Полисахариды

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования

«Гомельский государственный университет

имени Франциска Скорины»

Биологический Факультет

Кафедра химии

СУРС

на тему:

«Полисахариды»

Выполнила:

Студентка 4 курса

Биологического факультета

Группы Би-44

Богушевич Ксения

Проверила:

Беляева Л.А.

Гомель, 2014

1. Общая характеристика и классификация полисахаридов

Полисахаридами называются высокомолекулярные продукты поликонденсации моносахаридов, связанных друг с другом гликозидными связями и образующих линейные или разветвленные цепи, их общая формула Сx(Н2О)y. Присутствуют во всех организмах, выполняя функции запасных (крахмал, гликоген), опорных (целлюлоза, хитин), защитных (камеди, слизи) веществ. Участвуют в иммунных реакциях, обеспечивают сцепление клеток в тканях растений и животных. Составляют основную массу органического вещества в биосфере.

Наиболее часто встречающимся мономером полисахаридов является глюкоза, встречаются маноза, галактоза и другие сахара.

Полисахариды чаще встречаются в виде клетчатки, пектиновых веществ, крахмала, слизи, камеди. Полисахариды делятся на:

-- гомополисахариды, состоящие из молекул моносахаридов одного типа (так, крахмал и целлюлоза состоят только из глюкозы);

-- гетерополисахариды, в состав которых в качестве мономеров могут входить несколько различных сахаров (гепарин).

Полисахариды обычно являются смесями компонентов, различающихся степенью полимеризации. Химическая классификация полисахаридов основана на строении составляющих их моносахаридов -- гексоз (глюкоза, галактоза, манноза), пентоз (арабиноза, ксилоза), а также аминосахаров (глюкозамин, галактозамин), дезоксисахаров (рамноза, фукоза), уроновых кислот и др. К гидроксильным (ОН) и аминогруппам (NH2) моносахаридов в молекулах природных полисахаридов могут быть присоединены остатки кислот (уксусной, пировиноградной, молочной, фосфорной, серной) или спиртов (обычно метилового). Гомополисахариды построены из остатков только одного моносахарида (например, глюканы, фруктаны), гетерополисахариды -- из остатков двух и более различных моносахаридов (например, арабиногалактаны, глюкуроноксиланы).

Многие распространённые полисахариды носят давно укоренившиеся название: целлюлоза, крахмал, хитин, пектиновые вещества и другие.

Полисахариды, в отличие от других классов биополимеров, могут существовать как в виде линейных, так и разветвленных структур.

К линейным полисахаридам относятся целлюлоза, амилоза, мукополисахариды. Тип структуры полисахаридов определяет в значительной степени их физико-химические свойства, в частности растворимость в воде. Такие линейные регулярные (т.е. содержащие лишь один тип межмоносахаридной связи) полисахариды, как целлюлоза и хитин, нерастворимы в воде, т.к. энергия межмолекулярного взаимодействия выше энергии гидратации. Высокоразветвлённые, не обладающие упорядоченной структурой полисахариды хорошо растворимы в воде. Химические реакции, известные в ряду моносахаридов, -- ацилирование, алкилирование, окисление гидроксильных и восстановление карбоксильных, а также введение новых групп, осуществимы и в случае полисахариды, хотя степень протекания реакций, как правило, ниже.

Химически модифицированные полисахариды зачастую обладают новыми, ценными для практики свойствами, отсутствовавшими у исходного соединения.

Большинство полисахаридов устойчиво к щелочам; при действии кислот происходит их деполимеризация -- гидролиз. В зависимости от условий кислотного гидролиза получают или свободные моносахариды или олигосахариды. Молекулы гетерополисахаридов, содержащих разные по кислотоустойчивости типы гликозидных связей, удаётся расщеплять избирательно. Для этой цели используют и специфические ферменты.

Установление строения низкомолекулярных продуктов расщепления облегчает задачу установления строения самого полисахарида. Она сводится к определению структуры т.н. повторяющихся звеньев, из которых, как полагают (это доказано на ряде примеров), построены все полисахариды.

Исследование вторичной структуры полисахаридов проводится с помощью физико-химических методов, в частности рентгеноструктурного анализа, который с успехом был применен, например, при исследовании целлюлозы.

2. Отдельные представители полисахаридов

Крахмал растительный полисахарид, построенный из остатков ?-D- глюкозы, с общей формулой С₆Н₁₀О_5n. Образуется в процессе фотосинтеза, я является запасной формой углеводов, состоящий из двух фракций: амилозы (от 15-25%) и амилопектина (75%).

