Полисахариды получение и строение. Большая энциклопедия нефти и газа

Cтраница 1

Структура полисахаридов может уплотняться и становиться недоступной для реагентов.  

Особенности структуры полисахаридов в кристаллах, гибкость их в коллоидных растворах и другие свойства, связанные с геометрией цепей, могут быть объяснены на уровне атом-атом потенциалов.  

Чрезвычайно важна структура полисахаридов, в частности целлюлозы, составляющих основу различных форм растительного мира. Принципы воздействия структуры на свойства молекул целлюлозы, наблюдаемые в природе, широко используются в технологии и переработке синтетических, в том числе химических волокон.  

При исследовании структуры полисахаридов широко применяется метод метилирования. Полностью метилированный полисахарид в дальнейшем подвергается метанолизу путем нагревания с 2 % - ным раствором хлористого водорода в метаноле, после чего полученная смесь метилглюкозидов обрабатывается 2 % - ным водным раствором соляной кислоты.  

Для установления структуры полисахаридов с линейной формой макромолекул достаточно определить состав и строение элементарного звена, форму и типы связи между звеньями, и порядок чередования связей разных типов. При определении строения более сложных полисахаридов, к которым относятся полиозы, этих данных недостаточно. При разветвленной форме макромолекул необходимо дополнительно определить строение структурной единицы макромолекулы. Структурной единицей называют участок цепи, многократным повторением которого построена макромолекула. Для установления строения повторяющейся структурной единицы необходимо дополнительно определить число и порядок чередования элементарных звеньев в структурной единице.  

Для установления структуры полисахаридов ГМЦ применяются в комплексе химические, биохимические, хроматографические и спектроскопические методы. Для определения продуктов деградации широко используются хроматографические методы (бумажная, тонкослойная, газожидкостная хроматография); большую роль в последние годы играет масс-спектроскопия, которая применяется не только для идентификации производных, полученных при анализе полисахаридов методом метилирования, но и для анализа олигосахаридов непосредственно после их перевода в летучие производные. И, наконец, в арсенал современных методов прочно вошла спектроскопия 13С - ЯМР - недеструктивный метод анализа структуры, позволяющий решить задачу установления строения полисахарида с минимальным использованием традиционных химических методов либо без них. Рассмотрим кратко характеристику этих методов.  

Моносахариды представлены в структуре полисахаридов и углевод-белковых комплексов альдогексозами, дезоксисахарами, аминосахара-ми, уроновыми и опаловыми кислотами.  

Ограничимся разбором путей установления структуры полисахаридов, хотя они далеко не исчерпывают структурные задачи, возникающие в химии углеводов. Для этого есть две причины. Во-первых, полисахариды (включая сюда смешанные биополимеры) представляют собой наиболее важный объект углеводной химии. Во-вторых, установление строения полисахаридов включает основные типы структурных задач, в том числе установление строения моно - и олигосахаридов, а применяемые для этой цели методы являются наиболее общими и употребительными инструментами химии Сахаров в целом.  

Для восстановления утраченных характеристик структуры полисахаридов нужны принципиально другие методы, и мы их разберем в последующих главах.  

Помимо важной информации о структуре полисахаридов, которую дает исследование действия одного фермента, дополнительные сведения можно получить, подвергая продукты, образовавшиеся при расщеплении с помощью одного фермента, расщеплению вторым ферментом.  

Манноза входит главным образом в структуру полисахаридов и гликопротеидов.  

Большая часть современных сведений о структуре полисахаридов была получена путем изучения расщепления природных полисахаридных макромолекул. Обычно строение полисахарида может быть установлено только после сопоставления результатов, полученных различными аналитическими методами, и лишь в редких случаях применение только одного способа расщепления позволяет полностью решить вопрос о структуре полисахарида. Каждый из таких методов исследования полисахаридов, как гидролиз, метилирование или периодатное окисление, дает новые или дополнительные сведения о полимерной структуре полисахарида, на основании которых можно установить многие детали его тонкой структуры.  

В настоящее время в основном известен состав и структура полисахаридов гемицеллюлоз клеточных стенок многих видов растительной ткани.  

Строение целлюлозы было исследовано всеми имеющимися методами установления структуры полисахаридов.  

Оксигруппы полисахаридов определяют их гидратацию с образованием водородных связей с молекулами воды, ее моно- и полиадсорбцию и соот­ветственно растворимость полисахаридов, которая одновременно зависит от молекулярной массы полисахарида и температуры.

Нативный крахмал в холодной воде практически нерастворим, образует суспензию. Однако он гидрофилен и может поглощать за счет адсорбции, до 30% влаги к его массе.

Низкомолекулярная (легкая) амилоза (до 70 глюкозных остатков) способна растворяться в холодной воде, более тяжелая – в горячей, самая тяжелая – только в щелочах. Растворимость у амилозы низкая (до 1%), растворы неустойчивые. Через некоторое время после растворения цепочки амилозы собираются одна возле другой, и посредством водородных связей по месту свободных гидроксильных групп образуют комплексы. Последние выпадают в осадок, который в воде нерастворим (ретроградация).

