Основные группы полисахаридов, их распространение и свойства

СПРАВОЧНЫЙ МАТЕРИАЛ

Полисахариды образуются во всех зеленых растениях и некоторых циан бактериях в результате фотосинтеза из углекислого газа и воды. Источником энергии для их образования служит свет.

Полисахариды (или полиозы) – природные высокомолекулярные соединения, образованные моносахаридами или их производными, соединенными О-гликозидными связями и образующие линейные или разветвленные цепи.

Схематически полисахариды можно представить как ангидридоподобные соединения, образующиеся при выделении воды из нескольких молекул моносахаридов. Все полисахариды построены по типу гликозидов.

Полисахариды в зависимости от молекулярной массы и свойств делят на две группы:

1. Олигосахариды (полисахариды I порядка) (от греч. о л и г о с -
немногий) - низкомолекулярные полисахариды, молекула которых при гидролизе образует небольшое число молекул моносахаридов - от 2 до 8-10.

Это кристаллические вещества, растворимы в воде, часто обладают сладким вкусом.

2. Высшие полисахариды (полисахариды II порядка) - высокомолекулярные вещества, малорастворимые или нерастворимые в воде, нерастворимые в неполярных растворителях и спирте, в большинстве случаев аморфные вещества, не обладают сладким вкусом, подвергаются кислотному и ферментативному гидролизу.

К высшим полиозам условно относят полисахариды, степень полимеризации которых превышает. Их молекула построена из моносахаридных остатков, связанных гликозидными связями.

Классификация полисахаридов

1. По моносахаридному составу высшие полиозы делят на:

- гомополисахариды (гомогликаны), построенные из остатков одногомоносахарида;

- гетеропоплисахариды (гетероргликаны), состоящие из остатков различных моносахаридов.

2. По характеру полигликозидной цепи (по характеру скелета):

- линейные;

- разветвленные.

3. По биологическим свойствам:

- резервные (являются энергетическим резервом растительных и животных тканей);

- структурные (выполняют опорную функцию);

- защитные (предохраняют растение от пересыхания).

4. По источникам выделения:

- животные (зоогликаны);

- растительные (фитогликаны);

- полисахариды микроорганизмов.

5. Растительные полисахариды разделяют по химическому признаку:

- нейтральные;

- кислые;

- основные.

КРАХМАЛ

Крахмал - важнейший запасной углевод растений, является главной составной частью всех злаков и картофеля.

Он не является химически индивидуальным веществом.

Изучение строения полисахаридов крахмала стало строго научным в начале 40-х годов XX в., когда Мейер показал наличие в крахмале двух фракций: линейной (амилозы) и ветвистой (амилопектина).

Амилоза - линейный полимер, построенный из остатков D-глюкопиранозы, связанных a-глюкозидными связями между 1-м и 4-м углеродными атомами. Амилоза имеет молекулярную массу 32000-160000, легко растворима в воде и дает растворы со сравнительно невысокой вязко­стью. Водные растворы амилозы неустойчивы и при хранении амилоза выпадает в осадок (явление ретроградации).

Амилопектин - разветвленный полимер, в котором остатки глюкозы соединены между собой a-глюкозидными связями между 1-м и 4-м и между 1-м и 6-м углеродными атомами. Молекулярная масса амилопектина достигает сотен миллионов, он растворяется в воде при нагревании и дает с гонкие вязкие растворы.

Содержание амилозы и амилопектина в растениях различно и зависит от вида растения и органа, из которого он получен. Это соотношение меняется в период созревания.

Кроме углеводной части (которая составляет 96.1-97.6 %) в крахмале содержатся минеральные вещества (от 0.2 до 0.7%), представленные в основном фосфорной кислотой, а также высокомолекулярные жирные кислоты (до 0.6%) - пальмитиновая, стеариновая и др.

В холодной воде крахмал набухает, но не растворяется, в горячей воде образует вязкий раствор, который при охлаждении превращается в студнеобразную массу.

