Водорастворимые полисахариды из лекарственных и пищевых растений

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

 

«Водорастворимые полисахариды из лекарственных и пищевых растений»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

                                                                

 

 

 

 

 

 

 

 

Уфа-2012

 

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

1.	Номенклатура и классификация	3
2.	Полисахариды в природе	3
3.	Растворимость полисахаридов	4
4.	Полисахариды растений. Крахмал	5
5.	Камеди	8
6.	Слизи	10
7.	Пектиновые вещества	12
8.	Гемицеллюлозы	14
9.	Другие полисахариды растений	15
10.	Исследование некоторых растений. Клевер луговой	17
11.	Фиалка Патрэна	19
12.	Смолевка обыкновенная	20
13.	Литература	24

 

 

Номенклатура и классификация

Полисахаридами называются высокомолекулярные продукты поликонденсации моносахаридов, связанных друг с другом гликозидными связями и образующих линейные или разветвленные цепи. Молекулярный вес полисахаридов относительно высок и может быть измерен существующими методами лишь с известной степенью приближения; это отличает полисахариды от олигосахаридов, степень полимеризации которых может быть точно определена классическими химическими и физико-химическими методами.

Теоретически возможное количество разнообразных полисахаридов необычайно велико: каждый моносахарид, входящий в состав полимерной молекулы, может находиться в пиранозной или фуранозной форме, может быть присоединен к любой из свободных гидроксильных групп следующего моносахаридного остатка α- или β-гликозидной связью и сам может нести один или несколько моносахаридных заместителей. Правда, молекулы природных полисахаридов не содержат хаотического набора всевозможных связей и обычно построены по определенному плану, что объясняется особенностями биосинтеза полисахаридов. В то же время однотипно построенные молекулы химически однородного полисахарида, как правило, отличаются величиной, так что выделяемые в настоящее время индивидуальные полисахариды являются смесями полимергомологов.

 Полисахариды  могут состоять из одного или  нескольких типов моносахаридов, и в зависимости от этого  различают гомо- и гетерополисахариды. По-видимому, даже самые сложные  полисахариды редко содержат  больше пяти — шести различных  моносахаридов. К самым распространенным из них относятся гексозы — глюкоза, галактоза, манноза, пентозы — арабиноза, ксилоза. Кетозы в полисахаридах встречаются значительно реже альдоз. Широко распространены 6-дезоксигексозы — рамноза, фукоза, 2-аминосахара — глюкозамин, галактозамин, а также уроновые кислоты и нейраминовая кислота. Кроме того, многие полисахариды содержат заместители неуглеводной природы — остатки серной или фосфорной кислот, органических кислот, обычно уксусной. Смешанные биополимеры кроме углеводной части содержат белковую или липидную компоненты.

Сложность строения полисахаридов и многообразие известных структур не позволяют создать для них систематическую химическую номенклатуру. Первые названия полисахаридов были произведены от источника выделения или в связи с каким-либо характерным свойством полученного вещества. Таковы прочно укоренившиеся названия наиболее широко распространенных полисахаридов: целлюлоза, крахмал, амилоза, амилопектин, гликоген, инулин, пектин, хитин, гепарин, хондроитин  
или термины, обозначающие целые классы этих соединений, например гемицеллюлозы (полисахариды, сопутствующие целлюлозе в клеточной стенке растений), полиурониды (полисахариды с преобладанием уроновых кислот в молекуле), мукополисахариды (полисахариды, содержащие аминосахара) и т.д.

Впоследствии было предложено обозначать полисахариды', заменяя суффикс «оза» в названии соответствующих моносахаридов на «ан» {но не «озан», который обозначает ангидриды сахаров). Таким образом, термины «полисахарид» и «гликан» являются синонимами. В основу номенклатуры положен моносахаридный состав полисахаридов. Так, различают гомо- и гетерогликаны, причемD-глюкан — это полимер, построенный только из остатков D-глюкозы, D-галакто-D-манногликан — полисахарид (дигликан), содержащий остатки D-галактозы и D-маннозы, и т. д. Дальнейшая детализация номенклатуры возможна, если более подробно исследовано строение полисахаридов, например различают линейные и разветвленные гомогликаны, α- и β-глюканы и т. д.  

