Полисахариды в биологии: определение и значение

Полисахариды: определение и значение

Полисахариды — это длинные цепи молекул, состоящие из связанных между собой мономеров сахара. Они являются одним из основных классов биологических макромолекул, представляющих собой основные источники энергии и структурные компоненты в организмах.

Полисахариды представляют собой полимеры моносахаридов, таких как глюкоза, фруктоза и галактоза, которые соединяются через гликозидные связи. Они обладают различными функциями в организмах, включая хранение энергии, поддержку структурного целостности клеток и тканей, защиту организма от внешних воздействий и участие в процессах распознавания молекул.

Значение полисахаридов в биологии трудно переоценить. Они являются основным источником энергии для живых организмов, так как полисахариды могут быть разложены до своих мономерных единиц и использованы клетками в процессе гликолиза для получения АТФ — универсальной энергетической валюты.

Кроме того, полисахариды играют важную роль в поддержании структурной целостности организмов. Например, целлюлоза, являющаяся полисахаридом, составляющим клеточные стенки растений, обеспечивает прочность и жесткость растительной ткани. Хитин, полисахарид, присутствующий в экзоскелете некоторых животных, таких как насекомые и ракообразные, обеспечивает защиту и поддержку структуры.

Также полисахариды выполняют роль распознавания молекул и участвуют в иммунных и защитных реакциях организма. Например, гликопротеины, которые представляют собой соединение белка и полисахарида, играют важную роль в процессе распознавания бактерий и вирусов, а также участвуют в клеточном взаимодействии и сигнализации.

В целом, полисахариды являются неотъемлемой частью биологических систем и играют ключевую роль в поддержании жизненных процессов, обеспечении энергией и структурной поддержке организмов.

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).

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).

Применение углеводов

Смесь моно- и динитроцеллюлозы называют коллоксилином. Раствор коллоксилина в смеси спирта и диэтилового эфира — коллодий — приме­няют в медицине для заклеивания небольших ран и для приклеивания повязок к коже.

При высыхании раствора коллоксилина и камфа­ры в спирте получается целлулоид — одна из пласт­масс, которая впервые стала широко использовать­ся в повседневной жизни человека (из нее делают фото- и кинопленку, а также различные предметы широкого потребления). Растворы коллоксилина в органических растворителях применяются в каче­стве нитролаков. А при добавлении к ним красите­лей получаются прочные и эстетичные нитрокраски, широко используемые в быту и технике.

Как и другие органические вещества, содержа­щие в составе молекул нитрогруппы, все виды ни­троцеллюлозы огнеопасны. Особенно опасна в этом отношении тринитроцеллюлоза — сильнейшее взрывчатое вещество. Под названием «пирокси­лин» она широко применяется для производства оружейных снарядов и проведения взрывных ра­бот, а также для получения бездымного пороха.

С уксусной кислотой (в промышленности для этих целей используют более мощное этерифицирующее вещество — уксусный ангидрид) получают аналогичные (ди- и три-) сложные эфиры целлюло­зы и уксусной кислоты, которые называются аце­тилцеллюлозой:

Ацетилцеллюлозу используют для получения лаков и красок, она служит также сырьем для из­готовления искусственного шелка. Для этого ее рас­творяют в ацетоне, а затем этот раствор продавлива­ют через тонкие отверстия фильер (металлических колпачков с многочисленными отверстиями). Выте­кающие струйки раствора обдувают теплым возду­хом. При этом ацетон быстро испаряется, а высыха­ющая ацетилцеллюлоза образует тонкие блестящие нити, которые идут на изготовление пряжи.

Крахмал, в отличие от целлюлозы, дает синее окрашивание при взаимодействии с йодом. Эта ре­акция является качественной на крахмал или йод в зависимости от того, наличие какого вещества требуется доказать.

Справочный материал для прохождения тестирования:

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)	крахмал гликоген клетчатка хитин декстран
гетерополисахариды (или гетерополимеры)	хондроитин-сульфаты гепарин инулин пектины камеди слизи гиалуроновая кислота

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.

