Какими физическими свойствами обладают полисахариды
Какие вещества относятся к полисахаридам, физические, химические свойства, примеры, что такое
Что такое полисахариды, можно легко понять с точки зрения структуры.
Гликаны – обширная группа органических веществ, вырабатываемых растениями и животными. С точки зрения структуры они бывают линейные и разветвленные. Делятся на две больших подгруппы:
полиозы (синонимы – полисахариды/гликаны);
олигосахариды.
Все эти субстанции – природные полимеры, цепочки которых построены из моносахаридов.
Если в основе моновеществ глюкоза, то полимер называется глюканом (целлюлоза). Если мономером является глюкозамин (в основе хитина насекомых), то природный полимер называется гликаном.
Существует терминологическая особенность: слово гликан еще используется для наименования веществ, где собственно гликан входит в состав молекул белка (биологические жидкости, ткани) – протеогликаны.
Интересно
Некоторые из них синтезируются в организме человека (локализуются в коже), выполняют функцию сдерживания процессов увядания кожи с возрастом. Они активные участники клеточного метаболизма. Поэтому широко применяются в косметической промышленности.
В «ведении» этих соединений, производимых живыми организмами, находится регенерация дермы, увеличение процента белка коллагена, снижение количества морщин. Полиозы – высокомолекулярные углеводы.
Таблица №1. Функции полисахаридов в организме
Какую роль выполняют | Полисахариды (примеры) | Особенности |
ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ | Крахмал и гликоген | Накапливают углеводы, дают организму глюкозу (источник энергии) |
ЗАПАСАЮЩАЯ | Гликоген, крахмал | Важный компонент, создающий длительный энергетический запас, локализуется в жировых тканях. Формируется в мышечных клетках и в печени (частично в головном мозге и желудке) |
КОФАКТОРНАЯ | Гепарин и синтетические аналоги | Эти белки выполняют роль кофакторов ферментативных соединений в организме. Снижают свертываемость крови |
ОПОРНАЯ | Целлюлоза, хондроитинсульфат | В растительной ткани целлюлоза – основа стеблевых образований, а в костных тканях животных содержатся хондроитинсульфаты |
ГИДРООСМОТИЧЕСКАЯ | Кислые гетерополисахариды (гиалуроновая кислота) | Удерживают к клетке воду и положительно заряженные ионы, препятствуют накоплению молекул жидкости в межклеточном пространстве |
СТРУКТУРНАЯ | Кислые гетерополисахариды (гиалуроновая кислота) | Входят в состав межклеточного вещества, обладают цементирующими свойствами |
ЗАЩИТНАЯ | Кислые гетерополисахариды, (в том числе мукополисахариды) | Образуют своеобразный «смазочный» слой на поверхности клетки. Формируются на поверхности пищевода, желудка, полости носа, бронхов, трахеи, содержится в жидкости суставов. Предохраняют ткани от повреждения при трении, сжатии тканей или внешней вибрации |
Химические свойства полисахаридов
Они являются полигликозидами, иначе – полиацеталями.
Моносахариды связываются в молекулу с помощью гликозидных связей с рядом стоящими структурными элементами цепочки.
В кислотной среде при высокотемпературном режиме идет гидролиз. При полном процессе образуются исходные моносахариды (возможно, их производные). При не полном – олигосахариды, в том числе, дисахариды.
Восстановительные свойства очень слабые, устойчивы к воздействию щелочей.
Вторая показательная реакция – способность к получению сложных эфиров.
Все свойства применяют в промышленности. Например, в производстве различных порохов из тринитрата целлюлозы.
Это широко распространенная группа веществ природного происхождения. Вырабатываются они растениями и в тканях животных и человека. Это говорит об активном их участии в обменных процессах.
Физические свойства полисахаридов
Большинство веществ этого класса белые, порошкообразные, с огромным молекулярным весом от двух и более миллионов.
Упоминаемые уже крахмал и целлюлоза представляют собой разветвленные молекулы. Они набухают, но не растворяются в холодной воде. В отличие от них амилоза (линейные молекулы) легко растворима в нейтральной водной среде.