Полисахариды в природе

Полисахариды составляют основную массу органического вещества на Земле. Большая часть сухого веса высших наземных растений и водорослей приходится на полисахариды; несколько меньшее, хотя и очень значительное количество полисахаридов выполняет скелетные функции, обеспечивая жесткость клеток или их агрегатов. К таким полисахаридам относятся целлюлоза и хитин — два наиболее распространенных в природе органических вещества. Целлюлоза является основным структурным материалом растений, хотя синтезировать ее способны также некоторые бактерии и беспозвоночные. Хитин служит главным компонентом скелета членистоногих, а также входит в состав клеточных стенок грибов. В построении растительных клеточных стенок принимает участие и ряд других полисахаридов: маннаны грибов, гемицеллюлозы и пектиновые вещества высших растений. Морские водоросли значительно отличаются от наземных растений полисахаридным составом клеточных стенок, что, несомненно, связано со специфическими условиями их обитания. Характерными компонентами морских водорослей являются полисахариды, этерифицированные серной кислотой,— агар, каррагинин, фукан, галактаны и ряд более сложных сульфатов гетерополисахаридов. В организме позвоночных опорные функции выполняют хондроитинсульфаты и родственные мукополисахариды соединительной ткани. Клеточные стенки бактерий построены из сложных гликопротеинов.

 Другой важнейшей  функцией полисахаридов является  использование их живыми клетками  в, качестве энергетических запасов, при необходимости легко превращаемых  в моносахариды, служащие непосредственным источником энергии. К запасным питательным веществам относятся крахмалоподобные полисахариды — амилоза и амилопектин, составляющие крахмал высших растений, и гликоген животных и ряда низших растений. Несколько менее распространены фруктаны, синтезируемые высшими растениями и бактериями. Запасными веществами морских водорослей являются кроме крахмалоподобных полисахаридов ламинарии и, возможно, маннан. Принято считать, что слизи, содержащиеся в семенах высших растений, также являются энергетическим резервами.

К сожалению, биологическая роль большинства полисахаридов до настоящего времени не установлена. Хотя образование камедей связывают обычно с повреждением растительной ткани, детальное выяснение функции камедей и слизей в растениях является еще делом будущего. Внеклеточные (капсулярные) полисахариды бактерий, по-видимому, защищают клетки от неблагоприятных внешних воздействий; известно, что некапсулированные формы бактерий значительно легче подвергаются фагоцитозу. Мукополисахариды животных не только образуют стенки клеток или соединяют клетки друг с другом, они теснейшим образом связаны со всеми видами движения частей тела, где они служат «смазочным материалом». 'Таковы функции мукоидов плазмы крови, мочи, синовиальной жидкости, муцинов пищеварительного тракта и т. д.  

 

Растворимость полисахаридов

Молекулярные веса природных полисахаридов находятся в интервале от нескольких тысяч до нескольких миллионов. Макромолекулярный характер этих соединений накладывает весьма существенный отпечаток на их физические и химические свойства.

Растворимость полисахаридов определяется химической природой их молекул, высокополярных из-за большого количества свободных гидроксильных групп. Этим объясняется тот факт, что полисахариды, как правило, растворимы в воде, значительно хуже растворяются в диметилсульфоксиде, формамиде, диметилформамиде и практически нерастворимы даже в метаноле и этаноле, не говоря о менее полярных органических растворителях.

Для полисахаридов самым распространенным типом межмолекулярного взаимодействия является образование межмолекулярных водородных связей, и в этом случае огромное влияние на свойства полисахаридов оказывает степень упорядоченности их строения. Так, целлюлоза и хитин, обладающие стереорегулярной структурой и линейной конформацией молекул, нерастворимы в воде и лишь слабо набухают в ней, так как энергия межмолекулярного взаимодействия для этих соединений значительно превосходит энергию гидратации. Даже целлодекстрины сравнительно низкого молекулярного веса плохо растворимы в воде, тогда как полисахариды разветвленного строения, не имеющие квазикристаллической структуры, обычно легко растворяются при молекулярных весах порядка-нескольких миллионов. Ассоциация полисахаридов в растворах также чаще всего обусловлена межмолекулярными водородными связями; иногда она происходит во времени и приводит к структурированию и образованию нерастворимых форм, которые выпадают из раствора в осадок. Это явление называется ретроградацией растворов.

