22. Гомо- и гетерополисахариды. Строение, свойства и значение крах­мала, гликогена и клетчатки. Декстраны. Хитин. Пектиновые вещества. Гиалуроновая кислота.

ДЕКСТРАН

Получение

В промышленности декстраны получают выращиванием бактерий-продуцентов (Leuconostoc mesenteroides,Leuconostoc dextranicum) на сахарозосодержащей среде под действием фермента декстрансахаразы. Синтез полисахарида в культивируемых условиях протекает аналогично биосинтезу в природных условиях. Сахароза расщепляется на глюкозу и фруктозу. Фруктоза сбраживается с образованием молочной и уксусной кислот, маннита и углекислоты. Глюкоза полимеризуется в декстран. Декстран выделяют из биомассы бактерий осаждением органическими растворителями. Полученный продукт очищают от примесей многократным растворением в воде, с последующим переосаждением метанолом или этиловым спиртом. Очищенный декстран фракционируют.

Химическое строение и молекулярная структура

Декстран – гомополисахаридразветвленного строения, макромолекулярная цепь которого построена из звеньев остатков-D-глюкопиранозы. Звенья линейной части молекулы соединены главным образом-(1→6)-гликозидными связями. Небольшое количество звеньев основной цепи может быть связано-(1→3)-гликозидными связями. В некоторых декстранах (встречающихся сравнительно редко) звенья остатков-D-глюкопиранозы линейной цепи соединенычередующимися-(1→6)-и-(1→3)-гликозидными связями.

Боковые цепи прикреплены к линейной части макромолекулы декстрана -(1→2)-, -(1→3)- и -(1→4)-гликозидными связями. Боковые цепи состоят либо из одного, либо или двух-трех остатков -D-глюкозы, соединенных -(1→6)-гликозидными связями. Более длинные боковые цепи в структуре макромолекул декстрана обнаруживаютсясравнительно редко. Структурная формула фрагмента макромолекулы декстрана представлена на рис.1.

Химические свойства

Декстраны гидролизуются кислотами и специфическими ферментами декстранглюкозидазами. При полном гидролизе образуетсяD-глюкоза (рис.2).

При частичной деполимеризации декстрана мягким кислотным гидролизом, облучением ультразвуковыми волнами или термической обработкой получают полисахариды с меньшими молекулярными массами в сравнении с исходным продуктом (получаемым биотехнологическим способом). Фракционированием этих продуктов выделяют полисахариды с молекулярной массой, близкой к молекулярной массе белков крови – 40 - 70 кДа. Растворы этих продуктов под названием клинический декстранприменяют как кровезаменители.

Количественно декстран определяют по конечному продукту полного кислотного и ферментативного гидролиза, т.е. используя специфические реакции на определение глюкозы (рис.3).

Декстран вступает в реакцию сшиванияпод действием различных сшивающих агентов (смолы, эпихлоргидрин и др.). Декстран, сшитый поперечными связями с эпихлоргидрином, называетсясефадексом.

Применение

Декстраны применяют в сельском хозяйстве для специальной обработки семян, в пищевой, текстильной и бумажной промышленности. Широко используют производные декстрана: эфиры – в текстильной промышленности, сшитые (сефадексы) – в качестве молекулярных сит и сорбентов в гель-, ионообменной и гидрофобной хроматографии, а также в электрофорезе.

Декстраны широко используются в медицине в качестве кровезаменителей при больших потерях крови и при лечении травматического и ожогового шоков. Особое значение имеет сульфат декстрана, применяющейся в качестве антикоагулянта крови (заменитель гепарина).

Хитин

В естественном виде хитины разных организмов несколько отличаются друг от друга по составу и свойствам. Молекулярная масса хитина достигает 260 000.

При нагревании с концентрированными растворами минеральных кислот (соляной или серной) происходит гидролиз, в результате образуются мономеры N-ацетилглюкозамина.

При длительном нагревании хитина с концентрированными растворами щелочей происходит N-деацетилирование и образуется хитозан.

Ферменты расщепляющие β(1→4)-гликозидную связь в молекуле хитина называются хитиназами.

Пектиновые вещества –это соединения, состоящие главным образом, из метоксилированной полигалактуроновой кислоты. Остатки галактуроновой кислоты соединены a-1,4 гликозидной связью. Вместе с целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином пектиновые вещества образуют клеточные стенки растений, являясь цементирующим материалом этих стенок, объединяют клетки в единое целое в том или ином органе растений.

 

 Различают три основные группы пектиновых веществ: протопектины, пектиновая кислота, пектаты, пектин.