Классификация полисахаридов по числу и строению моносахаридных остатков
В структуру полиозов входит от двух до двадцати моносахаридов в двух разных формах (пиранозной или фуранозной).
Таблица №2. Структурные единицы полиозов
Группа моносахаров | Моносахара |
Шестиатомные | Глюкоза Галактоза Фруктоза |
Пятиатомные | Арабиноза Ксилоза |
Уроновые кислоты | Галактуроновая Глюкуроновая Маннуроновая |
Различаются гомогликаны (еще называют гомополисахариды), они имеют в цепочке идентичные углеводные составляющие. И, соответственно, когда звенья углеводов разные, вещество получает название гетерополисахарида.
гомополисахариды (или гомополимеры) |
|
гетерополисахариды (или гетерополимеры) |
|
Высокий уровень структурной организации макромолекул, есть вторичная структура с характерным пространственным расположением макромолекулярной цепи. Отсюда еще одна классификация: с разветвленной молекулой и линейной макромолекулярной цепью.
Отличие и применение наиболее популярных видов
Разберемся, какие вещества относятся к полисахаридам.
Крахмал
Его состав: около двадцати процентов амилозы и восьмидесяти процентов амилопектина.
Является продуктом жизнедеятельности растительных организмов. Локализуется в зернах злаков, корнях/клубнях или семенах.
Это порошкообразное белое вещество, на ощупь мягкое, при растирании между пальцами характерное поскрипывание. Под микроскопом видна зернообразная структура, выпадает в осадок в холодной воде, при нагревании воды и равномерном помешивании зерна набухают, затем образуют киселеобразную массу.
Особенность вещества – способность хорошо гидролизоваться при подогревании в растворе H2SO4. Что приводит к образованию α-D-глюкозы.
Растительные источники: картошка (до двадцати процентов), зерна пшеницы.
Молекулы амилозы спиралеобразные, в одном витке шесть фрагментов моносахарида. Амилопектин имеет ответвления в структуре молекулы.
Чтобы химически определить крахмал, в аналитике используют его реакцию с йодом. Появляется сине-фиолетовый цвет раствора или аналогичного цвета пятно на поверхности порошка.
Картофельный крахмал – пищевой продукт. Его используют в кулинарии, на кондитерских фабриках, в производстве колбас. Это промышленный источник глюкозы, сырье для бумкомбинатов, текстильного производства, медпрепаратов.
Гликоген
Животный аналог крахмала. Похож по разветвленной структуре на амилопектин, имеет больше (до 12) звеньев в цепочках. Масса одной молекулы гликогена достигает ста млн у.е. Биохимики называют его «резервным углеводом». Локализуется в клетке живого организма, образуя своеобразное энергетическое депо.
При анализе из клеток тканей его извлекают горячим NaOH, осаждают спиртовым раствором. Затем гидролизуют в растворе разбавленной кислотой (серной). Методом титрования определяют процентное содержание в растворе глюкозы.
Клетчатка (растительная целлюлоза)
Ее отличает прочность. Не случайно она основной компонент «скелета» растений. Промышленный источник клетчатки (от 50 до 70 процентов) – древесина, кукуруза, сено.
В молекуле природного полимера содержится D-глюкопираноза, соединенная посредством гликозидных связей. Молекулы линейные, вес одной до двух млн у.е.
Высокопрочность обеспечивается наличием водородных связей в цепочках, которые объединяются в пучок. Так формируется волокнистость. Вещество инертно, не растворимо в нейтральных средах, не поддается воздействию ферментов пищеварительного тракта. Для большинства животных необходимо в качестве балластного кормового компонента. Жвачные (коровы), кони используют целлюлозу как питательный компонент.
Растворима в смеси растворов гидроксида меди и нашатыря; в хлористом цинке и некоторых концентрированных кислотах.
Способна к гидролизу и реакции образования сложных эфиров (пироксилина – бездымного пороха). При обработке азотной кислотой получается сырье для получения целлулоида, некоторых видов пороха и топлива для ракет (твердого).
В основном древесную целлюлозу используют в производстве бумаги.