Амилопектин в холодной воде нерастворим, а в горячей образует структурированные системы, свойства которых зависят от вида крахмала. Система с амилопектином из крахмала картофеля, батата, маниока (клуб­невых) или каштана имеет достаточную прозрачность и хорошо выраженные упругие свойства. Система с амилопектином из зерновых (пшеницы, риса, кукурузы) отличается развитыми пластическими свойствами (система мажется), кроме того, она не прозрачна и имеет молочно-белую окраску.

Поскольку свойства амилопектина того или иного вида крахмала оказывают большое влияние на свойства клейстера, различают группу пшеничного крахмала (пшеница, рис и кукуруза) и группу картофельного крахмала (картофель, каштан и батат). Крахмалы бобовых и гречихи занимают промежуточное положение, но ближе к картофельному крахмалу.

Амилоза дает с йодом характерную синюю окраску, амилопектин – красно-фиолетовую. Окраска йод-сахаридного комплекса зависит от степени полимеризации линейных участков в полимере. Заметная окраска появляется при степени полимеризации 20; цепи, состоящие из 30 остатков глюкозы, дают с йодом пурпурное окрашивание и при степени полимеризации свыше 45 – синее.

Изменение крахмала в продуктах происходит при их тепловой обработке. Только в тесте крахмал изменяется при 25-30ºС. При тепловой обработке продуктов крахмал подвергается набуханию и клейстеризации (в водной среде) и даже деструкции (или пирогенетическому расщеплению, или декстринизации ) при сухом нагреве.

Набухание и клейстеризация крахмала

Нагревание крахмала в присутствии воды вызывает его клейстеризацию, т.е. разрушение нативной (кристаллической) структуры крахмальных зерен, сопровождаемое набуханием.

Процесс клейстеризации эндотермический и складывается из ряда последовательно протекающих и накладывающихся друг на.друга процессов.

Способность крахмала к набуханию и клейстеризации является одним из важнейших технологических свойств крахмала, т.к. определяет консистенцию, объем и выход изделий из крахмалсодержащего сырья и в свою зависит от условий нагревания (температуры, продолжительности) и соотношения продукт: вода (или крахмал: во да), а также нативных свойств крахмала.

Нагревание малоконцентрированных суспензий крахмала (1%) до температуры около 55°С сопровождается небольшим обратимым поглощением зернами влаги без разрушения их нативной структуры. При дегидратации структура крахмальных зерен восстанавливается до исходного состояния.

При дальнейшем нагревании суспензии до 60 о С и выше свойства крахмала изменяются необратимо – нативная структура крахмальных зерен нарушается, оптическая анизотропия исчезает. Крахмальное зерно сильно набухает, увеличиваясь в объеме в несколько раз (зерна кукурузного крахмала – на 300%). Диссоциированные молекулы горячей воды проникают внутрь крахмального зерна, разрыхляют упорядоченную структуру крахмальных полисахаридов. В «точке роста» в результате разрыва и ослабления некоторой части водородных связей между цепями крахмальных полисахаридов образуется полость или пузырек. Образование полости называется кавитацией. По мере повышения температуры исчезает и слоистость (частично – при 60°С) а затем – полностью). Но форма зерна сохраняется.

Вода, поступающая внутрь зерен, растворяет некоторое количество полисахаридов. Часть из них (амилоза) переходят из зерен в окружающую среду. Подобное изменение структуры крахмальных зерен часто определяют как первую стадию процесса клейстеризации, а температуру, при которой оно наблюдается, как температуру клейстеризации (либо как интервал температур, либо как среднюю температуру клейстеризации).

Вследствие прошедшей клейстеризации суспензия превращается в клейстер – дисперсию, состоящую из набухших крахмальных зерен и растворенных в воде полисахаридов (амилоза). Значительно возрастает вязкость системы.

Процесс этот идет в интервале температур от 55 до 30°С. Последующее наг­ревание системы (клейстера) влечет за собой более глубокое изменение нативной структуры зерен. Слоистое строение исчезает, объем резко увеличивается (до 1000%), что является следствием разрыва связей между макромолекулами полисахаридов и их гидратации. Часть полисахаридов растворяется и остается в подсети крахмального зерна, а часть (гл. образом амилоза) – диффундирует в окружающую среду. Вязкость клейстера значительно возрастает. Часто эту стадию клейстеризации крахмала опре­деляют как вторую. Такое определение очень условно.

Нагревание клейстера картофельного крахмала до 95-98 о С сопро­вождается разрушением набухших зерен и переходом содержимого в окружающую среду. Процесс идет тем интенсивнее, чем выше температура и длительнее нагрев. Считается, что вязкость клейстеров при нагревании объясняется не набуханием зерен крахмала, а свойствами извлекаемой из них водорастворимой фракции, образующей в растворе трехмерную сетку и удерживающую больше влаги, чем набухшие крахмальные зерна.