Применение

Смесь моно- и динитратов целлюлозы называют коллоксилином. Раствор коллоксилина в смеси спирта и диэтилового эфира — коллодий — применяют в медицине для заклеивания небольших ран и для приклеивания повязок к коже.

При высыхании раствора коллоксилина и камфары в спирте получается целлулоид — одна из пластмасс, которая впервые стала широко использоваться в повседневной жизни человека (из неё делали фото- и киноплёнку, а также различные предметы широкого потребления). Растворы коллоксилина в органических растворителях применяются в качестве нитролаков. А при добавлении к ним красителей получаются прочные и эстетичные нитрокраски, широко используемые в быту и технике (рис. 65).

Как и другие органические вещества, содержащие в составе молекул нитрогруппы, все виды нитратов целлюлозы огнеопасны. Особенно опасен в этом отношении тринитрат целлюлозы — сильнейшее взрывчатое вещество. Под названием «пироксилин» он широко применяется для производства оружейных снарядов и проведения взрывных работ, а также для получения бездымного пороха.

С уксусной кислотой (в промышленности для этих целей используют более мощное этерифицирующее вещество — уксусный ангидрид) получают аналогичные (ди- и три-) сложные эфиры целлюлозы и уксусной кислоты, которые называются ацетатами целлюлозы:

Ацетат целлюлозы используют для получения лаков и красок, он служит также сырьём для изготовления искусственного шёлка. Для этого его растворяют в ацетоне, а затем этот раствор продавливают через фильеры — металлические колпачки с многочисленными отверстиями. Вытекающие струйки раствора обдувают тёплым воздухом. При этом ацетон быстро испаряется, а высыхающая ацетилцеллюлоза образует тонкие блестящие нити, которые идут на изготовление пряжи (рис. 66). Ткань из такого волокна называют ацетатным шёлком. Из ацетил целлюлозы изготовляют также негорючую рентгеновскую и киноплёнку.

Крахмал в значительных количествах перерабатывается на декстрины, патоку и глюкозу, используемые в пищевой промышленности.

Из продуктов гидролиза получают пищевой спирт, молочную кислоту и другие ценные продукты. Крахмал используют как клеящее средство, применяют для отделки тканей.

В медицине на основе крахмала готовят некоторые мази и присыпки (рис. 67).

1. Из 200 кг древесных опилок, массовая доля целлюлозы в которых равна 60%, в результате гидролиза было получено 72 кг глюкозы. Сколько процентов это составляет от теоретически возможного?
Ответ: 54%.

2. Сколько целлюлозы и азотной кислоты (в кг) нужно для производства 8 т тринитрата целлюлозы, если выход её составляет 88% от теоретически возможного?
Ответ: 4,96 т целлюлозы, 5,79 т HNO₃.

3. Какую массу целлюлозы за сутки подвергли гидролизу, если при этом на гидролизном заводе из древесных опилок получили 150 т 96% -го гидролизного этилового спирта?
Ответ: 254 т.

4. Каков выход этилового спирта в процентах от теоретически возможного, если из 5 т картофеля, содержащего 20% крахмала, было получено 450 л 95%-го этилового спирта с плотностью 0,8 кг/л?
Ответ: 60,2%.

5.Запишите уравнения реакций, с помощью которых можно осуществить следующие превращения:

а) крахмал → мальтоза → глюкоза → этиловый спирт → уксусноэтиловый эфир → ацетат натрия;

б) целлюлоза → глюкоза → этиловый спирт → бутадиен-1,3 → бутадиеновый каучук;

в) углекислый газ → крахмал → глюкоза → этиловый спирт → уксусный альдегид → уксусная кислота → тринитрат целлюлозы.

6. Сравните крахмал и целлюлозу по различным признакам: строению макромолекул, физическим и химическим свойствам, биологической роли, применению и др. Ответ оформите в виде таблицы.

7. Целлюлоза используется в пищевой промышленности как добавка, препятствующая слёживанию и комкованию порошкообразных продуктов (код Е460). Под действием соляной кислоты в желудке примерно 5% её гидролизуется. Какая масса глюкозы получится при этом из 16,2 г целлюлозы?
Ответ: 0,9 г.

