Физические свойства

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

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.

Большинство полисахаридов нерастворимы или плохо растворимы в воде. Чаще всего они бесцветные или желтоватые. В большинстве своем полисахариды не обладают запахом и вкусом, но иногда он может быть сладковатым.

Основные химические свойства

Среди особых химических свойств полисахаридов можно выделить гидролиз и образование производных.

  • Гидролиз – это процесс, который происходит при взаимодействии углевода с водой при участии ферментов или катализаторов, таких как кислоты. Во время такой реакции полисахарид распадается на моносахариды. Таким образом, можно сказать, что гидролиз – процесс, обратный полимеризации.

Гликолиз крахмала можно выразить следующим уравнением:

  • 6Н10О5)n n Н2О = n С6Н12О6

Так, при реакции крахмала с водой под действием катализаторов мы получаем глюкозу. Количество ее молекул будет равно количеству мономеров, образовывавших молекулу крахмала.

  • Образование производных может происходить при реакциях полисахаридов с кислотами. В таком случае углеводы присоединяют к себе остатки кислот, вследствие чего образуются сульфаты, ацетаты, фосфаты и т. д. Кроме того, может происходить присоединение остатков метанола, что приводит к образованию сложных эфиров.

Биологическая роль

Полисахариды в клетке и организме могут выполнять следующие функции:

  • защитную;
  • структурную;
  • запасающую;
  • энергетическую.

Защитная функция заключается прежде всего в том, что из полисахаридов состоят клеточные стенки живых организмов. Так, клеточная стенка растений состоит из целлюлозы, грибов – из хитина, бактерий – из муреина.

Кроме того, защитная функция полисахаридов в организме человека выражается в том, что железами выделяются секреты, обогащенные этими углеводами, которые защищают стенки таких органов как желудок, кишечник, пищевод, бронхи и т. д. от механических повреждений и проникновения болезнетворных бактерий.

Структурная функция полисахаридов в клетке заключается в том, что они входят в состав плазматической мембраны. Также они являются компонентами мембран органоидов.

Следующая функция заключается в том, что основные запасные вещества организмов являются именно полисахаридами. Для животных и грибов это гликоген. У растений запасным полисахаридом является крахмал.

Последняя функция выражается в том, что полисахарид – это важный источник энергии для клетки. Получить ее из такого углевода клетка может путем его расщепления на моносахариды и дальнейшего окисления до углекислого газа и воды. В среднем при расщеплении одного грамма полисахаридов клетка получает 17,6 кДж энергии.

Применение полисахаридов в медицине, химической отрасли, пищевой промышленности

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.

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.

Какие полисахариды характерны для растений

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.

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.

Структура полисахарида

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.

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.

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.

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.

полисахарид это

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.

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

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.

Гидролиз полисахаридов

Это процесс получения производных гликанов:

  • сложных эфиров;

  • простых эфиров.

Направление реакций идет по гидроксильным группам в растворах кислот под воздействием ферментных соединений.

углеводы полисахариды

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).