Гепарин
По внешнему виду это аморфное порошкообразное вещество белого цвета. В его составе D‑глюкозамин и D-глюкуроновая к-та, соединенные в цепочку за счет α-гликозидной связи. Молекула гепарина имеет вес около 20 тыс. у.е.
Это содержащий серу кислый гликозаминогликан. В научных целях был выделен из печени. Антикоагулянт.
Синтезируется гепарин в тканях животных и организме человека в базофилах в т.н. тучных клетках.
Хорошо растворим в воде, не разрушается при нагревании. Необходим в организме, чтобы регулировать свертываемость крови и влиять на содержание в крови холестерина (снижает), а также уменьшает давление. В основном локализуется в печени (на 1- кг веса 1000 мг).
В лечебной практике используется:
как профилактическое средство (и терапевтическое) при склонности к тромбоэмболии;
в хирургии – препарат, применяемый, чтобы при оперативных вмешательствах на органах сердечно-сосудистой системы предотвращать образование сгустков крови в аппаратуре для гемодиализа и искусственного кровообращения;
в клинических лабораториях при взятии анализов крови;
применяется как натриевая соль в медицине (гематология) при процедуре переливания крови.
Пектины
Клейкие вещества, использование которых практикуется в кулинарии как кондитерская добавка. Иначе их называют желирующие.
Содержатся во фруктах, растительном сырье.
Чаще всего используют порошок пектина, реже – жидкую форму. Имеет промышленное обозначение E440.
Получают из растительного (чаще свекольного или фруктового) жмыха. Отличная консервирующая добавка, увеличивает срок хранения консервов.
Есть пектин с низким уровнем этерификации (менее 50 процентов) и высоким
(более 50 процентов).
Человек получает пектиновые соединения с продуктами растительного происхождения. Больше пектина в овощах и фруктах вырабатывается в засушливый жаркий период. Он выполняет функцию очищения всех систем организма, сохраняя бактериальный баланс, омолаживает, приводит к норме метаболизм, улучшает гемодинамику.
Это вяжущее вещество, обволакивает слизистую пищеварительного тракта, улучшает деятельность полезной микрофлоры.
Считается, что применение пектиновых препаратов способствует оздоровлению человека. Норма потребления – около пятнадцати граммов в сутки. Обладает эффектом сжигания жира в организме. Замечено, что при поглощении около 25 гр этого полисахарида, извлеченного из цельных яблок, человек теряет приблизительно 0,3 кг жира в сутки.
В поварской практике его используют как загуститель. Это качественная природная желирующая добавка.
Пектиновое вещество, в том числе, косметологический компонент – гелеобразующая основа для кремообразных препаратов. Разглаживает морщины, хорошая тонизирующая добавка повышает впитываемость ингредиентов в кожу, обладает отбеливающим эффектом, защита от ультрафиолета.
Хитин
Это вещество – основа скелета насекомых и ракообразных, его содержат клетки обыкновенных пивных дрожжей и разные виды грибов. Особый карбонатный комплекс дарит твердость панцирю жуков и раков. При этом хитин откладывается на карбонатной основе.
Особенность этого полисахарида в том, что он значительно усиливает аромат продукта и вкус приготовленной еды. Способен улучшить внешний вид пищи, часто используют как консервант. Входит как активный компонент в некоторые пищевые добавки. Важно, что хитин обладает разнообразными терапевтическими свойствами.
Блокирует развитие опухолевых клеток.
Способен защитить ткани от радиации.
Усиливает действие лекарственных веществ, направленных на снижение свертываемости и разжижение крови.
Иммунитет под его воздействием повышается.
Профилактика инфарктов, инсультов.
Стимулирует рост бифидобактерий и процесс регенерации тканей.
Применение полисахаридов в медицине, химической отрасли, пищевой промышленности
В середине ХХ века полисахариды стали широко производить для пищевой промышленности и производства лекарств. Однако сейчас их активно применяют и в других промышленных сферах:
на химических заводах;
на текстильных фабриках при производстве ткани;
в металлургии;
при нефтедобыче и переработке нефти и газа;
в др. сферах.
Здравоохранение и фармация
Эти природные соединения имеют важные свойства:
повышение стойкости организма к инфекционным заболеваниям;
выраженная противоопухолевая активность.