8. В единой коллекции цифровых образовательных ресурсов на сайте http://school-collection.edu.ru найдите и просмотрите видеофрагмент «Изучение физических свойств крахмала». Какие нарушения техники безопасности допустил экспериментатор при проведении эксперимента?

9. Составьте химический кроссворд, содержащий не менее 10 химических терминов, встречающихся в тексте параграфа. Обменяйтесь работами с одноклассником и попробуйте решить его кроссворд. Проведите мини-конкурс на лучший кроссворд в классе, учитывая число слов, симметрию, корректность вопросов, число пересечений слов и другие параметры.

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

Название вещества	Использование	Источник
Крахмал	Находит применение в пищевой промышленности. Также служит сырьем для получения глюкозы, спирта. Применяется для изготовления клея, пластмасс. Кроме того, используется и в текстильной промышленности	Получают из клубней картофеля, а также из семян кукурузы, рисовой сечки, пшеницы и других богатых крахмалом растений
Целлюлоза	Используется в целлюлозно-бумажной и текстильной промышленности: из нее изготавливают картон, бумагу, вискозу. Производные целлюлозы (нитро-, метил-, ацетилцеллюлоза и др.) находят широкое применение в химической промышленности. Из них же производят синтетические волокна и ткани, искусственную кожу, краски, лаки, пластмассы, взрывчатку и многое другое	Добывают это вещество из древесины, в основном хвойных растений. Также есть возможность получения целлюлозы из конопли и хлопка
Декстрин	Является пищевой добавкой Е1400. Также применяется при изготовлении клеящих веществ	Получают из крахмала путем термической обработки
Агар-агар	Это вещество и его производные применяют в качестве стабилизаторов при изготовлении продуктов питания (например, мороженого и мармелада), лаков, красок	Добывают из бурых водорослей, так как он является одним из компонентов их клеточной оболочки

Теперь вы знаете, что такое полисахариды, для чего они используются, какова их роль в организме, какими физическими и химическими свойствами они обладают.

Использование в области здравоохранения

Зачастую в медицинской практике полисахариды используются в качестве диагностических препаратов при обнаружении кандидозов и сальмонеллезов. Декстраны, которые вырабатываются некоторыми бактериями, являются плазмозаменителями. Сульфат декстрана заменяет гепарин как антикоагулянт. Особой популярностью пользуются препараты, которые имеют в основе хитин. Также хитин применяется при производстве наполнителей и основ различных лекарственных средств. В последнее время стали изготавливаться ферментативные лекарства с пролонгированным действием, которые имеют в составе декстраны. Гликаны являются активным компонентами, которые используются для изготовления высококачественных зубных паст.

Применение в пищевой промышленности

Полисахариды, которые получают из бактерий, применяются для изготовления пищевых пленок. Они предотвращают высыхание продуктов, противостоят попаданию на них грязи, стабилизируют мороженую массу, соки, заправки, сиропы. Ксантин широко используется при изготовлении кисломолочной продукции

Для повышения качества хлебобулочных изделий на производстве добавляются экзополисахариды, они делают хлеб более пышным и мягким. Полисахариды имеют важное значение для биологии в целом. Они принимают участие в важных процессах, оказывают влияние на работу организмов живых существ, способствуют полноценному синтезу питательных веществ в растениях

Кроме этого, данные элементы активно применяются в разных областях промышленности, из них производят пищевые продукты, препараты, химические вещества и растворы, бумагу и другие элементы.

Промышленность и инновационные направления

Выше уже упоминалось, что полисахариды применяются на предприятиях, где ведется синтез ядерного топлива.

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.

Физические свойства и нахождение в природе полисахаридов

Крахмал — белый аморфный порошок, не растворяется в холодной воде. В горячей воде он разбухает и образует коллоидный раствор — крахмальный клейстер.

Крахмал содержится в цитоплазме растительных клеток в виде зёрен запасного питательного вещества. В картофельных клубнях содержится около 20% крахмала, в пшеничных и кукурузных зёрнах — около 70%, а в рисовых — почти 80% .