Характерным свойством крахмала является его способность окраши­ваться в синий цвет при добавлении раствора Люголя. Появление синего окрашивания объясняется образованием комплексных и адсорбционных соединений между йодом и крахмалом (реакция Сакса).

Крахмал подвергается ферментативному и кислотному гидролизу. При слабом воздействии кислот образуется так называемый растворимый крахмал.

В растениях крахмал находится в виде крахмальных зерен разнообразной формы (овальной. сферической и др.), размеры которых колеблются от 0.002 до 0.15 мм. Наиболее крупные зерна у картофеля, самые мелкие - у риса. Характерная форма крахмальных зерен и различия в размерах позволяют использовать эти признаки для идентификации растений и крахмала.

В медицинской практике используют картофельный, пшеничный, кукурузный и рисовый крахмал.

Крахмал применяют как наполнитель, а в хирургии - для приготовления неподвижных повязок, широко используется в присыпках, мазях и пастах. В качестве обволакивающего средства применяют внутрь при желудочно-кишечных заболеваниях.

ЦЕЛЛЮЛОЗА (клетчатка)

Целлюлоза - полисахарид, составляющий основу клеточных стенок растений; она содержится также в бактериях и некоторых низших животных. Это линейный полимер, построенный из остатков D-глюкопиранозы, связанных (3-(1-4)-гликозидными связями. Молекула клетчатки содержит от 1400 до 10000 глюкозных остатков. Повторяющимся звеном в молекуле целлюлозы является остаток целлобиозы. Целлюлоза обладает высокими физико-механическими показателями. Она подвергается кислотному гидролиз): при кипячении с концентрированной серной кислотой образуется глюкоза, а при более слабом гидролизе - олигосахарид целлобиоза.

Большинство природных волокнистых материалов (хлопок, лен), а также древесина построены из целлюлозы.

В медицине целлюлоза используется как перевязочный материал.

ИНУЛИН

Инулин - запасной полисахарид, образованный (β-D-Э-фруктозой (94-97%) и a-D-глюкозой (3-6%). Имеет форму цепочки, в которой гексозы соединены между собой полуацетальными гидроксилами между 1-м и 2-м углеродными атомами. Молекулярная масса не превышает 5000-6000. Инулин легко растворим в горячей воде с образованием коллоидных растворов; из водных растворов осаждается спиртом; имеет сладкий вкус. Он подвергается кислотному и ферментативному гидролизу с образованием молекул β-D-фруктозы.

Молекула инулина состоит из 34-35 остатков фруктофуранозы, ко­нечная цепь которых заканчивается остатком глюкопиранозы.

Инулин не окрашиваются йодом.

Инулин в больших количествах содержится в подземных органах растений семейств Asteraceae, Campanulaceae, в которых он заменяет крахмал. Растения, содержащие инулин, используют для получения фруктозы. Инулин в медицинской практике применяют в качестве заменителя сахара и крахмала при сахарном диабете, а также для диагностики функционального состояния почек (инулиновый тест).

ПЕКТИНОВЫЕ ВЕЩЕСТВА

Пектиновые вещества - биополимеры полиуронидной природы, присутствующие в растворимой и нерастворимой формах практически во всех надземных растениях, морских травах и ряде пресноводных водорослей.

Пектиновые вещества как отдельная группа соединений была открыта М. Браконо в 1825 г., который дал им и название. Основу пектиновых веществ составляет D-галактуроновая кислота, этерифицированная метиловым спиртом.

Молекулярная масса пектинов колеблется в пределах 25000-300000. Основу этого полисахарида составляет D-галактуроновая кислота с a-(1 -4)-связями, соединенная в полигалактуроновую пектовую кислоту (на долю полигалактуроновых кислот, в зависимости от источника происхождения пектиновых веществ, приходится 83-90%). Часть имеющихся в ней карбоксильных групп этерифицирована метальными группами (пектиновая кислота), а часть вторичных спиртовых групп может быть ацетилированна. К основной макромолекуле в виде боковых цепочек присоединены D-ксилоза. L-арабиноза. D-галактоза. D-глюкоза. а в главную цепь включена L-рамноза.

