Полисахариды: физические свойства, виды, функции и применение
Полисахариды - это природные полимеры, состоящие из большого числа остатков моносахаридов, соединенных гликозидными связями. Они играют важную роль в организмах как структурные компоненты и источники энергии.
Строение и классификация
По числу типов мономерных звеньев полисахариды делятся на:
- Гомополисахариды - состоящие из одинаковых мономеров (например, целлюлоза, крахмал)
- Гетерополисахариды - состоящие из разных мономеров (например, гиалуроновая кислота, гликоген)
Рассмотрим физические свойства полисахаридов. Эти вещества обычно аморфны и растворимы в воде. Они не имеют точки плавления, при нагревании разлагаются. Растворы полисахаридов оптически активны.
Функции
Роль полисахаридов весьма разнообразна. Они служат:
- Структурными компонентами клеток и тканей (целлюлоза, хитин, пектин)
- Запасающими и транспортными формами углеводов (крахмал, гликоген)
- Средой для развития микроорганизмов
Некоторые полисахариды, например гиалуроновая кислота и хондроитинсульфат, играют роль "смазки" в суставах, обеспечивая легкое скольжение поверхностей при движениях.
Полисахариды растений
Полисахариды растворяются в воде и являются важными компонентами клеточных стенок растений, придавая им механическую прочность и устойчивость к внешним воздействиям.
К основным полисахаридам растений относят:
- Целлюлоза - один из самых распространенных биополимеров на Земле
- Гемицеллюлозы - разветвленные полисахариды из пентоз и гексоз
- Пектин - желеобразующий полисахарид
- Крахмал - запасной полисахарид, источник энергии
Целлюлоза и гемицеллюлозы формируют фибриллярный каркас клеточных стенок, обеспечивая механическую прочность растительных тканей. Пектиновые вещества образуют гидратированный матрикс между фибриллами целлюлозы.
Крахмал откладывается растениями как запас питательных веществ в семенах, клубнях, корнеплодах. При прорастании семян и вегетативных органов крахмал гидролизуется, высвобождая глюкозу для обеспечения ростовых процессов.
Физические свойства полисахаридов растений во многом определяются наличием в их составе целлюлозы, придающей тканям механическую прочность и устойчивость к разрушению.
Полисахариды у животных
Основными полисахаридами животного происхождения являются:
- Гликоген - запасной полисахарид в печени и мышцах
- Хитин - компонент покровов членистоногих и клеточных стенок грибов
- Гиалуроновая кислота - важный компонент соединительной ткани
- Хондроитинсульфаты - структурные элементы хрящей и костей
Физические свойства полисахаридов животного происхождения во многом сходны со свойствами растительных полисахаридов. Они также в основном аморфны, хорошо растворимы в воде, обладают высокой гидрофильностью.
Гликоген играет роль основного депо глюкозы в организме, запасаясь в больших количествах в печени и мышцах. При необходимости гликоген быстро гидролизуется с образованием глюкозы.
Хитин широко используется в промышленности благодаря ценным физико-химическим свойствам.
Применение
Благодаря уникальным свойствам природные и синтетические полисахариды находят широкое применение в различных отраслях промышленности и медицине:
- Пищевая промышленность (загустители, стабилизаторы)
- Фармацевтическая промышленность (оболочки лекарств, кровезаменители)
- Косметическая и химическая промышленность (кремы, гели, клеи)
- Текстильная промышленность (волокна, ткани)
- Нефтедобывающая отрасль (реагенты буровых растворов)
Физические свойства полисахаридов, такие как способность изменять вязкость, образовывать гели и пленки, поглощать воду и набухать, лежат в основе их использования для получения ценных материалов и продуктов.
| Полисахарид | Область применения |
| Крахмал | Пищевая промышленность |
| Пектин | Производство джемов и желе |
| Целлюлоза | Текстильная промышленность, производство бумаги |
Структура полисахаридов
По структуре полисахариды могут быть линейными и разветвленными. Например, молекула целлюлозы представляет собой линейную цепь, состоящую из нескольких тысяч остатков глюкозы. В то время как гликоген имеет разветвленную структуру.