Целлюлоза (от лат. cellula — клетка), выделенная из природных материалов, представляет собой твёрдое волокнистое вещество, нерастворимое в воде.

Хотя оба полисахарида имеют растительное происхождение, однако играют в клетках растений разную роль: целлюлоза — строительный, конструкционный материал. Поэтому целлюлоза — обязательный элемент клеточной оболочки растений.

Волокна хлопка содержат до 95% целлюлозы, волокна льна и конопли — до 80%, а в древесине её содержится около 50%.

Существующие виды полисахаридов

Это линейные или разветвленные полимеры, мономеры которых соединяются гликозидной связью.

Общая формула: 

Виды полисахаридов:

1. Крахмал — это биополимер, состоящий из остатков глюкозы — первый видимый продукт фотосинтеза. При фотосинтезе крахмал образуется в растениях и откладывается в корнях, клубнях и семенах. Строение молекул крахмала похоже на спираль, которая состоит из шести моносахаридов. Крахмал, полученный из картофеля, является пищевым продуктом, широко известным и активно используемым в кулинарии.

2. Гликоген — основной животный крахмал, базовый запасной углевод человека и животных, встречается также у некоторых дрожжей, бактерий и грибов. Гликоген представляет собой белый порошок, хорошо растворимый в воде. Молекула животного крахмала построена по типу молекулы амилопектина, отличаясь от него большей разветвленностью.

3. Клетчатка (целлюлоза) — это главный структурный полисахарид клеточных стенок растений. Структура клетчатки — линейный полимер. Ее молекула представляет собой неразветвленную вытянутую цепочку моносахаридов, представленных глюкозой. Поперечная связь между цепями препятствует проникновению воды, поэтому клетчатка устойчива к гидролизу.

4. Гепарин — это линейный гетерополисахарид, кислый серосодержащий гликозаминогликан.  Молекула представлена несколькими полисахаридными цепями, которые связаны с общим белковым рядом. Является антикоагулянтом, то есть препятствует свертыванию крови. Хорошо растворим в воде.

5. Пектин — клейкие компоненты, используемые в пищевой продукции в качестве кондитерских добавок. Это общая формула полисахаридов пектинов, которые имеют промышленное обозначение Е440. В организм человека пектины попадают вместе с фруктами и овощами, выполняют функцию нормализации обмена веществ, омоложения и гемодинамики, выравнивания бактериального баланса. Также активно используются в косметологии и медицине.

6. Хитин — главный скелетный полисахарид беспозвоночных животных, а также — компонент клеточной стенки грибов и некоторых зеленых водорослей. Полисахаридные цепи перемежаются слоями белка и образуется очень твердая оболочка.

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.

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.

Области применения полисахаридов

Со средины прошлого столетия полигликозаны выпускают для пищевой отрасли и фармакологии. Но ценные свойства полисахаридов нашли применение в других сферах производства:

• на химзаводах;
• на текстильных фабриках при изготовлении искусственных материалов;
• в гидрометаллургической и микробиологической промышленности;
• при добыче нефти и газа;
• в ядерной энергетике.

Индустрию красоты трудно представить без полисахаридов — гиалуроновой кислоты и инъекционных методов: мизотерапии, биоревитализации, контурной пластики, редермализации, биоармирования.

Использование в области здравоохранения

Ценятся природные соединения полисахаридов за полезные свойства:

• повышают устойчивость организма к инфекциям;
• борются с опухолями.

Полисахариды быстрее заживляют травмы, регенерируют ткани. К тому же уменьшают вред от побочных эффектов лекарственных средств.

Во врачебной практике использование полисахаридов помогает диагностировать сальмонеллез и кандидоз. Декстраны, что вырабатываются отдельными видами микроорганизмов, относятся к заменителям плазмы. Сульфат декстрана применяется для замены гепарина в качестве антикоагулянта. Хондроитинсульфаты входят в состав хондропротекторов, укрепляют хрящи и связки, усиливают подвижность больных суставов.