Как было отмечено выше, консистенция готового кулинарного изделия из крахмалсодержащего сырья зависит от соотношения крахмал: вода. Крахмал в виде клейстера находится в таких кулинарных изделиях как кисели жидкие и средней консистенции, соусы, супы-пюре, концентрация крахмала в которых составляет 2-5%. Во всех других кулинарных изделиях крахмал и вода находятся в соотношении от 1:2 до 1:5, поэтому крахмал образует гелеподобные или студнеобразные системы значительной вязкости. Это наблюдается при варке картофеля, круп, бобовых и макаронных изделий. Объясняется это тем, что крахмальные зерна набухают внутри клетки, поглощая сравнительно небольшое количество воды по отношению к своей массе. Так в картофеле 3-4-х кратное количество воды, поэтому набухать неограниченно крахмальные зерна не могут. Внутри клетки крахмальные зерна тесно соприкасаются друг с другом, накладываются друг на друга, а полисахариды, извлеченные из зерна водой, скрепляют систему и она приобретает определенную прочность. При охлаждении прочность системы возрастает.

В изделиях из теста крахмал еще менее обводнен, соотношение крахмал: вода составляет 1:0,7 или 1:0,8. Недостаточное количество влаги позволяет крахмальным зернам при повышении температуры сохранять свою форму и структуру, т.е. речь идет об ограниченном набухании крахмальных полисахаридов.

Однако вязкость клейстеров и стабильность системы зависит не только от концентрация крахмала, но и от наличия сопутствующих веществ.

1. Какие вещества, относящиеся к углеводам, вам известны?

Глюкоза, фруктоза, крахмал, целлюлоза, хитин.

2. Какую роль играют углеводы в живом организме?

Углеводы представляют собой важнейшие источники энергии, необходимой для жизнедеятельности организмов.

3. В результате какого процесса углеводы образуются в клетках зелёных растений?

Углеводы образуются в клетках зелёных растений в результате фотосинтеза.

Вопросы

1. Какой состав и строение имеют молекулы углеводов?

Углеводы состоят из углерода, водорода и кислорода. У большинства из них соотношение водорода и кислорода в молекуле такое же, как и в молекуле воды.

Все углеводы делятся на простые, или моносахариды, и сложные, или полисахариды. Ди- и полисахариды образуются путём соединения двух и более молекул моносахаридов. Так, сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) - дисахариды, образовавшиеся в результате слияния двух молекул моносахаридов.

2. Какие углеводы называются моно-, ди- и полисахаридами? 3. Какие функции выполняют углеводы в живых организмах?

Все углеводы делятся на простые, или моносахариды, и сложные, или полисахариды. Из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза.

Ди- и полисахариды образуются путём соединения двух и более молекул моносахаридов. Так, сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) - дисахариды, образовавшиеся в результате слияния двух молекул моносахаридов. Дисахариды по своим свойствам близки к моносахаридам. Например, и те и другие хороню растворимы в воде и имеют сладкий вкус.

Полисахариды состоят из большого числа моносахаридов. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин и др. С увеличением количества мономеров растворимость полисахаридов уменьшается и сладкий вкус исчезает.

Основная функция углеводов - энергетическая. При расщеплении и окислении молекул углеводов выделяется энергия (при распаде 1 г углеводов - 17,6 кДж), которая обеспечивает жизнедеятельность организма.

При избытке углеводов они накапливаются в клетке в качестве запасных веществ (крахмал, гликоген) и при необходимости используются организмом в качестве источника энергии.

Углеводы используются и в качестве строительного материала.

Некоторые полисахариды входят в состав клеточных мембран и служат рецепторами, обеспечивая узнавание клетками друг друга и их взаимодействие.

Задания

Проанализируйте рисунок 6 «Схема строения полисахаридов» и текст параграфа. Какие предположения вы можете выдвинуть на основе сравнения особенностей строения молекул и функций, выполняемых крахмалом, гликогеном и целлюлозой в живом организме? Обсудите этот вопрос с одноклассниками.

Строение представленных на рисунке молекул углеводов позволяет им выполнять определенные функции.

Полимерные цепочки крахмала и гликогена позволяют им накапливаться в клетке в качестве запасных веществ (т.к. они компактные за счет способности изгибаться и свертываться) и при необходимости использоваться организмом в качестве источника энергии.

Строение молекул целлюлозы (длинные прямолинейные цепи) делает их как нельзя лучше приспособленными для использования в качестве строительного материала (целлюлоза является важным структурным компонентом клеточных стенок многих одноклеточных, грибов и растений).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации ФГАОУ ВПО

"Балтийский федеральный университет имени И. Канта"

Химико-биологический институт

Факультет Биоинженерии и биоинформатики

Кафедра химии

на тему: Полисахариды. Нахождение в природе. Получение. Строение и свойства

Работу выполнил:

студент 2 курса

Плетнева Ксения Андреевна

Научный руководитель:

доц. Мазова О. В.