Интересно
С их помощью заживление ран происходит быстрее, как и восстановление тканей. Кроме того, уменьшается вредное побочное действие лекарств.
Часто в мед. практике их применяют как диагностические препараты (некоторые условно-патогенные дрожжи) при выявлении кандидозов и сальмонеллезов.
Декстраны, производимые некоторыми видами бактерий, являются плазмо-заменителями. Сульфат декстрана заменяет гепарин как антикоагулянт.
Особо перспективны разрабатываемые на настоящий момент препараты, содержащие хитин. В том числе как наполнители и основы при производстве различных форм препаратов.
В последнее время производятся ферментативные препараты пролонгированного действия с содержанием декстранов, имеющие пониженную аллергичность.
Гликаны – активный компонент в высококачественных зубных пастах.
Пищевая промышленность
Полученные из бактерий полисахариды направляют на производство защитных пленок. Они предотвращают высыхание продуктов, попадание на них грязи, стабилизируют мороженую массу, соки, салатные заправки, сиропы.
Ксантин широко применяется в производстве кисломолочных продуктов. Широко применяется в производстве кисломолочных продуктов. Для повышения качества хлебобулочных изделий на производстве добавляют экзополисахариды, что увеличивает объем хлеба, понижает зачерствение.
Промышленность и инновационные направления
Выше уже упоминалось, что полисахариды применяются на предприятиях, где ведется синтез ядерного топлива.
Гликаны, содержащиеся в клетках некоторых видов бактерий, имеют вязкость высокого уровня. Это свойство используют в технологиях производства клеящих соединений. Например, гетерополисахарид Corynebacterium equi var. mucilaginosus, имеет очень высокую степень вязкости. Поэтому составом на его основе можно заменить дорогостоящие склеивающие средства, не теряя в качестве.
Заменители агара лежат в основе синтеза составов для фотопленок.
На заводах переработки нефти и газа, а также при их добыче распространено применение стабилизаторов и жидкостей для промывки механизмов в процессе бурения скважин. Важной составной частью этих смесей являются гликаны.
Научные исследования по изучениям свойств полисахаридов и их производных приоритетны: они расширяют горизонты инновационного развития в активно развивающейся микробиологической отрасли промышленности.
Гидролиз полисахаридов
Это процесс получения производных гликанов:
сложных эфиров;
простых эфиров.
Направление реакций идет по гидроксильным группам в растворах кислот под воздействием ферментных соединений.
Промышленные сферы применения процесса:
получение этилового спирта;
производство молочной кислоты;
заводской синтез масляной и лимонной кислот;
производство многоатомных спиртов (бутанол);
производство ацетона для лакокрасочной промышленности;
производство глюкозы из крахмала.
Осахаривание крахмала или целлюлозы – это процесс полного гидролиза.
Неполный гидролиз – это процесс получения олигосахаридов (в частности, состоящих из двух моносахаридов).
Полисахариды – это природные высокомолекулярные углеводы, макромолекулы которых состоят из остатков моносахаридов.
Полисахариды – высокомолекулярные несахароподобные углеводы, содержащие от десяти до сотен тысяч остатков моносахаридов (обычно гексоз), связанных гликозидными связями.
Основные представители — крахмал и целлюлоза — построены из остатков одного моносахарида — глюкозы. Крахмал и целлюлоза имеют одинаковую молекулярную формулу
(C6H10O5)n,
но совершенно различные свойства. Это объясняется особенностями их пространственного строения.
Крахмал состоит из остатков a-глюкозы, а целлюлоза – из b-глюкозы, которые являются пространственными изомерами и отличаются лишь положением одной гидроксильной группы (выделена цветом):
Крахмал
Целлюлоза
С учетом пространственного строения шестичленного цикла
формулы этих изомеров имеют вид:
К важнейшим полисахаридам относится также гликоген (С6Н10О5)n, образующийся в организмах человека и животных в результате биохимических превращений из растительных углеводов. Как и крахмал, гликоген состоит из остатков a-глюкозы и выполняет подобные функции (поэтому часто называется животным крахмалом).