Востребованы разработки медикаментов, которые содержат хитин – соединение из группы полисахаридов, как наполнитель и действующий компонент. Выпускаются ферментативные средства пролонгированного действия, содержащие декстраны с пониженной аллергичностью. Гликаны – основа при производстве зубных паст.

Полисахариды отвечают за очищение организма от радионуклидов, токсинов. Активизируют работу ЖКТ. Инулин сокращает содержание глюкозы в крови. Показан при диабете и излишнем весе. В хирургии не обойтись без крахмала. Делают специальные повязки, присыпки, обволакивающие лекарственные препараты.

Применение в пищевой промышленности

Популярны гликаны, что добывают из бактерий. Выпуск пищевых пленок предохраняет продукцию от загрязнения, плесени, усыхания, поражения патогенными микроорганизмами. Производятся как стабилизаторы:

• желе;
• мороженого;
• джема;
• сока;
• заправок для салатов;
• сиропа.

Экзополисахариды улучшают качество и свойство пищевых изделий. Добавка в хлеб обеспечивает объем, предохраняет от быстрого зачерствения. Ксантан незаменим в изготовлении молочной продукции.

Полисахариды принадлежат классу органических соединений, применяемых в разных промышленных областях. Многообразие химической природы полисахаридов обуславливает широкий перечень фармакологических свойств и востребованность в косметологии.

Материал основан на следующих источниках

• Кошевая В. Н. и др. Содержание и физико-химические свойства некоторых некрахмальных полисахаридов ржи. – 1978.
• Кадникова И. А. Биотехнология структурообразующих полисахаридов из красных водорослей и морских трав для производства пищевой продукции. – 2009.
• Халилова Г. А. и др. ВЫДЕЛЕНИЕ, ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ПОЛИСАХАРИДА, ВЫДЕЛЕННОГО ИЗ ПЛОДОВОГО ТЕЛА INONOTUS HISPIDUS //Химия растительного сырья. – 2021. – №. 3. – С. 99-106.

Химические свойства

Первым делом стоит рассмотреть химические свойства полисахаридов. Данные компоненты относятся к сложным высокомолекулярным углеводам, они являются полигликозидами, или, другими словами, полиацеталями. Моносахариды связываются в молекулу при помощи гликозидных связей с рядом стоящими структурными элементами цепочки. В кислотной среде под влиянием высокотемпературного режима происходит процесс гидролиза. При полном процессе образуются исходные моносахариды (возможно, их производные). При неполном – олигосахариды, включая дисахариды.

Восстановительные свойства у данного класса углеводов достаточно слабые. Они устойчивы к воздействию щелочей. Вещества обладают уникальной способностью, которую применяют для получения сложных эфиров. Среди основных представителей класса полисахаридов можно выделить крахмал, целлюлозу (клетчатку), гликоген. Общая формула полисахаридов, которая применяется для обозначения данных компонентов – (С6Н10О5)n.

Полисахариды являются распространенной группой веществ, которые имеют природное происхождение. Вырабатываются они растениями и в тканях человека, животных. Это указывает на их активное участие в обменных процессах.

Классификация по числу и строению моносахаридных остатков

В структуре полиозов от двух до двадцати моносахаридов в двух разных формах – пиранозной или фуранозной.

Видео

Ниже имеется таблица со структурными единицами полиозов.

Группа моносахаров	Моносахара
Шестиатомные	Глюкоза
Галактоза
Пятиатомные	Фруктоза
Арабиноза
Ксилоза
Уроновые кислоты	Галактуроновая
Глюкуроновая
Маннуроновая

Различаются гомогликаны (они имеют другое название – гомополисахариды), они имеют в составе цепочки идентичные углеводные составляющие. И, соответственно, если звенья углеводов разные, то элемент получает название гетерополисахарида.

Название группы	Составляющие
Гомополисахариды (или гомополимеры)	Крахмал
Гликоген
Клетчатка
Хитин
Декстран
Гетерополисахариды (или гетерополимеры)	Хондроитин-сульфаты
Гепарин
Инулин
Пектины
Камеди
Слизи
Гиалуроновая кислота