Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | ||
|
Полисахариды — высокомолекулярные вещества, молекулы которых содержат от нескольких десятков до многих тысяч остатков моносахаридов. Изучение этих полисахаридов осложняется трудностями их очистки и получения в чистом виде, поскольку в клетке они обычно связаны с другими углеводам, белками, минеральными веществами.
Полисахариды делят на 2 группы — гомо- и гетерополисахариды. Молекулы гомополисахаридов построены из остатков одного сахара. Из остатков глюкозы состоят крахмал, целлюлоза, гликоген, каллоза, лихенин, из остатков фруктозы — инулин, леван. В состав молекул гетеропо-лисахаридов входят остатки различных моносахаридов и их производных — гемицеллюлозы, гумми, слизи.
Молекулы полисахаридов могут быть как линейными, так и разветвленными.
Крахмал — главный запасный полисахарид растений, который откладывается в клетках запасающих органов в виде крахмальных зерен (семена, плоды, корни, клубни, корневища, стебли). Особенно много крахмала в семенах риса (60-80%), кукурузы (65-75%), пшеницы (60-70%), меньше в клубнях картофеля (12-22%).
Крахмальные зерна не растворяются в воде, а только набухают. Если взвесь крахмальных зерен в воде постепенно нагревать, то может быть достигнута температура, при которой крахмал образует очень вязкий коллоидный раствор, называемый крахмальным клейстером. Температура клей-стеризации различна для крахмала разных растений. Крахмал картофеля клейстеризуется при температуре 55-65°, кукурузы — при 64-71% пшеницы —при 60-80о, риса — при 70-80°.
Очень характерным свойством крахмала является его способность окрашиваться в синий цвет при добавлении раствора йода в йодистом калии.
Крахмал на 96-98% состоит из углеводов. Остальное составляют примеси — минеральные вещества и жирные кислоты.
Углеводная часть крахмала представлена двумя полисахаридами — амилозой и амилопектином. Амилоза представляет собой длинную неразветвленную цепочку из остатков глюкозы. Цепочки амилозы образуют спираль, каждый виток которой состоит из 6 остатков глюкозы. В молекуле амилозы обычно содержатся несколько параллельно расположенных спиралей. Молекулярная масса амилозы от 100 000 до 1 000 000. При обработке амилозы раствором йода его молекулы встраиваются в витки сдирали, образуя комплексное химическое соединение с полисахаридом, которое имеет синюю окраску.
Амилопектин построен из остатков глюкозы и имеет разветвленную структуру. Точки ветвления встречаются через 25-30 глюкозных остатков. Внешние цепи амилопектина, если они имеют более шести остатков глюкозы, могут образовывать витки спирали. Молекулярная масса амилопектина выше, чем амилозы, от одного до нескольких миллионов. Амилопектин с йодом дает красно-фиолетовое окрашивание, которое является результатом адсорбции молекул йода на полисахариде без образования химических связей.
Как правило, крахмал содержит 10-30% амилозы и 70—90% амилопектина. Однако это соотношение может изменяться в зависимости от вида или сорта растения, а также от органа, из которого получен крахмал. Так, в крахмале из клубней картофеля содержится 22% амилозы, а из молодых побегов— 46%. Крахмал из восковидных сортов кукурузы, риса, ячменя состоит почти полностью из амилопектина и окрашивается йодом в красно-коричневый цвет. В то же время крахмал некоторых сортов кукурузы, гороха и ряда видов лилейных содержит больше амилозы — 50-70-80%. Крахмал яблок состоит только из амилозы.
При кипячении с кислотами крахмал гидролизуется до глюкозы. При более слабом воздействии — 7,5% НСl при комнатной температуре в течение 7 дней — образуется так называемый «растворимый крахмал», часто применяемый в лабораториях.
Крахмал находит широкое практическое применение. Крахмал составляет большую часть пищи человека (хлеб, крупы, овощи, фрукты, кондитерские изделия) и кормов сельскохозяйственных животных. Он используется во многих отраслях пищевой промышленности. Из него получают глюкозу, спирт, клей, пластмассы. Его используют в текстильной промышленности.