Калининград 2016

1. Строение

2. Физические свойства

3. Основные химические свойства

4. Биологическая роль

5. Получение

6. Применение полисахаридов

7. Основные представители

Источники информации

1. Строение

Полисахариды (гликаны) - это молекулы полимерных углеводов, соединенных длинной цепочкой, объединённые вместе гликозидной связью, а при гидролизе становятся составной частью моносахаридов или олигосахаридов. Примерами могут служить резервные полисахариды, такие как крахмал и гликоген и структурные полисахариды - целлюлоза и хитин. Полисахариды чаще всего неоднородны. В зависимости от структуры у этих макромолкекул могут быть различные свойства. Они могут быть аморфные или даже нерастворимы в воде. Когда в полисахариде находятся все моносахариды одного типа, полисахарид называется гомополисахаридом или гомогликаном, но когда присутствует больше одного типа моносахаридов, их называют гетерополисахаридами или гетерогликанами. По функциональному назначению полисахариды принято разделять на резервные и структурные.

Натуральные сахариды в основном состоят из простых углеводов, называемых моносахаридами с общей формулой (CH2O)n. Представители моносахаридов: глюкоза, фруктоза и глицеральдегид.

Полисахариды состоят из более, чем десяти моносахаридных остатков. Молекулы полисахаридов могут быть как линейными, так и разветвленными.

2. Физические свойства

Большинство полисахаридов нерастворимы или плохо растворимы в воде. Чаще всего они бесцветные или желтоватые. В большинстве своем полисахариды не обладают запахом и вкусом, но иногда он может быть сладковатым. полисахарид молекула химический

3. Основные химические свойства

Среди особых химических свойств полисахаридов можно выделить гидролиз и образование производных.

· Гидролиз - это процесс, который происходит при взаимодействии углевода с водой при участии ферментов или катализаторов, таких как кислоты. Во время такой реакции полисахарид распадается на моносахариды. Таким образом, можно сказать, что гидролиз - процесс, обратный полимеризации.

Гидролиз крахмала можно выразить следующим уравнением:

(С6Н10О5)n + n Н2О = n С6Н12О6

Так, при реакции крахмала с водой под действием катализаторов мы получаем глюкозу. Количество ее молекул будет равно количеству мономеров, образовывавших молекулу крахмала.

Образование производных может происходить при реакциях полисахаридов с кислотами. В таком случае углеводы присоединяют к себе о статки кислот, вследствие чего образуются сульфаты, ацетаты, фосфаты и т. д. Кроме того, может происходить присоединение остатков метанола, что приводит к образованию сложных эфиров.

4. Биологическая роль

Полисахариды в клетке и организме могут выполнять следующие функции:

· защитную;

· структурную;

· запасающую;

· энергетическую.

Защитная функция заключается прежде всего в том, что из полисахаридов состоят клеточные стенки живых организмов. Так, клеточная стенка растений состоит из целлюлозы, грибов - из хитина, бактерий - из муреина.

Кроме того, защитная функция полисахаридов в организме человека выражается в том, что железами выделяются секреты, обогащенные этими углеводами, которые защищают стенки таких органов как желудок, кишечник, пищевод, бронхи и т. д. от механических повреждений и проникновения болезнетворных бактерий.

Структурная функция полисахаридов в клетке заключается в том, что они входят в состав плазматической мембраны. Также они являются компонентами мембран органоидов.

Следующая функция заключается в том, что основные запасные вещества организмов являются именно полисахаридами. Для животных и грибов это гликоген. У растений запасным полисахаридом является крахмал.

Последняя функция выражается в том, что полисахарид - это важный источник энергии для клетки. Получить ее из такого углевода клетка может путем его расщепления на моносахариды и дальнейшего окисления до углекислого газа и воды. В среднем при расщеплении одного грамма полисахаридов клетка получает 17,6 кДж энергии.

5. Получение

Экстракция. Метод экстракции подразумевает извлечение веществ, содержащихся в сырье, в раствор, и используется как начальный этап очистки. Возможно два варианта экстракции:

1) растворение полисахарида и ряда сопутствующих веществ и отделение нерастворимых примесей. Таким образом получают растительные слизи и некоторые бактериальные экзополисахариды. Чаще всего в качестве растворителя используют воду, однако полисахариды с большим количеством кислотных функциональных групп лучше растворяются в разбавленных минеральных кислотах, а гемицеллюлозы экстрагируют в щелочной среде.

Экстракция полисахаридов сопровождается растворением полярных низкомолекулярных соединений, некоторых белков и нуклеиновых кислот, поэтому дальнейшая обработка экстракта предусматривает удаление этих веществ.