На растворимость полисахаридов сильное влияние оказывают неорганические соли, рН среды и т. д. Соли, присутствующие в растворе, часто вызывают разрушение водородных связей и повышение растворимости полисахаридов; высокие концентрации солей, напротив, уменьшают гидратацию полисахаридных молекул и приводят к выпадению полисахаридов из растворов. Для полисахаридов, являющихся полиэлектролитами (полиуроновые кислоты, сульфаты полисахаридов), имеются дополнительные возможности межмолекулярного взаимодействия за счет электростатических сил; этим объясняется„по-видимому, нерастворимость в воде их солей с многовалентными катионами. Аналогичную межмолекулярную сшивку в случае нейтральных полисахаридов могут вызывать комплексообразователи, например ионы двухвалентной меди. В кислой среде такие соли и комплексы разрушаются и полисахариды переходят в раствор. В общем случае, однако, полисахариды лучше растворяются в щелочной, чем в нейтральной или кислой среде, поскольку действие щелочи сводится к частичной ионизации и, как следствие, к лучшей гидратации молекул полисахаридов.

Аналогичные представления о межмолекулярных взаимодействиях помогают объяснить механические свойства как самих полисахаридов (склонность к образованию пленок или нитей, их прочность), так и их растворов (вязкость, склонность к образованию гелей).

 

Полисахариды растений

 

Крахмал

Основным резервным полисахаридом растений является крахмал. Он служит основным источником углеводов в пищевом рационе человека и, следовательно, имеет большое экономическое значение; его получают в промышленном масштабе. Крахмал обнаружен в некоторых простейших, бактериях и водорослях, но до сих пор основным его источником являются семена, плоды, листья и луковицы растений, где содержание крахмала составляет от нескольких процентов до >75 % (зерна хлебных злаков). Крахмал имеет зернистую структуру, причем форма зерен (гранул) зависит от источника выделения. Гранулы крахмала можно выделить из растительной ткани без их разрушения, так как они нерастворнмы в холодной воде, в которой растворяются многие примеси. Такие гранулы обратимо набухают в холодной воде, что используется при промышленной экстракции крахмала. При повышении температуры этот процесс становится необратимым, и в конце концов гранулы разрушаются с образованием крахмального клейстера. Нс все гранулы крахмала в образце разрушаются при одной и той же температуре, однако каждый  индивидуальный крахмал имеет  характерный интервал температуры гелеобразования.

Крахмал может быть разделен на два компонента (явление, впервые открытое в начале 1940 годов, хотя гетерогенность  крахмала отмечалась и раньше). Эти два компонента — амилоза и амилопектин — в крахмалах из разных источников содержатся в разных количествах; содержание амилозы в кукурузе восковой спелости составляет <2 %, а в кукурузном крахмале — ~80 %, однако обычно содержание амилозы в крахмалах равно 15 — 35 %. Считают, что соотношение амилозы и амилопектина зависит от соотношения двух синтетаз, одна из которых ответственна за биосинтез амилозы, а другая — за биосинтез амилопектина. Определение этого соотношения для данного образца крахмала основано на его способности связывать иод. Амилоза связывает иод с образованием окрашенного в синий цвет комплекса; количество связываемого иода частично зависит от экспериментальных условий. Амилопектин связывает небольшое количество иода, образуя комплекс красного цвета; крахмал, как смесь этих форм, обладает промежуточной способностью связывать иод. Экстраполированием линейной части кривой связывания к нулевой концентрации свободного иода можно определить максимальную способность крахмала связывать иод. Содержание амилозы рассчитывают по отношению количества иода, связываемого крахмалом, к максимальному количеству иода, связываемого амилозой. Для этого определения традиционно используют потенциометрическое титрование , однако утверждают, что спектрофотометрическое определение при двух длинах волн дает более точные результаты.