Фруктозаны — полимерные соединения, состоящие из остатков фруктозы. Существует 2 типа фруктозанов — инулиноподобные и леваноподоб-ные. Они растворимы в воде и содержатся в клеточом соке вакуолей. Оба эти фруктозана в начале молекулы имеют остаток сахарозы.
Инулиноподобные фруктозаны запасаются в корневищах, корнях, клубнях растений из семейства сложноцветных, колокольчиковых (топинамбур, георгины, цикорий, артишоки, одуванчик). Главным фруктозаном этой группы является инулин, содержащий 30-35 остатков фруктозы. Инулин часто сопровождается более низкомолекулярными фруктозанами. Они образуют гомологический ряд, в начале которого находится дисахарид из двух остатков фруктозы — левулин, а в конце — инулин. Из инулина путем кислотного гидролиза получают фруктозу.
Леваноподобные фруктозаны характерны для однодольных, в том числе для растений из семейства лилейных и злаковых. Леваны содержатся в листьях, стеблях, корнях и семенах. У злаков леваны функционируют как временные запасные полисахариды.
В созревающих семенах злаков (рожь, пшеница, овес, ячмень) леваны содержатся в больших количествах (до 30% на сухое вещество), по мере созревания они постепенно превращаются в крахмал, что свидетельствует о легкости превращения в растениях фруктозы в глюкозу.
Леваны содержат меньше остатков фруктозы, чем инулин (от 7-8 до 13-24). Некоторые леваны слабо ветвятся. Их молекулы состоят из 2-3 цепей.
Целлюлоза (клетчатка) — полисахарид, который является основным компонентом клеточной оболочки, образующим ее каркас.
В растениях клетчатка всегда связана с другими веществами — гемицеллюлозами, лигнином, пектином, липидами, смолами и т. д. Для отделе-
Основными источниками получения целлюлозы являются волокно хлопчатника, лубяные волокна прядильных растений (льна, конопли, джута, рами), и древесина. Хлопковое волокно содержит 95-98% клетчатки, лен — 80-90%, древесина — 40-50%.
Целлюлоза нерастворима в воде, в ней она только набухает. Она является очень стойким веществом: не изменяется под действием слабых кислот и щелочей даже при кипячении, не растворяется в большинстве обычных растворителей.
Гидролизуется клетчатка до глюкозы при кипячении с концентрированной НСl или H2SO4.
Молекула целлюлозы состоит из остатков глюкозы. Причем каждый второй остаток глюкозы повернут относительно предыдущего на 180°. Это препятствует вращению расположенных рядом глюкозных остатков вокруг связывающих их гликозидных связей и делает невозможным образование спирали, подобной амилозе. В результате получается жесткая линейная одноплоскостная структура.
В клеточных стенках молекулы целлюлозы собраны в пучки — микрофибриллы, в которых они расположены параллельно друг другу и связаны водородными связями. На поперечном разрезе микрофибрилла имеет овальную форму.
В центре микрофибриллы молекулы (их примерно 50) составляют так называемое «ядро». В нем молекулы расположены упорядочение, образуя кристаллическую решетку. Вокруг «ядра» примерно 100 молекул также расположены параллельно, но не столь упорядочение. Это паракристаллическая область. В ней находится некоторое количество молекул матрикса оболочки, чаще гемицеллюлоз. Причем содержание их увеличивается от «ядра» к периферии паракристаллической зоны. В эту зону могут проникать и молекулы воды.
Целлюлоза находит самое широкое применение. Ее используют в целлюлозно-бумажной промышленности. В текстильной промышленности из нее изготавливают хлопчатобумажные и льняные ткани. Целлюлозу растворяют в медно-аммиачном растворе, а затем раствор продавливают сквозь сито в кислую среду, где она выпадает в осадок в виде тончайших нитей. Из них получают натуральный шелк — вискозу. Правда, шелковые нити состоят не из белка, а из углевода — целлюлозы.
В молекулы целлюлозы вводят различные радикалы и получают метил-ацетил- или нитроцеллюлозу, которые служат сырьем для многих отраслей химической промышленности. Из них изготавливают искусственные волокна и ткани, кожу, пластмассы, краски, лаки, взрывчатые вещества и т. д.
Целлюлозу начали использовать для изготовления целлюлозобетона, который получают смешиванием цемента с волокнистым растительным сырьем — рисовой соломой, бамбуком, сезалем, кокосовыми волокнами, коноплей, джутом. Из смеси готовят панели, которые обладают всеми качествами железобетона, но дешевле, легче и удобней для строительства жилых домов.