2) выделение полисахарида из смеси в виде осадка. Так, хитин и целлюлоза сохраняют целостность структуры при жёсткой щелочной или окислительной обработке, которая приводит к деструкции остальных биополимеров.

Экстракция требует предварительного измельчения сырья; при этом часть фибриллярных молекул может быть повреждена либо механическим путём, либо окислением кислородом воздуха (последнее - в щелочной среде).

Необходимость в экстракции отпадает при выделении полисахаридов из жидкостей биологического происхождения, где они изначально находятся в растворе (культуральные жидкости, плазма крови и т.п.).

Осаждение. Перевод вещества из раствора в осадок можно осуществить несколькими путями:

1) нагревание экстракта/исходной смеси с последующим охлаждением. В ходе данной процедуры выпадают в осадок полисахариды, растворимость которых в горячей воде значительно выше, чем в холодной: глюкан из овса, инулин и др.

2) осаждение органическим растворителем, смешивающимся с водой. Обычно применяют 80% этанол, который растворяет низкомолекулярные примеси, в т. ч. олигосахариды, в то время как полисахариды выпадают в осадок.

3) фракционное осаждение. В этом случае получают серию фракций осаждаемых веществ, соответствующих разным концентрациям осадителя в растворе; в каждой фракции содержание целевого полисахарида выше, чем в предыдущей. Данный способ может быть пригоден для разделения смеси полисахаридов. Например, кислые полисахариды могут быть отделены от нейтральных в виде нерастворимых кальциевых или бариевых солей.

4) добавление комплексообразователей. Остатки уроновых кислот и моносахаридов с соседними цис-гидроксильными группами образуют нерастворимые комплексы с ионами меди; высокомолекулярные комплексообразователи (галактоманнан, амилоза) взаимодействуют таким же образом с целлюлозой, и т.п. Наиболее избирательным методом такого осаждения является применение антисывороток.

В результате осаждения полисахаридов из первичных экстрактов часто получают смеси, загрязнённые неуглеводными примесями, в первую очередь белком и неорганическими солями, поэтому необходимо подвергнуть экстракт предварительной обработке посредством диализа, ультрафильтрования или ферментативной очистки.

Диализ. В процессе диализа раствор экстракта помещают в целлофан, погружённый в воду; при этом низкомолекулярные примеси диффундируют через целлофан наружу. Диффузия ускоряется под действием электрического поля (электродиализ) или при перемешивании. Для удаления катионов из растворов кислых полисахаридов диализ проводят в подкисленной среде.

Ультрафильтрование представляет собой фильтрование раствора через полупроницаемую мембрану с определённой величиной пор и так же позволяет избавиться от низкомолекулярных примесей.

Ферментативная обработка разрушает высокомолекулярные примеси, которые не удаётся удалить при помощи диализа. Очистка раствора от использованного фермента осуществляется одним из методов денатурации белков: нагревание, действие химических реагентов (щёлочи, трихлоруксусной кислоты, хлороформа с амиловым спиртом и т.д.), избирательная сорбция белков на геле фосфата кальция. Эти же методы применяются для деструкции неферментных белков, загрязняющих раствор.

Хроматография - разделение веществ, различающихся по определённым физико-химическим параметрам.

Вид хроматографии, основанный на разделении веществ по молекулярному весу - гель-фильтрация на сефандексе. Сефандекс - полусинтетический сорбент полисахаридной природы; его гранулы содержат поры и формируют т. н. молекулярное сито, которое задерживает внутри низкомолекулярные вещества и не препятствует диффузии полимеров. Существуют наборы сефандексов с различной величиной пор для разделения смеси полисахаридов. Таким способом получают декстраны.

Ионообменная хроматография позволяет разделить вещества в соответствии с их зарядом (например, отделить кислые полисахариды от нейтральных). Ионообменник - это твёрдый носитель заряженных групп, которые способны за счёт электростатистического взаимодействия связывать ионы исследуемых молекул. Таким образом, заряженные молекулы обратимо адсорбируются ионообменником и могут быть элюированы для дальнейшей обработки.

Распределительная и адсорбционная хроматография не нашли широкого применения в области получения полисахаридов.

Распределительная хроматография выявляет разную подвижность исследуемых веществ при распределении последних между двумя фазами, стационарной (матрикс = носитель = сорбент) и мобильной (растворитель = проявитель). Адсорбционная хроматография может разделить вещества в том случае, если при одинаковых концентрациях они демонстрируют разную степень связывания с сорбентом. Трудности, которые возникают при использовании данных видов хромтографии при работе с растворами полисахаридов, обусловлены склонностью последних к межмолекулярной ассоциации и образованию коллоидных растворов.

Электрофорез основан на способности веществ, имеющих заряженные группы атомов, двигаться в растворителе под действием электрического поля.

Использование данного метода ограничено сложностью подбора условий эффективного разделения (состав буферной смеси, концентрация растворителя, сила тока, продолжительность фореза и др.). Тем не менее, электрофорез успешно используется для отделения сульфированных полисахаридов от полиуронидов водорослей, маннаны от глюканов Candida albicans и компоненты других гетерогенных полисахаридных смесей.