Фракционирование крахмала на компоненты обычно осуществляют прибавлением к водной суспензии зерен крахмала полярного органического растворителя; при этом амилоза образует нерастворимый комплекс. Амилоза затем может быть очищена повторным осаждением. Для первого осаждения используют тимол, для последующей очистки — бутанол. Фракцию амилопектина извлекают из надосадочной жидкости которая остается после удаления комплексного соединения амилозы. Для предотвращения деградации этих фракций их очистку необходимо проводить в отсутствие кислорода; для более полного диспергирования часто необходима предварительная обработка гранул диметилсульфоксидом.

Амилоза и амилопектин являются α-D-(1→4)-связанными глюканами, однако в амилопектине, имеющем разветвленное строение, в точках ветвления имеются дополнительно α-D-(1→6)-связи. При кислотном гидролизе кукурузного и рисового крахмала, выделенных из зерен в стадии восковой спелости, обнаружено, что в их состав входит заметное количество D-глюкозо-6-фосфата. Последующий анализ показал, что в амилопектине в среднем один из шести остатков D-глюкозы фосфорилирован. При метилировании амилозы и последующем гидролизе в качестве основного продукта образуется 2,3,6-три-О-метил-D-глюкоза и менее 0,4 % 2,3,4,6-тетра  
О-метил-D-глюкозы, происходящей из невосстанавливающего концевого остатка, т. е. молекула амилозы линейна и ее единичная цепь состоит из 200 — 350 остатков D-глюкозы. Определенная осмотнческим методом молекулярная масса соответствует такой длине цепи. Однако анализ неразветвленной структуры достаточно сложен из-за небольшого числа концевых остатков по сравнению с общим числом остатков, образующих цепь, а также из-за деградации: разрушение одной связи может вдвое уменьшить длину цепи. Физические методы определения длины цепи, при условии использования независимых методов для определения гомогенности препарата, дают большие значения длины молекул амилозы, чем значения, полученные химическими методами. Анализ методом светорассеяния и ультрацентрифугирования показывает, что длина цепи молекулы амилозы часто достигает 6000 моносахаридных звеньев. Обработка амилозы β-амилазой показала, что молекула линейна; единственным продуктом расщепления была мальтоза. Изучение действия пуллуланазы и других амилолитических ферментов на различные амилозы показало, что их молекулы содержат некоторое количество разветвлений, присоединенных к основной цепи α-(1→6)-связями. Гидродинамическое поведение фракций амилозы также свидетельствует о том, что амилоза в некоторой степени является разветвленной.

Многие свойства амилозы могут быть объяснены способностью ее молекулы принимать в растворе различные конформации. В нейтральных водных растворах нормальной для амилозы конформацией является статистический клубок. Если в растворе присутствуют комплексообразователи, амилоза принимает конформацию спирали, каждый виток которой содержит около шести остатков D-глюкозы. В этой конформации амилоза образует окрашенный в синий цвет комплекс с иодом, а также комплексы с жирами и полярными органическими растворителями, причем комплексообразователь располагается в центре спирали. Вследствие конформационных переходов молекул амилозы в растворе могут возникать различные ретроградированные формы. ретроградацией амилозы называется ее самоосаждение из раствора вследствие ассоциации молекул (явление, редко наблюдаемое у амилопектина). Методом рентгенографии ретроградированных амилоз показано, что размер молекул и тип кристаллической модификации амилозы, а также концентрация, температура и рН раствора влияют на образование таких нерастворимых ассоциатов, причем для них наблюдаются рентгеновские спектры различных типов. Амилоза А характерна для крахмала из хлебных злаков; она образуется также ретроградацией амилозы при температуре выше  
51ºС; амилоза В характерна для крахмалов из клубней и образуется ретроградацией амилозы при комнатной температуре. Ясной картины конформаций, существующих для этих модификаций, в настоящее время нет, однако полагают, что амилоза В может представлять собой двойную спираль.