Гемицеллюлозы (полуклетчатка) — это группа полисахаридов, которые наряду с целлюлозой входят в состав клеточных оболочек, образуя их матрикс, и могут в семенах частично использоваться в качестве запасных питательных веществ. Много гемицеллюлоз в семенах, в соломе, древесине, кукурузных кочерыжках, отрубях.
Гемицеллюлозы нерастворимы в воде, но растворяются в щелочах и гидролизуются кислотами легче, чем клетчатка. При кислотном гидролизе гемицеллюлоз образуются глюкоза, галактоза, манноза, ксилоза, L-арабиноза и уроновые кислоты. Молекулярная масса гемицеллюлоз — несколько десятков тысяч. Они являются компонентами матрикса клеточной оболочки.
Гемицеллюлозы делят на 3 группы, каждая из которых различается по составу в структуре полисахарида. Группы получили название по доминирующему в них моносахариду: маннаны, галактаны, ксиланы. Все они гетерополисахариды.
Маннаны содержат маннозу, глюкозу и галактозу в отношении 3:1:1. Такие маннаны встречаются, например, в древесине хвойных и папоротников.
Галактаны в основной цепи имеют остатки галактозы.. Галактаны обычно содержатся в древесине.
Ксиланы разнообразны по структуре, в них преобладает ксилоза, независимо от того составляет ли она главную цепь или ее разветвления. Существует несколько групп ксиланов.
1. Основная цепь состоит из ксилозы. К некоторым ксилозным остаткам присоединена галактуроновая кислота. Иногда такие ксиланы в виде ответвлений имеют L-арабинозу. Подобные ксиланы встречаются у хвойных и папоротников.
2. Другой вид ксиланов содержит ксилозу в основном в боковых ветвях. Такие ксиланы характерны для клеточных стенок двудольных. Они подразделяются на следующие подгруппы:
Пектины — компоненты матрикса первичных клеточных оболочек. Обычно они также являются межклеточным веществом, образуют срединную пластинку, которая склеивает стенки соседних клеток. Содержание пектинов в клеточной оболочке обычно невелико — менее 5%.
Содержание пектинов в %:
яблоки - 0,82-1,29
абрикосы - 1,03
сливы - 0,96-1,14
черная смородина 1,52
морковь - 2,5
сахарная свекла - 2,5
Характерным свойством пектинов является их способность образовывать гели при низкой концентрации. Поэтому их используют в пищевой промышленности в качестве желирующих агентов при изготовлении фруктовых желе, мармелада, пастилы, джемов, фруктовых карамельных начинок и в домашних условиях при варке варенья и повидла. Для образования пектинового желе необходимы определенные условия: 65-70% сахара (сахарозы или гексозы), рН 3,1-3,5 и от 0,2 до 1,5% пектина.
В стеблях льна, как и у некоторых других прядильных растений, лубяные волокна склеены пектинами. Для их разделения пектин необходимо разрушить, что достигается в процессе мочки. На растениях при этом развиваются бактерии, которые выделяют ферменты, расщепляющие пектины.
В основе структуры молекул пектиновых веществ лежит пектиновая кислота. Она состоит из остатков галактуроновой кислоты.
Пектиновая кислота может содержаться в клеточных стенках в свободном состоянии или в виде солей и сложных эфиров. В свободном состоянии пектиновая кислота желирующими свойствами не обладает. Соли пектиновой кислоты чаще всего являются пектатами Са и Mg. Причем связи карбоксильных групп с металлами могут образовываться в одной молекуле и в двух рядом расположенных молекулах. Тогда связываются две цепи пектиновых кислот.
Карбоксильные группы в пектиновой кислоте легко образуют эфиры с метиловым спиртом. Метилированная пектиновая кислота называется растворимым пектином. Именно растворимый пектин и обладает желирующими свойствами. Его получают в больших количествах и используют в кондитерской промышленности.
Среди пектиновых веществ есть также рамногалактуроны — пектины, содержащие рамнозу. Рамногалактуроны состоят из фрагментов, содержащих 8 остатков галактуроновой кислоты, которые соединены трисахаридом из двух остатков галактуроновой кислоты и рамнозы. Присутствие в полисахариде рамнозы заставляет цепь изгибаться.