Ультрацентрифугирование (седиментация) обеспечивает концентрационное распределение веществ по центрифужной пробирке под действием центробежной силы. Измерение длины траектории движения молекул вдоль направления действия центробежной силы называется определением скорости седиментации; зная эту величину, можно вычислить коэффициент седиментации - показатель, значение которого зависит от молекулярной массы и формы частицы.

Процесс выделения полисахаридов из культуральной жидкости микроорганизмов можно облегчить путём изменения поверхностных свойств микроорганизма-продуцента (например, за счёт удаления поверхностного полимерного материала типа липополисахаридов). В подобных мутантных культурах происходит спонтанная аутоагглютинация, что уменьшает число необходимых операций центрифугирования. Однако нужно внимательно следить за тем, чтобы клеточный материал таких мутантов не выходил из периплазматического пространства; необходимо также избегать лизиса клеток с последующим загрязнением конечного продукта. К другим изменениям относятся мутации капсулообразующих организмов, приводящие к появлению стабильных, образующих слизи бактерий, а также получение устойчивых к фагам мутантов, что уменьшает риск заражения фагом в процессе производства.

Реальную опасность при выделении полисахаридов представляет деструкция под действием ферментов. Растворы полисахаридов могут служить средой для роста микроорганизмов, попадающих туда из воздуха лаборатории. Для предотвращения расщепления полисахаридов ферментами микроорганизмов к растворам прибавляют толуол, тимол или хранят их при низкой температуре.

6. Применение полисахаридов

Эти вещества широко используются в промышленности и медицине. Большинство из них добываются в лабораториях путем полимеризации простых углеводов.

Наиболее широко используемыми полисахаридами являются крахмал, целлюлоза, декстрин, агар-агар.

Применение полисахаридов в промышленности

Название вещества	Использование
	Находит применение в пищевой промышленности. Также служит сырьем для получения глюкозы, спирта. Применяется для изготовления клея, пластмасс. Кроме того, используется и в текстильной промышленности
Целлюлоза	Используется в целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности: из нее изготавливают картон, бумагу, вискозу. Производные целлюлозы (нитро-, метил-, ацетилцеллюлоза и др.) находят широкое применение в химической промышленности. Из них же производят синтетические волокна и ткани, искусственную кожу, краски, лаки, пластмассы, взрывчатку и многое другое
Декстрин	Является пищевой добавкой Е1400. Также применяется при изготовлении клеящих веществ
Агар-агар	Это вещество и его производные применяют в качестве стабилизаторов при изготовлении продуктов питания (например, мороженого и мармелада), лаков, красок

7. Основные представители

Резервные полисахариды. Крахмал -- главный резервный полисахарид растений. Запасается в резервных органах: семенах, клубнях, корневищах, мобилизуется при их прорастании. В клубнях картофеля его содержится около 20%, в семенах кукурузы - 35-60%, в рисе, муке, крупах -- 70--80%. Крахмал состоит из двух полимерных фракций - амилозы и амилопектина. Оба -- гомополимеры, построены из молекул а-D-глюкозы.

Амилоза -- линейный полимер, связь между мономерами гликозид-гликозидная в положении 1-4; структурный блок амилозы -- б-мальтоза. Амилопектин -- разветвленный полимер, в котором связи 1-4 чередуются со связями 1-6, представляющими собой точки ветвления. Вместе ветвления можно выделить изомальтозу как структурный блок. Связи 1-6 составляют примерно 5% гликозидных связей.

Цепи амилозы скручены в спираль диаметром около 13 нм; в каждом витке из которых не менее 25 остатков; структура трехмерная с ветвями, идущими во всех направлениях и придающими молекуле сферическую форму. Форма крахмальных зерен может быть разной: овальной, сферической, неправильной, что характерно для разных культур. По внешнему виду крахмал -- аморфный белый порошок, но рентгенографическими исследованиями установлено наличие микрокристаллической структуры.

Некоторые химические или физические воздействия могут перевести крахмал в исключительно аморфное или исключительно кристаллическое состояние. Крахмал, подобно белкам, обладает гидрофильными свойствами, но в холодной воде крахмальные зерна не растворяются, а только набухают. При температуре 55--75 °С крахмальная взвесь превращается в вязкий коллоидный раствор -- крахмальный клейстер; при охлаждении он превращается в прочный гель.

Характерной реакцией на крахмал является синее окрашивание йодом. При гидролизе крахмала (в том числе под действием фермента амилазы слюны) образуются декстрины -- полимеры разной степени полимеризации, дающие с йодом разную окраску: амилодекстрины - фиолетового цвета; эритродекстрины -- пурпурного, ахродекстрины--слабо оранжевого; при степени полимеризации менее 12 окраса с йодом отсутствует.