Для всех нерастворимых пектиновых веществ существует общее название – протопектин. Основным структурным компонентом протопектина служит галактуроновая кислота, из которой состоит главная цепь, в состав боковых цепей входят арабиноза, галактоза и рамноза. Часть кислотных групп галактуроновой кислоты этерифицирована метиловым спиртом.

В общем виде структуру протопектина можно представить схематически:

Протопектин легко расщепляется ферментом протопектиназой, переходя в растворимую форму – пектин.

Пектиномназывают водорастворимое вещество, свободное от целлюлозы и гемицеллюлоз и состоящее из частично или полностью метоксилированных остатков полигалактуроновой кислоты (фрагмент структуры см. выше).

Пектин содержит 100-200 остатков Д-галактуроновой кислоты. Определить степень метоксилирования затруднительно, так как эфирные связи при экстракции разрываются.

При созревании и хранении плодов происходит переход нерастворимых форм пектина в растворимые. С этим явлением связано размягчение плодов.

Пектиновая кислота –это цепь, состоящая из остатков Д-галактуроновой кислоты. Соли пектиновых кислот (чаще всего Са или Mg) называютпектатами. Большинство пектиновых кислот содержит от 5 до 100 этих остатков.

 

Пектиновые вещества содержатся в большом количестве в ягодах, плодах, клубнях. Важное свойство пектиновых веществ – способность их к желированию, т.е. свойство образовывать прочные студни в присутствии большого количества сахара (65-70%). Частичный гидролиз метиловых эфиров приводит к снижению желирующей способности. Пектиновая кислота не способна образовывать желе в присутствии сахара. Поэтому при промышленном получении пектиновых веществ процесс выделения пектина необходимо вести так, чтобы избежать гидролиза метоксильных групп, вызывающего снижение желирующей способности.

На желирующей способности пектиновых веществ основано использование их в качестве студнеобразующего компонента в кондитерской промышленности для производства конфитюров, мармелада, пастилы, желе, джемов, а так же в консервной промышленности, хлебопечении.

Пектиновые вещества играют в пищевой промышленности и отрицательную роль. В свеклосахарном производстве пектиновая кислота и пектин из свекловичной стружки переходят в диффузионный сок, в котором при его дальнейшей очистке с помощью известкового молока образуются пектаты кальция, в результате чего резко возрастает вязкость очищенного сока, что затрудняет его фильтрацию.

Пектиновые вещества расщепляются под действием ряда ферментов: протопектиназы, пектинэстеразы, полигалактоуроназы.

Схематически ферментативный гидролиз протопектина можно представить так:

Ферментативный гидролиз пектина может протекать с участием двух ферментов: пектинэстеразы и полигалактуроназы.

Метоксилированная полигалактуроновая кислота

Пектинэстеразы удаляют метильные группы, гидролизуя сложноэфирные связи находящиеся рядом со свободными карбоксильными группами, т.е. идет реакция:

пектин + n Н₂О ® n метанол + пектин (менее этерифицированный)

Таким образом, пектиновые вещества ответственны за содержание токсичного вещества метанола во фруктовых соках, плодово-ягодных винах

Полигалактуроназа катализирует расщепление α-(1-4)-гликозидной связи, образованной неэтерифицированной галактуроновой кислотой..

Препараты, содержащие ферменты, гидролизующие пектиновые вещества, получают обычно из различных плесневых грибов. Эти препараты применяются в пищевой промышленности для осветления фруктовых соков и повышения их выхода, а также для осветления плодовых и виноградных вин, в которых обычно содержится большое количество растворимого пектина, затрудняющего фильтрование и являющегося причиной недостаточной прозрачности вин.

Гиалуроновая кислота — важный компонент суставного хряща, в котором присутствует в виде оболочки каждой клетки (хондроцита)

Применение в медицине

Тот факт, что гиалуроновая кислота входит в состав многих тканей (кожа, хрящи, стекловидное тело), обусловливает её применение в лечении заболеваний, связанных с этими тканями (катаракта, остеоартрит и др.): эндопротезы синовиальной жидкости; хирургическая среда для офтальмологических операций; препараты( "Рестилайн", "Ювидерм", "Zfill", "Adoderm") для мягкого разглаживания тканей и заполнения морщин (в том числе в виде внутрикожных инъекций) в косметической хирургии. Гиалуроновая кислота способна, согласно научным прогнозам, связанным с исследованиями Хайфского университета, лечь в основу новых эффективных противораковых препаратов.