В пектинах в небольших количествах встречаются арабинаны и галактаны. Арабинаны состоят из арабинозы. Основная цепь имеет единичные ответвления из остатков арабинозы. Галактаны — линейные цепи из галактозы. Обычно арабинаны и галактаны связаны с рамногалактуроном.
Камеди (гумми) и слизи. Это полисахариды, растворимые в воде и образующие очень вязкие коллоидные растворы.
Камеди (гумми), например, выделяются на ветвях и стволах вишневых, сливовых, абрикосовых деревьев при их повреждении, образуя так называемый клей. Слизи содержатся в большом количестве в семенах ряда растений (льна, ржи, клевера, люпина, люцерны и др.).
Строение полисахаридов еще не установлено. Известно, что при гидролизе они образуют глюкозу, галактозу, маннозу, ксилозу, арабинозу и уроновые кислоты. Причем состав разных камедей и слизей значительно различается. Так, полисахариды вишневого клея состоят из остатков галактозы, маннозы, арабинозы, глюкуроновой кислоты и незначительного количества ксилозы. Слизи ржаного зерна почти на 90% состоят из ксилозы и арабинозы и очень небольшого количества галактозы.
Именно наличием слизей объясняется высокая вязкость отвара из льняных семян и водной болтушки ржаной муки, которые используются в медицине как кровоостанавливающие и вяжущие средства.
Каллоза — полисахарид, содержащийся в ситовидных трубках флоэмы. Он откладывается на ситовидных пластинках и в перфорациях, превращая последние в узкие канальцы. К осени канальцы полностью закупориваются и образуется наплыв каллозы — каллюс. Если ситовидные трубки данного растения функционируют не один, а два-три сезона, весной каллюс растворяется.
Каллоза состоит из остатков глюкозы. Каллоза откладывается в стенках клеток развивающегося семени и пыльцевых зерен, когда идет формирование генеративных ядер (яйцеклетка, генеративная клетка пыльцевого зерна). При этом каллоза выполняет защитную и изолирующую функции до завершения формирования генеративной клетки, А затем полисахарид гидролизуется и исчезает. Откладывается каллоза и в оболочке пыльцевого зерна, которое попало на рыльце несовместимого с ним пестика. Каллоза изолирует пыльцу и делает невозможным ее прорастание. Она также образуется при заживлении поврежденных тканей.
Лихенин — запасный полисахарид лишайников. Содержание его в некоторых видах достигает 45-50% («исландский мох»). Молекулярная масса лихенина около одного миллиона. Он растворяется в горячей воде и обладает желирующими свойствами. Мономеров лихенина является глюкоза.
Лишайники и их полисахарид лихенин являются основным кормом северных оленей. Их желудочно-кишечный тракт переваривает лихенин благодаря присутствию в нем микрофлоры, выделяющей специальные расщепляющие его ферменты. Человеческий организм лихенин не усваивает.
Полисахариды водорослей. Агар-агар — высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в некоторых водорослях, в основном в красных. Агар состоит по крайней мере издвух полисахаридов — агарозы и агаропектина. Считают, что агароза состоит из галактозы. Совсем мало известно о строении агаропектина. Предполагают, что он состоит из цепочек галактозы.
Агар-агар растворяется в воде при нагревании, а при последующем охлаждении образует гель. Этот полисахарид в качестве желирующего агента используется в кондитерской промышленности при изготовлении желе, пастилы, мармелада, джемов, в парфюмерной промышленности при изготовлении кремов, в хлебо-булочной — для предотвращения быстрого черствления изделий, в микробиологической и биотехнологической — для приготовления твердых питательных сред.
Альгиновая кислота — компонент клеточной стенки многих водорослей, особенно бурых. Она, по-видимому, является аналогом пектиновой кислоты, но содержание ее в клеточной оболочке выше — до 30%. Состоит альгиновая кислота из остатков маннуроновой и гулуроновой кислот. Альгиновая кислота и ее соли — альгинаты, особенно натриевая, находят широкое применение в качестве стабилизаторов эмульсий при изготовлении мороженого, лаков, красок.