Амилоза линейный полимер содержащий сотни тысяч остатков ?-глюкозы, с молекулярной массой до 500 тысяч. Основной тип связи ?-1,4- гликозидная. Растворяется в горячей воде. Молекула амилозы имеет нитевидную форму, закрученную в спираль, диаметром 10 нм. Амилопектин - разветвленная структура ?-1,4- гликозидной связи в местах разветвления ?-1,6- гликозидной связи. Не растворяется в горячей воде лишь и набухает, плохо растворяется в холодной воде, и образует коллоидные растворы. Молекула имеет сфирическую формулу.

Гликоген - животный крахмал, построенный из остатков ?-D- глюкозы, с общей формулой С₆Н₁₀О_5n, полисахарид, содержащийся в тканях тела человека и животных, в грибах и дрожжах, в зерне сахарной кукурузы. Играет важную роль в превращениях углеводов в животном организме и в дрожжах при спиртовом брожении. При кипячении с кислотами образует глюкозу. Гликоген растворяется в горячей воде, образуя опалесцирующие растворы. От йода окрашивается в красный, коричневый, реже фиолетовый цвет.

Целлюлоза - линейный полимер построенный из остатков ?-D- глюкопиранозы, тип связи ?-1,4- гликозидная, с общей формулой С₆Н₁₀О_5n.

Количество мономерных остатков до 10т. единиц, молекулярная масса 1-2 мил. за счет высокой структуры и максимума замещения водородных связей внутри и между цепями. Данный полимер не растворим в воде, практически не набухает. Гидролизуется в очень жестких условиях. В организме человека нет ферментов расщепляющих ?-гликозидную связь целлюлозы, стимулирует перистальтику кишечника, выполняет роль отсорбента, выводит токсины, связывает ионы ТМ.

Нити целлюлозы образуют микрофибриллы, благодаря внутри- и межмолекулярным водородным связям. Мономер в составе целлюлозы находится в жесткой конформации кресла, что дает возможность дополнительно образовывать внутрицепочесную водородную связь, между кислородом пиран. цикла одного остатка и гидрокса группы другого остатка. Вторичная структура целлюлозы напоминает ?-структуру белка, водородная связь направленна перпендикулярно ходу цепей.

Целлюлоза не растворима в органических растворителях, в водных растворах щелочей, растворяется только в концентрированной соляной и фосфорных кислотах, а также в 72% серной кислоте, реактиве Швейцера и солянокислых растворах некоторых солей.

Гемицеллюлоза - это растительные гомо- и гетерополисахариды с меньшей, чем у целлюлозы, молекулярной массой (10000--40000), состоящие из остатков разных пентоз и гексоз. Гемицеллюлозы входят в состав растительных клеток и объединяют большую группу высокомолекулярных полисахаридов (маннаны, галактаны, ксиланы, арабаны), содержащие в боковых цепях арабинозу, глюкозу и т.д. В растениях гемицелюзы, как правило, сопутствуют клетчатке и лигнину, причем ксиланы и маннаны прочно адсорбируются на поверхности клетчатки. Гемицеллюлозы нерастворимы в воде, но растворимы в слабых растворах щелочей и легко гидролизуются под влиянием слабых кислот. В зависимости от входящего в их состав моносахарида гемицеллюлозы называют гексозанами - галактан, маннан - и пентозанами - ксилан и арабан. При гидролизе кислотами маннаны, галактаны, ксиланы, арабаны образуют соответственно галактозу, маннозу, ксилозу и арабинозу. В растениях гемицеллюлозы выполняют роль строительного материала (пентозаны) и способствуют созданию запаса питательных веществ (гексозаны).

Камеди - гетерополисахариды с обязательным участием уроновых кисло (D-глюкуроновой, D-галактуроновой). Карбоксильные группы уроновых кислот связаны с ионами Ca²⁺, K⁺, Mg²⁺. Камеди образуются в результате перерождения клеточных стенок и содержимого клеток различных тканей - сердцевины, сердцевинных лучей, коры и др. При этом, в отличие от слизей, клетки разрушаются и камедь выступает из естественных трещин или из искусственных надрезов стволов и застывает в виде комковатых, ленточных и другой формы образований.

Химический состав камедей очень сложен. Это твердые аморфные вещества различной окраски. По отношению к воде делятся на 3 вида:

Арабиновые, хорошо растворимые в воде (абрикосовая и аравийская камедь);

Бассориновые, плохо растворимые в воде, но сильно в ней набухающие (трагакантовая камедь);

Церазиновые - плохо растворимые и мало набухающие в воде (вишневая камедь). Не растворяются в спирте и неполярных растворителях.