I2 + (C6H10O5)n => I2*(C6H10O5)n

Гликоген -- резервный полисахарид животных. Запасается в печени и мышцах. Полимер б-D-глюкозы имеет разветвленную цепь, подобно амилопектину, за счет чередования связей 1-4 и 1-6. Однако степень ветвления выше, чем у амилопектина: одна связь 1-6 приходится на 8--10 связей 1-4. Гликоген -- более высокомолекулярный полимер, чем крахмал, его молекулярная масса колеблется в пределах 107-109.

Подобно крахмалу, гликоген дает коллоидные растворы, которые при обезвоживании превращаются в гель. В реакции с йодом гликоген окрашивается в красно-бурый цвет.

В организме человека гликоген мобилизуется как резервный источник энергии рефлекторно при снижении уровня глюкозы в крови. Гликоген мышц используется для собственных энергетических нужд, гликоген печени -- для всех тканей организма. В печени расщепление гликогена осуществляется либо путем гидролиза (образуется глюкоза), либо путем фосфоролиза. В последнем случае образуется глюкозо-1-фосфат

Структурные полисахариды. Целлюлоза. Это самое распространенное органическое соединение на нашей планете; в ней заключено больше половины общего количества углекислого газа, который растения фиксируют в процессе фотосинтеза. Целлюлозосодержащее сырье - неисчерпаемый источник для получения питательных веществ (сахара, белков, жиров, пищевых кислот), а также биологически активных веществ в результате микробиологического синтеза (ферментов, витаминов, лекарственных средств).

Целлюлоза встречается повсюду в растительном мире в качестве структурного компонента клеточной стенки. Особенно богаты целлюлозой волокна хлопка, где ее содержание составляет 98-99%. В небольшом количестве она синтезируется некоторыми бактериями и животными. Структура целлюлозы хорошо приспособлена для ее биологической роли -- придания прочности волокнам: отдельные цепи целлюлозы способны образовывать водородные связи своими -ОН группами. Это является причиной нерастворимости в воде. В клеточных стенках растений волокна целлюлозы упакованы в слои, которым придают дополнительную прочность другие соединения полисахаридной природы: гемицеллюлоза, пектин, лигнин. Целлюлоза не имеет питательной ценности для человека, так как у нас нет ферментов, способных расщеплять ее. В связи с этим представляет научный интерес сравнение по химическому составу, свойствам и биологической ценности крахмала и целлюлозы.

Первый -- полисахарид, состоящий из молекул б-глюкозы, вторая -- из молекул в-глюкозы, и это существенно отличает их по свойствам и способности к усвоению.

Пектиновые вещества (полиурониды) -- сложные эфиры полигалактурной кислоты и метилового спирта. Полиурониды состоят главным образом из остатков галактуроновой кислоты, соединенных б-(1-4)-гликозидной связью. В клеточных стенках растений, образованных из целлюлозы, они вместе с гемицеллюлозами «цементируют» эти стенки, объединяя клетки в том или ином органе растений.

Пектиновые вещества широко распространены в растениях, особенно в плодах и овощах. Так, в сахарной свекле, картофеле их количество колеблется от 1 до 3%, а в яблоках, грушах, сливах, цитрусовых_ от 0,5до 2,5%

Пектиновые вещества представлены тремя химическими модификациями: пектиновая кислота, пектин и протопектины. Образуют вязкие коллоидные растворы. Присутствие 0,5--1% пектиновых веществ в 60--80%-ных растворах сахарозы при рН 3--4 приводит к образованию твердого геля. Поэтому пектиновые вещества находят широкое применение в кондитерской промышленности для изготовления желе, джема, зефира, мармелада, начинок для карамели и т.п.

Кислые гетерополисахариды (мукополисахариды) -- это полисахариды животных тканей. Название происходит от слова «тисоs» -- слизь. Эта группа представляет собой сильно гидратированные желеподобные, липкие вещества, имеющие отрицательный заряд. Они содержатся в тканях и слизях преимущественно не в свободном состоянии, а связаны с белками. Их (смешанные) макромолекулы называются протеогликанами или глюкозаминпротеогликанами.

В протеогликанах каждый полисахарид состоит из повторяющим дисахаридных единиц, в которых всегда присутствует D-глюкозамин или D-галактозамин. Каждый дисахаридный компонент протеогликановых полисахаридов (за исключением кератансульфата) содержит уроновые кислоты: L-глюкуроновую кислоту или ее эпимер L-идурановую кислоту. За исключением гиалуроновой кислоты, все полисахариды протеогликанов содержат сульфатные группы. В зависимости от состава и строения цепей кислые полисахариды делятся на несколько типов.