Учебный фильм «Углеводы. Полисахариды»
Биологическая роль полисахаридов
Полисахариды необходимы для жизнедеятельности животных и растительных организмов. В живой природе они выполняют важные биологические функции:
- структурных компонентов клеток и тканей;
- энергетического резерва;
- защитных веществ.
Они являются одним из основных источников энергии, образующейся в результате обмена веществ организма. Принимают участие в иммунных процессах, обеспечивают сцепление клеток в тканях. Являются основной массой органического вещества в биосфере.
Структурные полисахариды придают клеточным стенкам прочность.
Водорастворимые полисахариды не дают клеткам высохнуть.
Резервные полисахариды по мере необходимости расщепляются на моносахариды и используются организмом.
Физические свойства
Полисахариды — аморфные вещества, не растворяются в спирте и неполярных растворителях, растворимость в воде варьируется. Некоторые растворяются в воде с образованием коллоидных растворов (амилоза, слизи, пектовые кислоты, арабин), могут образовывать гели (пектины, альгиновы кислоты, агар-агар) или вообще не растворяться в воде (клетчатка, хитин).
Химические свойства полисахаридов
Для полисахаридов наибольшее значение имеют реакции гидролиза и образование производных за счет реакций макромолекул по спиртовым ОН-группам.
Гидролиз полисахаридов
Гидролиз полисахаридов происходит в разбавленных растворах минеральных кислот (или под действием ферментов). При этом в макромолекулах разрываются связи, соединяющие моносахаридные звенья – гликозидные связи (аналогично гидролизу дисахаридов). Реакция гидролиза полисахаридов является обратной процессу их образования из моносахаридов.
Полный гидролиз полисахаридов приводит к образованию моносахаридов (целлюлоза, крахмал и гликоген гидролизуются до глюкозы):
При неполном гидролизе образуются олигосахариды (в том числе, дисахариды).
Способность полисахаридов к гидролизу увеличивается в ряду:
Гидролиз крахмала и целлюлозы до глюкозы («осахаривание») и ее брожение используются в производстве этанола, молочной, масляной и лимонной кислот, ацетона, бутанола.
Образование производных
Образование производных (главным образом, сложных и простых эфиров) полисахаридов происходит в результате реакций по спиртовым ОН-группам, содержащимся в каждом структурном звене (3 группы ОН на одно моносахаридное звено): [С6Н7О2(ОН)3]n.
Различия в строении и свойствах крахмала и целлюлозы
1. Содержат остатки разных форм циклической глюкозы:
крахмал – остатки α–глюкозы;
целлюлоза – остатки β-глюкозы.
2. Содержат разное число структурных звеньев – остатков глюкозы:
крахмал – до нескольких тысяч (Мr – до 1 млн);
целлюлоза – до 40 тыс. (Мr – до 20 млн).
3. Между остатками глюкозы образуются различные связи:
в крахмале – α–1,4- и α–1,6-гликозидные связи;
в целлюлозе — β-1,4-гликозидные связи.
4. Макромолекулы имеют различную структуру:
крахмал – разветвленные и неразветвленные молекулы, компактно свернутые;
целлюлоза – только неразветвленные молекулы, имеют вид нитей, так как форма остатков β-глюкозы исключает спирализацию.
5. Характер межмолекулярных взаимодействий:
в крахмале макромолекулы имеют компактную форму, водородные связи между ними почти не образуются;
в целлюлозе между молекулами нитевидной формы образуются очень прочные водородные связи (в которых участвуют свободные гидроксильные группы), нити объединяться в пучки, пучки в волокна. Поэтому в воде, спирте, эфире целлюлоза не растворяется и не набухает, как крахмал.
6. Как пищевой продукт:
Крахмал – продукт питания, так как в организмах человека и животных есть ферменты, расщепляющие α–1,4- и α–1,6-гликозидные связи.
Целлюлоза не является продуктом питания человека и большинства животных, так как в их организмах нет ферментов, расщепляющих более прочные β-1,4-гликозидные связи.
Жвачные животные и кролики способны усваивать целлюлозу при посредстве содержащихся в их организме бактерий.
Углеводы