Пектины, выделенные из различных источников сырья, отличаются величинами молекул, степенью этерификации или ацетилирования и структурой боковых углеводных цепей.

По физико-химическим свойствам пектин представляет собой порошок от желтоватого до серовато-белого цвета, практически без запаха, слизистого вкуса. Он почти полностью растворим в 20 частях воды с образованием вязкого опалесцирующего коллоидного раствора. Водные растворы имеют кислую реакцию среды. Пектины нерастворимы в спирте и других органических растворителях.

Характерным и важным свойством пектина является его способность давать студни в присутствии сахара и кислот (отсюда их название: от греч. "пектос'" - соединяющий). Желирующая способность растительного пектина, широко используемая пищевой промышленностью, у разных растений не одинакова и зависит от относительной молекулярной массы пектина, от степени метоксилирования остатков галактуроновой кислоты и от количества сопутствующих балластных веществ.

Пектиновые вещества широко распространены в природе. Нераство­римые пектиновые соединения, или протопектины, составляют большую часть межклеточного вещества и первичной стенки молодых растительных клеток. Растворимые пектины присутствуют в основном в соках растений. Они выполняют важнейшие биологические функции: влияют на прорастание семян и рост клеток, предохраняют растения от высыхания, усиливают их засухоустойчивость и морозостойкость, выполняют защитную функцию во взаимодействиях растений с фитопатогенами.

Пектин нашел применение в медицинской практике как вспомога­тельное вещество при производстве лекарственных форм, а также как лекарственное и профилактическое средство. В связи с тем, что пектины являются природными ионообменниками, способными замещать водороды карбоксильных групп на катионы поливалентных металлов, их используют в профилактике отравлений соединениями тяжелых металлов и радиоактивными изотопами. Таким образом, пектины в различных лечебных препаратах и пищевых изделиях являются одними из наиболее эффективных природных средств детоксикации организма от вредного воздействия радионуклидов, тяжелых металлов и других токсических веществ. Пектиновые вещества используют для приготовления кровоостанавливающих пре­паратов, антисептиков; они обладают противоязвенной, противовоспали­тельной, гипотензивной активностью.

Уникальный спектр функциональных свойств пектина (загуститель, студнеобразователь. стабилизатор, детоксикант, антиоксидант) определяет его широкое применение в пищевой промышленности и в медицине, в косметическом и других производствах.

Сырьем для получения пектинов служат яблочные выжимки, кожура цитрусовых, свекловичный жом, корзинки подсолнечника, кормовой арбуз. В последнее время разрабатываются способы получения пектинов из различных сортов тыквы.

КАМЕДИ (Gummi)

Камеди - продукты, образующиеся в результате перерождения клеточных стенок и содержимого клеток сердцевины, серцевинных лучей и выделяющиеся в виде вязких растворов на местах случайных (естественных) дефектов (трещины, повреждения насекомыми, бактериальные или грибные заболевания) или в результате искусственных воздействий на растение.

Камеди (гумми) - смеси гетерополисахаридов с обязательным участием уроновых кислот, карбоксильные группы которых связаны с ионами кальция, калия, магния. В состав калмедей входят гексозы (D-галактоза. D-манноза), пентозы (L-арабиноза. D-ксилоза), уроновые кислоты (D-глюкуроновая и D-галактуроновая кислоты).

Первоначально мягкие или вязкие камеди на воздухе постепенно твердеют, превращаясь в аморфные массы разнообразной величины, формы и окраски. Камеди не имеют вкуса, но некоторые из них обладают сладковатым, реже горьковатым вкусом. Если камеди чисты, то они не обладают запахом. Камеди не имеют ни точки плавления, ни точки кипения, ни точки замерзания.

Камеди нерастворимы в этаноле, эфире, хлороформе и других органических растворителях. Они растворимы в воде и образуют растворы, занимающие промежуточное положение между истинными и коллоидными растворами. При этом растворы камедей обладают специфическими свойствами: вязкостью, клейкостью, набухаемостью. Некоторые камеди неполностью растворяются в воде или только набухают.