Камеди не совместимы с минеральными кислотами, со спиртом. Считается, что камеди предохраняют растения от инфицирования патогенными микроорганизмами, заливая образовавшиеся трещины и другие повреждения. Наиболее богаты камедями растения сем. Бобовых, розоцветных, рутовых, сумаховых.

Применяются в фармации растворимые в воде камеди (абрикосовая, арабиновая) в качестве эмульгаторов при приготовлении эмульсий. Широко используются в технике.

Слизи - гидрофильные гетерополисахариды, образующиеся обычно в неповрежденных клетках растений в результате слизистого перерождения клеточных стенок или клеточного содержимого. При этом ослизняться могут отдельные клетки (корни алтея, трава фиалки) или целые слои (семена подорожников, льна).

По химическому строению слизи делят на две группы:

Нейтральные слизи - являются продуктами полимеризации моносахаридов - D-галактозы, D-маннозы, L-арабинозы, D-глюкозы (галактоманнаны, глюкоманнаны, арабиногалактаны). Встречаются у растений сем. орхидных, лилейных, бобовых.

Кислые слизи - кислотность их обусловлена наличием в их составе уроновых кислот (слизь семян подорожников, льна, корней алтея и др.).

Слизи - твердые аморфные вещества, хорошо растворимые в воде, не растворяются в спирте и неполярных растворителях. Осаждаются из водных растворов спиртом, солями Pb²⁺, Fe³⁺. При действии раствора гидроксида калия, натрия, аммиака образуется желтое окрашивание, а метиленовой сини - синее.

Слизи чаще всего образуются у растений засушливых местообитаний в различных органах и тканях. Биологическая роль их довольно значительна. Они предохраняют растения от высыхания, играют роль запасных веществ.

Пектиновые вещества - под термином пектиновые вещества подразумеваются пектовая кислота, пектиновая кислота, пектин и протопектин. Это высокомолекулярные соединения с молекулярной массой от 10 тысяч до нескольких сотен тысяч, состоят в основном из остатков D-галактуроновой кислоты, связанных ?-1,4гликозидными связями.

Пектиновые вещества широко распространены в растениях - плодах, ягодах, овощах, листьях и т.д. Пектиновые веществ играют очень важную роль в качестве регулятора водного обмена в растениях. Обладая большой гидрофильностью, способностью к набуханию и образовывая коллоидные растворы, они затрудняют испарение влаги из тканей растений и отдельных их органов. Пектиновым веществам обычно сопутствуют полисахариды: галактаны, построенные из остатков молекул галактозы, и арабаны, построеные из остатков арабинозы.

Макромолекула пектовой кислоты представляет собой остатки галактуроновой кислоты, соединенных между собой ?-1,4 гликозидными связями. Молекулярная масса - 25000 - 200000. Пектовая кислота нерастворимы в воде, находятся в растительных продуктах в малых количествах.

Пектиновая кислота - полигалактуроновая кислота, часть карбоксильных групп которой этерифицирована метиловым спиртом.

Пектины - пектиновые кислоты, карбоксильные группы которых в различной степени метоксилированы и нейтрализованы. Пектины плодов и овощей различаются количеством остатков галактуроновой кислоты и степенью метоксилирования ее карбоксильных групп. Молекулярная масса пектина 20000 - 100000. В чистом виде пектин представляет собой порошкообразный продукт от белого до светло-серого цвета. Может иметь и другие оттенки. В воде образует коллоидный раствор, из раствора осаждается спиртом, эфиром, бензином, ацетоном в виде студенистой массы. В молекуле пектина есть свободные карбоксильные группы, поэтому он легко образует соли металлов, называемые пектинатами.

Протопектин - высокомолекулярное нерастворимое в воде соединение, в котором молекулы пектина связаны между собой поперечными связями. Химическое строение протопектина окончательно не установлено из-за трудности его извлечения. Протопектин находится в стенках клеток между фибриллами клетчатки и в срединных пластинках, склеивающих клетки друг с другом. Протопектин связан с гемицеллюлозой и клетчаткой и образует комплексы, он обуславливает твердость тканей плодов и овощей. Протопектин переходит в пектин под действием протопектиназы, а также при нагревании с разбавленными кислотами и щелочами.

Гепарин ? специфический неоднородный гетерополисахарид. Это важнейший естественный антикоагулянт, предотвращающий свертывание крови. Гепарин содержится в печени, легких, селезенке, крови. Много его у пиявок и других кровососущих животных. В настоящее время используется в качестве стабилизатора крови при ее переливании, для лечения тромбов, ожоговой болезни, сердечно-сосудистых заболеваний.