Кроме того, полисахариды различаются степенью полимеризации, то есть числом мономерных звеньев в макромолекуле. У крахмала степень полимеризации может достигать нескольких тысяч, в то время как некоторые олигосахариды содержат всего от 2 до 10 мономерных остатков.
Биосинтез полисахаридов
Биосинтез полисахаридов в клетках осуществляется особыми ферментами. Эти ферменты катализируют реакции присоединения остатков моносахаридов друг к другу с образованием гликозидной связи.
Источником мономерных звеньев служат активированные производные моносахаридов - нуклеотидсахара. Например, для биосинтеза целлюлозы растительные клетки используют активированный UDP-глюкозу.
Деструкция полисахаридов
Гидролитическое разрушение полисахаридов осуществляется специальными ферментами:
- Амилазы - гидролиз крахмала
- Целлюлазы - гидролиз целлюлозы
- Пектиназы - деструкция пектина
- Хитиназы - разрушение хитина и др.
Продуктами гидролиза полисахаридов являются моносахариды и олигосахариды. Гидролиз позволяет организмам использовать полисахариды в качестве источников углерода и энергии.
Полисахариды микроорганизмов
Многие микроорганизмы, в том числе бактерии, дрожжи и мицелиальные грибы синтезируют и выделяют во внешнюю среду полисахариды - бактериальные экзополисахариды (ЕПС).
ЭПС обеспечивают микроорганизмам защиту от неблагоприятных условий, способствуют адгезии к различным поверхностям. Некоторые ЕПС находят применение как пищевые добавки-загустители или как иммуномодуляторы.
Химический синтез полисахаридов
В промышленности осуществляется химический синтез ряда полисахаридов, в том числе производные целлюлозы.
Например, из целлюлозы получают метилцеллюлозу и карбоксиметилцеллюлозу, которые находят широкое применение в пищевой и фармацевтической отраслях в качестве загустителей, стабилизаторов, оболочек для лекарств.
Модификации целлюлозы
Целлюлоза является наиболее распространенным в природе полисахаридом. Благодаря наличию в структуре большого количества гидроксильных групп, она может подвергаться различным химическим превращениям, в результате которых получаются производные целлюлозы с уникальными свойствами.
Окисленные производные целлюлозы
При обработке целлюлозы окислителями, такими как азотная кислота, перманганат калия или пероксид водорода, часть гидроксильных групп замещается на карбоксильные. Получаемые окисленные целлюлозы обладают повышенной способностью поглощать воду и ионы металлов.
Эфиры целлюлозы
Целлюлоза может вступать в реакцию этерификации с образованием сложноэфирных производных, таких как метилцеллюлоза, гидроксиэтилцеллюлоза. Эфиры целлюлозы отличаются растворимостью в воде и органических растворителях.
Термопластичные материалы на основе целлюлозы
На основе производных целлюлозы могут быть получены термопластичные полимеры, в том числе ацетаты, нитраты и метилцеллюлоза. Из таких полимеров производят пленки, волокна, пластмассы.
Пектин: структура и свойства
Состав и строение пектина
Пектин представляет собой гетерополисахарид, в состав которого входят остатки галактуроновой кислоты, рамнозы, арабинозы, галактозы. Молекулы пектина содержат до 1000 мономерных звеньев.
Физико-химические свойства пектина
Пектин легко растворяется в горячей воде, образуя вязкие коллоидные растворы. В присутствии сахара и кислот пектин способен формировать студнеобразные гели.
Применение пектина
Благодаря желирующим свойствам пектин широко используется в кондитерской промышленности для производства мармеладов, джемов, желе. Кроме того, пектин применяют в фармацевтике как компонент лекарственных форм.