Белки
Белки — важнейшие природные соединения живой клетки как растительной, так и животной. Основные функции белков в растительном организме те же, что и в животном.
1. Структурная функция. Белки участвуют в построении всех клеточных органелл.
2. Каталитическая функция - все ферменты — белки.
3. Регуляторкая функция. Например, гистоны и ряд негистоновых белков регулируют транскрипцию.
4. Механо-химическая функция. Белки участвуют в осуществлении движений цитоплазмы и других клеточных органелл.
5. Транспортная функция. Белки-переносчики транспортируют различные вещества как через плазматическую мембрану, так и внутри клетки.
6. Защитная функция. Например, гидролитические ферменты лизосом и вакуолей расщепляют вредные вещества, попавшие в клетку. Кроме того, гликопротеины участвуют в защите растений от патогенов.
7. Запасная функция. Эта функция характерна в основном для растений. Запасные белки откладываются в семенах и используются для питания проростков в процессе прорастания.
В настоящее время функции многих белков еще не выяснены. Кроме того, один белок может выполнять две или более функций. Например, некоторые белки мембран могут выполнять структурную и ферментативную функции.
Молекулы растительных белков, как и животных, содержат С, Н, О, N, а также почти всегда S и некоторые — Р. У растений, произрастающих на почвах, богатых селеном, этот элемент может заменять в белках серу. При этом растения растут нормально, зато страдают поедающие их животные. У них, в первую очередь, нарушается синтез белков шерсти, рогов, копыт.
Как правило, содержание белков в растениях ниже, чем у животных. В вегетативных органах количество белка обычно 5-15% от сухой массы. Так, в листьях тимофеевки содержится 7% белка, а в листьях клевера и вики — 15%. Больше белка в семенах: у злаков в среднем 10-20%, у бобовых и масличных — 25-35%. Наиболее богаты белком семена сои — до 40%, а иногда и выше.
В растительных клетках белки обычно связаны с углеводами, липидами и другими соединениями, а также с мембранами. Поэтому их трудно извле-кать из растений и получать чистые препараты, особенно из вегетативных органов. В связи с этим в растениях лучше изучены белки семян, где их больше и откуда они легче извлекаются.
Растительные белки по своим свойствам, молекулярной массе и структуре молекул близки к белкам животного происхождения.
Аминокислоты. Мономерами, белков являются аминокислоты. В составе белков как растительных, так и животных, найдено 20 аминокислот:
Алании
Аргинин
Аспарагин
Аспарагиновая кислота
Валин
Гистидин
Глицин
Глутамин
Глутаминовая кислота
Изолейцин
Лейцин
Лизин
Метионин
Пролин
Серии
Тирозин
Треонин
Триптофан
Фенилаланин
Цистейн
Эти аминокислоты называют протеиногенными, т. к. они входят в состав белка. Кроме того, они могут находиться в клетке и в свободном состоянии, образуя пул свободных аминокислот.
В растениях, кроме 20 перечисленных выше, обнаружено большое количество аминокислот (свыше 250), которые не входят в состав белковых молекул, а содержатся только в свободном состоянии или встречаются в составе коротких пептидов. Их называют непротеиногенными. Эти аминокислоты присутствуют в растениях в небольших количествах и обычно характерны для небольшой группы растений (семейство, род).
Огромное количесвто непротеиногенных аминокислот требовало упорядочения. Их классифицировали по сходству с протеиногенными, разделив на 3 основные группы.
1. Сходство по изомерии. Непротеиногенные аминокислоты являются изомерами некоторых протеиногенных. β-аланин не входит в состав белка, а содержится в пуле свободных аминокислот. Много его, например, в яблоках. β-Аланин входит в состав пантотеновой кислоты и коэнзима А. Он является также стимулятором роста дрожжей.
β-Пиразол-1-илаланин встречается только в свободном состоянии у растений семейства тыквенных.
2. Сходство по гомологии. Ряд непротеиногенных аминокислот гомологичен протеиногенным. Серин – гомосерин, цистеин – гомоцистеин, аргинин – гомоаргинин.
Приведенные в качестве примера непротеиногенные аминокислоты содержат в углеродной цепочке на один углеродный атом больше, чем соответствующие протеиногенные.
3. Сходство по аналогии. Аналогия может быть двух типов.