Хондроитинсульфаты - полимерные сульфатированные гликозаминогликаны. Являются специфическими компонентами хряща. Вырабатываются хрящевой тканью суставов, входят в состав синовиальной жидкости. Необходимым строительным компонентом хондроитинсульфата является глюкозамин, при недостатке глюкозамина в составе синовиальной жидкости образуется недостаток хондроитинсульфата, что ухудшает качество синовиальной жидкости и может вызвать хруст в суставах.

3. Значение полисахаридов в обмене веществ

Основным источником запасённой в химических связях энергии у большинства организмов являются углеводы. Расщепление полисахаридов в организме начинается с их ферментативного гидролиза. Например, у растений при прорастании семян запасённый в них крахмал гидролизуется амилазами, у животных поглощённый с пищей крахмал гидролизуется под действием амилаз слюны и поджелудочной железы, образуя мальтозу. Мальтоза далее гидролизуется с образованием глюкозы. В животном организме глюкоза образуется также в результате расщепления гликогена. Глюкоза подвергается дальнейшим превращениям в процессах брожения или гликолиза, в результате которых образуется пировиноградная кислота. Последняя, в зависимости от типа обмена веществ данного организма, сложившегося в процессе исторического развития, может далее подвергаться разнообразным превращениям. При различных видах брожений и при гликолизе в мышцах пировиноградная кислота подвергается анаэробным превращениям. В аэробных условиях -- в процессе дыхания -- она может подвергаться окислительному декарбоксилированию с образованием уксусной кислоты, а также служить источником образования других органических кислот: щавелево-уксусной, лимонной, цис-аконитовой, изолимонной, щавелево-янтарной, кетоглутаровой, янтарной, фумаровой и яблочной. Их взаимные ферментативные превращения, приводящие к полному окислению пировиноградной кислоты до CO2 и H2O, называются трикарбоновых кислот циклом, или циклом Кребса.

4. Пути использования и применении в медицинской практике

В промышленности крахмал получают из картофеля и зерен хлебных злаков. Его используют в производстве патоки, колбасных и кондитерских изделий, спиртов, глицерина, молочной и лимонной кислот, в кулинарии. Из крахмала получают глюкозу, а также глюкозно-фруктозный сироп, содержащий 55 % глюкозы и 42 % фруктозы. Для его производства крахмал ферментативным гидролизом превращают в глюкозу, а затем часть глюкозы во фруктозу. Глюкозно-фруктозный сироп по сладости не уступает инвертному сахару, отличается меньшей стоимостью по сравнению со свекловичным сахаром. полисахарид крахмал амилоза гликоген

Ферментативное превращение гликогена в мышцах мяса после убоя животного проходит через стадию образования фосфорсодержащих органических соединений и глюкозы, которая превращается в молочную кислоту. Это, наряду с другими ферментативными процессами, имеет большое значение для созревания мяса: мясо приобретает новые физико-химические свойства и становится пригодным для производства качественной продукции.

Целлюлоза усиливает перистальтику кишечника и тем самым способствует прохождению пищевых масс через кишечный тракт. Она обладает свойством выводить из организма холестерин, в результате чего у человека задерживается развитие атеросклероза.

Свойство пектина образовывать студни широко распространено в кондитерской промышленности для производства желе, варенья, джема, мармелада, пастилы, зефира, карамельных начинок. В организме человека пектиновые вещества подавляют гнилостные процессы в кишечнике и активность вредных микроорганизмов, связывают токсичные металлы (свинец, ртуть), образуя нерастворимые соединения, которые удаляются из организма. Продукты, богатые пектином, применяют для профилактики профзаболеваний.

В медицине сырье, содержащее слизи, используют как противовоспалительное, отхаркивающее (виды алтея, подорожника, мать-и-мачехи), обволакивающее, слабительное (семена льна) средство. Кроме того, слизи обладают радиопротекторным и иммунозащитными свойствами. Широко используются в пищевой и текстильной промышленности, при производстве клеев и красок.

Камеди используют в пищевой, бумажной и др. отраслях промышленности в качестве клеев, стабилизаторов эмульсий и суспензий, в качестве растворов высокой вязкости. Как регуляторы вязкости и модификаторы структуры пищевых продуктов обычно подразделяются на загустители и гелеобразователи, однако чёткой границы между ними нет и некоторые камеди используются тем и другим способом. В медицине камеди применяются как слизи, которые уменьшают раздражение, вызываемое некоторыми лекарственными веществами, и понижают всасывание, а также для приготовления пилюль и эмульсий.

Размещено на Allbest.ru