Способность к образованию камедей свойственна только многолетним жизненным формам растений - деревьям и кустарникам и в меньшей степени - травянистым многолетникам. Камедь продуцируют различные органы растения - корни, ствол, ветви, плоды, семена, иногда – черешки листьев; но наибольшие истечения наблюдаются, как правило, из стволов.

СЛИЗИ (Mucilagines)

Слизи - гидрофильные полисахариды, образующиеся в растениях в результате нормального "слизистого" перерождения клеточных стенок или клеточного содержимого.

При этом ослизняться могут отдельные клетки (корень алтея, расте­ния семейств фиалковые, гречишные) или целые слои (семя льна, блошное семя), при ослизнении клетки не разрушаются и целостность их сохраняется.

Слизи бесцветны или желтоваты, без запаха, слизистого, иногда сладковатого вкуса, полужидкой консистенции. Молекулярная масса слизей меньше, чем камедей. Слизи разбухают в воде и образуют вязкие коллоидные растворы. Осаждаются спиртом. При действии разбавленных кислот подвергаются гидролитическому расщеплению, давая различные моносахариды.

Из лекарственного растительного сырья слизи извлекаются водой и определяются гравиметрически.

Реактивами на слизь являются метиленовый синий (окрашивает слизь в голубой цвет) и растворы КОН. NaOH (окрашивают слизь в желтый цвет).

Слизи выполняют важную биологическую роль запасных веществ

как резервы углеводов и воды, а также защитную роль, предохраняя растения от высыхания Они способствуют поглощению воды семенами и их набуханию при прорастании; а также распространению и закреплению в почве семян растений. Установлено, что накопление слизей в тканях некоторых растений повышает их засухоустойчивость.

Слизи применяются в медицине как мягчительные, обволакивающие, отхаркивающие, противовоспалительные средства. Их используют при лечении колитов, энтероколитов, гастритов, язвенной болезни желудочно-кишечного тракта, а также при заболеваниях верхних дыхательных путей и при отравлении некоторыми ядами. Их используют также в качестве эмульгаторов.

АЛЬГИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Альгиновые кислоты - главный структурный компонент клеточных стенок бурых водорослей (Laminaria. Macrocistis и Fucus).

Альгиновую кислоту впервые получил Стенфорд в 1883 г. при обработке бурых водорослей сем. Ламинариевых разбавленным раствором карбоната натрия. Альгиновая кислота давала очень вязкие растворы и при подкислении выпадала в виде cry дне образного осадка.

Присутствуя в водорослях в виде солей, она обычно связана мостиками из двухвалентных катионов с другими полисахаридами. Подобные комплексы выполняют важнейшие биологические функции в бурых водорослях и обеспечивают их жизнедеятельность, в частности регулируют водный и солевой режим и влияют на рост и развитие водоросли.

Классические методы установления строения (метилирование, периодатное окисление) позволили выявить, что альгиновые кислоты - это линейные полимеры, мономерные звенья которых соединены (3-1.4 - гликозидными связями. Соотношение D-маннуроновой и L-гулуроновой кислот в альгиновых кислотах из различных видов водорослей колеблется в широких пределах и составляет от 1:0.5 до 1:3. Молекулярная масса альгиновой кислоты варьирует от 220 до 860.

Единственным природным источником альгиновой кислоты являются бурые водоросли Из альгиновой кислоты вырабатывают альгинаты, которые используют в качестве загустителей, коагуляторов, эмульгаторов, стабилизаторов Стерильные растворы альгината натрия применяют для приготовления различных мазей и жидкостей от ожогов, кровоостанавливающих порошков, марли, бинтов. Из альгинатов делают и растворимые нити, используемые в хирургии Альгиновая кислота по своим свойствам превосходит крахмал и, так же как он, широко используется в качестве вспомогательного материала при изготовлении лекарственных средств

Дата добавления: 2014-12-27