Полисахариды. Нахождение в природе. Получение. Строение и свойства

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

Реферат

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

Содержание

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 остатки 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

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