а) Аналогия по замещению. В этом случае в молекуле протеиногенной аминокислоты один атом водорода замещен какой-нибудь группой, в результате чего получается непротеиногенная аминокислота: цистеин – S-метилцестеин, фенилаланин – карбоксифенилаланин.
S-Метилцистеин распространен в растениях и может выступать донором метильных групп в реакциях метилирования. Карбоксифенилаланин найден в ирисах, резеде.
б) Аналогия по сходству в строении молекулы. Лейцин и α-метиленциклопропилглицин
Строение этих двух аминокислот похоже. α -Ме-тиленциклопропилглицин — непротеиногенная кислота, она выделена из семян съедобных плодов личи китайской.
Непротеиногенные аминокислоты выполняют в растениях целый ряд важных функций:
1. Некоторые Непротеиногенные аминокислоты участвуют в образовании протеиногенных. Например, из гомосерина образуются треонин и метио-нин, а из непротеиногенной диаминопимелиновой кислоты — лизин.
2. Непротеиногенные аминокислоты могут служить запасной формой азота и серы. Аминокислоты, в молекулах которых содержится два и более атомов азота, могут накапливаться в семенах в виде его запасной формы, а при прорастании отдавать азот на образование необходимых проростку аминокислот. Например, орнитин, цитруллин, гомоаргинин, диаминомасляная кислота, β-Пиразол-1-илаланин.
В качестве запасной серы в семенах могут откладываться производные цистеина, например, S-метилцистеин.
3. Ряд непротеиногенных аминокислот является транспортной формой азота. Это, например, производные аспарагиновой и глутаминовой кислот и их амидов. Они не накапливаются в семенах, зато встречаются в проводящих тканях растений. Такой транспортной формой являются γ-производные глутаминовой кислоты и глутамина.
4. Защитная функция. Ее непротеиногенные аминокислоты выполняют по-разному.
а) Орнитин и цитруллин участвуют в обезвреживании аммиака в орнитиновом цикле.
б) При неблагоприятных условиях образуется ряд непротеиногенных аминокислот, которые связывают аммиак, накапливающийся при распаде белков (диаминомасляная кислота).
в) В неблагоприятных условиях накапливается «стрессовый» фитогормон этилен. Источником его служит метионин, а промежуточным продуктом биосинтеза является непротеиногенная аминокислота аминоциклопропилкарбоновая. Она же служит транспортной формой этилена.
Пептиды. Пептиды, или полипептиды, — это цепочки из нескольких аминокислот, связанных пептидными связями. В состав пептидов могут входить не только протеиногенные, но и непротеиногенные аминокислоты, часто связанные с глутаминовой кислотой.
Пептиды играют важную роль промежуточных продуктов в обмене веществ, и многие из них являются физиологически очень активными соединениями. Пептидами являются некоторые антибиотики (грамицидин, лихениформин), токсины (аманитины). Некоторые пептиды представляют собой замкнутую полипептидную цепочку, т. е. являются циклопептидами, а некоторые даже имеют бициклическое строение.
Известен трипептид глутатион, состоящий из остатков глутаминовой кислоты, цистеина и глицина. Имея в своем составе группу -SH, глутатион может участвовать в окислительно-восстановительных реакциях, активировать ряд ферментов, например, протеазы.
Среди циклопептидов есть сильно токсичные вещества. Например, ядовитый гриб бледная поганка (Amanita phalloides) содержит по крайней мере 10 токсичных циклопептидов — аманитинов.
Все они имеют молекулярную массу около 1000. Наиболее ядовитый из них α-аманитин подавляет процесс транскрипции. Как ингибитор этого процесса он используется в биохимических исследованиях.
Классификация белков. Рациональной классификации белков пока не существует, т. к. еще не изучены структура молекул и функции многих белков.
Все белки, как животные, так и растительные, разделяют на две большие группы: простые белки и сложные. Простые белки состоят только из аминокислот, связанных пептидными связями, сложные в своем составе, кроме белковой части, имеют еще небелковый компонент — простетическую группу.
Далее простые белки классифицируют по физико-химическим свойствам: растворимости в различных растворителях и величине молекулярной массы, а сложные — по природе простетической группы.
Дата публикования: 2015-02-17; Прочитано: 2197 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!