Гиалуроновая кислота. Это неразветвленный полимер, в котором регулярно повторяется дисахаридный фрагмент: N-ацетилглюкозамин -- (1-3)-в-глюкуроновая кислота. Благодаря присутствию в-(1-3)-связей молекулы гиалуроновой кислоты, насчитывающие несколько тысяч моносахаридных остатков, принимают конформацию спирали. На один виток спирали приходится три дисахаридных блока. Гидрофильные карбоксильные остатки глюкуроновой кислоты локализованы на внешней стороне спирали и Могут связывать Са2+ и сильно гидратироваться.

Гиалуроновая кислота и другие глюкозаминогликаны при образовании гелей могут созывать 10 000-кратный объем воды. Гиалуроновая кислота распространена весьма широко. Она присутствует всюду в соединительных тканях животных, стекловидном теле глаза, синовиальной жидкости. Предполагают, что функция гиалуроновой кислоты заключается в том, чтобы связывать воду в интерстициальных пространствах и удерживать клетки вместе в желеподобном матриксе. Кроме того, она придает синовиальной жидкости смазочные свойства и способность смягчать удары. Гиалуроновая кислота выполняет функцию стабилизатора геля в стекловидном теле глаза, которое содержит 1% гиалуроновой кислоты и на 98% состоит из воды.

Хондроитин N-ацетил-D-галактозамин. Сходен с гиалуроновой вместо D-глюкозы содержит D-галактозу. Хондроитин встречается в роговице глаза и некоторых других видах соединительной ткани.

Существует три формы хондроитинсулъфатов: А, В, С. Хондроитинсульфаты А и С состоят из эквимолярных количеств L-глюкуроновой кислоты, D-дезоксигалактозацетиламина и сульфата (остатка серной кислоты). В хондроитинсульфате вместо L-глюкуроновой кислоты присутствует L-идуроновая кислота. Синоним его названия -- дерматансульфат.

Источники информации

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D0%B8%D1%81%D0%B0%D1%85%D0%B0%D1%80%D0%B8%D0%B4%D1%8B

2. http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/3566.html

3. http://www.0zd.ru/ximiya_-_referaty/polisaxaridy.html

4. А. И. Артеменко «Органическая химия»

5. Артёмова Э.К. «Основы общей и биоорганической химии»

6. Т. П. Левитина «Справочник по органической химии»

7. Л. Л. Данилова «Общая органическая химия» том 11

8. http://bibliofond.ru/view.aspx?id=564315

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Классификация, физические и химические свойства полисахаридов. Гидролизация крахмала под действием ферментов и кислот. Лекарственные растения и сырье, содержащие полисахариды (гомогликозиды, полиозы, гликаны, голозиды). Применение в медицинской практике.

реферат , добавлен 23.08.2013


Классификация углеводов (моносахариды, олигосахариды, полисахариды) как самых распространенных органических соединений. Химические свойства вещества, его роль в питании как основного источника энергии, характеристика и место глюкозы в жизни человека.

реферат , добавлен 20.12.2010


Органические вещества, в состав которых входит углерод, кислород и водород. Общая формула химического состава углеводов. Строение и химические свойства моносахаридов, дисахаридов и полисахаридов. Основные функции углеводов в организме человека.

презентация , добавлен 23.10.2016


История открытия стронция. Нахождение в природе. Получение стронция алюминотермическим методом и его хранение. Физические свойства. Механические свойства. Атомные характеристики. Химические свойства. Технологические свойства. Области применения.

реферат , добавлен 30.09.2008


Углеводы как органические вещества, молекулы которых состоят из атомов углерода, водорода и кислорода, знакомство с классификацией: олигосахариды, полисахариды. Характеристика представителей моносахаридов: глюкоза, фруктовый сахар, дезоксирибоза.

презентация , добавлен 18.03.2013


Общая характеристика, классификация и номенклатура моносахаридов, строение их молекул, стереоизомерия и конформации. Физические и химические свойства, окисление и восстановление глюкозы и фруктозы. Образование оксимов, гликозидов и хелатных комплексов.

курсовая работа , добавлен 24.08.2014


История и происхождение названия меди, ее нахождение в природе. Физические и химические свойства элемента, его основные соединения. Применение в промышленности, биологические свойства. Нахождение серебра в природе и его свойства. Сведения о золоте.

курсовая работа , добавлен 08.06.2011


Гликозиды - ацетали углеводов, устойчивые в щелочной среде и гидролизуются в кислой, превращаясь в углевод и спирт. Дисахариды состоят из остатков двух моноз. Полисахариды – природные полимеры, которые можно рассматривать как продукты конденсации моноз.

реферат , добавлен 03.02.2009


Углеводы как группа природных полигидроксиальдегидов, их структура и химические свойства, классификация и типы: моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Гликолиз и цикл Кребса. Регуляция углеводного обмена. Наследственная неперносимость фруктозы.

курсовая работа , добавлен 03.07.2015


Строение атома водорода в периодической системе. Степени окисления. Распространенность в природе. Водород, как простое вещество, молекулы которого состоят из двух атомов, связанных между собой ковалентной неполярной связью. Физико-химические свойства.