）。
• 分岐の有無：直鎖（セルロース）か分枝（グリコーゲン、デンプンのアミロペクチン）かで物性が大きく変わる。
• 結合様式：α-グリコシド結合は消化酵素で分解されやすく、β-結合は一般に分解されにくい（ヒトはβ-1,4結合を持つセルロースを消化できない）。

代表的な多糖類（例と特徴）

• デンプン：植物の貯蔵多糖。アミロース（直鎖）とアミロペクチン（分岐）で構成される。ヨウ素反応で青紫色を示す。唾液や膵液のアミラーゼで分解され、グルコースに変わる。
• グリコーゲン：動物の主要な貯蔵多糖。デンプンよりさらに分岐が多く、肝臓や筋肉で素早くエネルギー供給できる。
• セルロース：植物細胞壁の主要成分。β-1,4結合による直鎖が多数の水素結合で束ねられて繊維（ミクロフィブリル）を形成し、高い強度と不溶性を示す。ヒトは消化酵素を持たないが、反芻動物や一部の微生物はセルラーゼで分解できる。
• キチン：節足動物の外骨格や菌類の細胞壁に存在する構造多糖。N-アセチルグルコサミン（GlcNAc）からなり、硬くて耐久性がある。
• ペクチン、アガロース、アルギン酸など：食品や細胞外マトリックスでゲル化や粘性を示すヘテロ多糖。
• グリコサミノグリカン（ヒアルロン酸、ヘパリンなど）：硫酸化やカルボキシル基を持ち、高い親水性で細胞間マトリックスの機能やシグナル伝達に関与。

物理化学的性質

• 一般に分子量が大きく、水に溶けにくいものが多いが、部分的に水和して粘性やゲルを作るものもある。
• 結晶性と非晶性：セルロースは部分的に結晶性を示す一方で、デンプンはアミロース部分で結晶性、アミロペクチンは非晶性が強い。
• 化学修飾で溶解性や機能性を変えられる（エステル化、カルボキシメチル化など）。
• 酵素反応性：特定の分解酵素（アミラーゼ、セルラーゼ、キチナーゼなど）により加水分解される。

生物学的役割

• エネルギーの貯蔵（デンプン、グリコーゲン）— 必要時に単糖へと分解されて利用される。
• 構造支持（セルロース、キチン）— 細胞壁や外骨格の剛性を担う。
• 細胞間マトリックスや保水、潤滑（ヒアルロン酸など）— 組織の物理的性状やシグナル伝達に寄与。
• 認識とシグナル（糖タンパク質・糖脂質のオリゴ糖鎖）— 細胞間認識や免疫応答に関与。

利用・応用

• 食品：増粘剤、安定剤、食物繊維として利用（ペクチン、アルギン酸、セルロース誘導体など）。
• 医療・化粧品：ヒアルロン酸の保湿・関節注射、キチン・キトサンの創傷被覆材やドラッグデリバリーへの応用。
• 工業：紙や繊維の原料、バイオ燃料（セルロースの糖化による発酵）、生分解プラスチックの素材。
• 研究：多糖の構造解析はNMR、質量分析、酵素分解＋クロマトグラフィーなどで行われる。

消化とヒトの栄養学的観点

ヒトはアミラーゼにより焼/調理したデンプンを分解してエネルギーを得られますが、セルロースのようなβ-結合を持つ多糖は消化できず食物繊維として腸内を通過します。食物繊維の一部は腸内細菌により発酵され、短鎖脂肪酸を生成して大腸の健康維持に寄与します。

分析・識別法（簡単な例）

• ヨウ素試験：デンプンに対して青紫色を呈する（アミロースに特に強い反応）。
• 酵素分解と糖分析：適切な酵素で加水分解して生じた単糖をHPLCやGCで測定することで組成が分かる。
• スペクトロスコピー（NMR、FTIR）や質量分析で結合様式や修飾の情報を得る。

まとめ

多糖類は生物の構造と代謝において不可欠な高分子で、構造・結合様式・分岐の違いにより性質と機能が多様です。食品、医療、工業など幅広い分野で利用されており、その化学的性質や生物学的挙動を理解することは応用や健康の両面で重要です。

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