Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
ГЛАВА 2. ПРИРОДНЫЕ ВЫСОКОМОЛЕКУЛЯРНЫЕ
СОЕДИНЕНИЯ
2.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
2.1.1. Предмет химии природных высокомолекулярных
соединений
Когда мы говорим о макромолекулах, или больших молекулах, то включаем в это понятие огромное разнообразие природных и синтетических органических и неорганических веществ. Значение природных органических макромолекулярных веществ трудно переоценить. В самом деле, весь растительный и животный мир во всем его великолепии и разнообразии, включая и самого человека, состоит из больших молекул. Наша пища, одежда, обувь, окружающие нас предметы и т. д. в значительной степени состоят из макромолекул.
Между макро- и микромолекулярными соединениями («макрос» в переводе с греческого – большой, «микрос» - маленький) резкого разграничения нет. Согласно общепринятым теперь взглядам, макромолекулы содержат 1000 и более атомов и не имеют предела для увеличения. Таким образом, макромолекула – это структурная единица определенного размера и строения, в которой все атомы связаны друг с другом первичными валентными связями [17].
Природные высокомолекулярные соединения, относятся к области органической химии, т.е. к химии соединений углерода. В настоящее время известно свыше 12 миллионов более или менее изученных углеродных соединений, но число возможных изомеров их неограниченно. Удивительно, сколько может существовать изомеров даже для относительно простых углеводородов. Например, должно быть 75 деканов (С10Н22), 2513 пентадеканов (С15Н32) и не менее 21500 эйкозанов (С20Н42). Объяснить это можно уникальной способностью атомов углерода сочетаться самыми различными способами. Кроме того, число изомеров увеличивается у ненасыщенных углеводородов и при наличии в углеродном скелете других атомов, кроме водорода. Можно вычислить, что полипептид, состоящий из 20 различных остатков аминокислот (содержащий С, Н, О, N и S) и имеющий молекулярную массу около 2400 должен иметь 2,4х1018 изомеров [18]. Однако это соединение еще микромолекулярно. Непостижимое число – 101268 изомеров может получиться, когда такое вычисление распространяется на макромолекулярный белок с молекулярной массой 120000. Даже если комбинация из аминокислотных остатков в макромолекуле будет ограниченной, возможности вариации остаются практически бесконечными. Можно только удивляться, как природа, имея в своем распоряжении такое безграничное множество соединений углерода, избирает лишь несколько основных путей, производя все это разнообразие. Например, только такие ненасыщенные полипрены, как натуральный каучук синтезируются определёнными растениями, многие же другие возможности, как, например, синтез полистирола, природа не использует. Несколько тысяч атомов С, Н и О могут быть соединены в бесчисленные макромолекулы, существенно различающиеся по своему составу и строению, однако клетки синтезируют только несколько основных типов макромолекул. Если бы в природе существовали тысячи различных структурных типов, химия высокомолекулярных соединений была бы в сущности невозможна.
Существует всего четыре основных структурных типа макромолекул, наиболее важных для нас:
1) полипрены (каучук, гуттаперча);
2) полисахариды (целлюлоза, крахмал, пектины, гемицеллюлозы);
3) белки (альбумины, гемоглобины, ферменты);
4) нуклеиновые кислоты и нуклеопротеиды.
2.1.2. Некоторые важные свойства природных макромолекул
Все природные высокомолекулярные соединения являются нелетучими твердыми веществами, не имеющими определенных температур плавления. Большинство из них разрушается при температурах выше 300°. Растворимость высокомолекулярных соединений зависит от их состава и строения. Если высокомолекулярные цепи связаны между собой посредством прочных первичных связей, вещество не может растворяться ни в каких растворителях без разрушения. Иначе говоря, такие полярные макромолекулы, как белки, могут растворяться в полярных растворителях – воде или в водных растворах солей, а неполярные полимеры смешиваются с неполярными растворителями (например, каучук с октаном). Растворы всех высокомолекулярных веществ обладают свойствами коллоидов. Самые большие макромолекулы можно увидеть в электронном микроскопе; они осаждаются в сильном гравитационном поле ультрацентрифуги. По существу, различие между малыми и большими молекулами состоит в том, что если в случае малых молекул свойства вещества сильно изменяются с добавлением или замещением одного атома в молекуле, то для высокомолекулярных веществ это, как правило, не характерно. Например, присоединение двух атомов водорода к молекуле этилена превращает тот углеводород в этан, в то время как присоединение одного изопренового остатка к длинной полипреновой цепи каучука заметно не меняет свойств полимера. Чем больше молекулы, тем меньше их свойства зависят от небольших изменений в размере и химическом составе. Кроме того, высокомолекулярные вещества отличаются от простых низкомолекулярных соединений тем, что первые почти всегда полидисперсны, в то время как последние имеют совершенно одинаковые молекулы (монодисперсны). Макромолекулы даже чистейших природных или синтетических высокомолекулярных соединений не бывают совершенно одинаковыми, они более или менее заметно различаются между собой.
2.1.3. Глобулярные и фибриллярные макромолекулы
По форме молекул все природные органические высокомолекулярные вещества можно разделить на два больших класса: глобулярные (сферические) и фибриллярные (линейные) [19].
Глобулярные макромолекулы состоят из сильно разветвленных или плотно упакованных цепей, в то время как фибриллярные макромолекулы простираются в основном в одном направлении. Такие линейные макромолекулы длинные и тонкие, подобно волосу или волокнам шерсти. Представители этих классов макромолекулярных веществ заметно различаются по механическим свойствам, а также по растворимости и вязкости растворов. Фибриллярные макромолекулы являются структурными материалами: целлюлоза в растениях, фибриллярные белки в животных организмах. Прочные ткани не могут состоять из глобулярных белков. Однако такие белки широко распространены в живых тканях – они активно участвуют во всех физиологических процессах:
|
Природные органические макромолекулы |
|
|
Глобулярные |
Фибриллярные |
|
Гликоген |
Целлюлоза |
|
Альбумин |
Каучук |
|
Гемоглобин |
Коллаген |
|
Пепсин |
Нуклеиновые кислоты |
У глобулярных и фибриллярных макромолекул существует определенное различие в химической устойчивости. Первые относительно устойчивы, последние легко расщепляются, например, следами кислорода. Это обусловлено простотой пространственных структур таких белков: нить разрывается значительно легче, чем плотная спираль.
Фибриллярные макромолекулы очень гибки, и в зависимости от условий их можно свернуть или растянуть до различных размеров. Если растягивать каучук, то его макромолекулы удлиняются и ориентируются. В различных растворителях линейные макромолекулы образуют петли и спирали разных размеров. Более того, их молекулярная конфигурация изменяется под действием температуры, так же как под влиянием градиента течения. Свойства такой высокомолекулярной системы сильно зависят от конфигурации входящих в нее единиц.
Конфигурация глобулярных макромолекул более устойчива, чем фибриллярных. Однако по сравнению с малыми молекулами подобного состава большие молекулы, особенно молекулы белков, не обладают очень устойчивой конфигурацией. Специфическая упаковка и вторичные связи между цепями макромолекул могут легко разрушаться, например, при нагревании, облучении ультразвуком, даже при распределении в поверхностном слое или при сильном встряхивании. В этих условиях исключительно плотная глобулярная структура может нарушаться и макромолекула становится линейной. Иногда активированные глобулярные молекулы не разрушаются, а объединяются в большие линейные или разветвленные сверхструктуры. Нарушение природной конфигурации макромолекул называется денатурацией.
2.1.4. Условия выделения природных макромолекул
Органические макромолекулы существуют в растительных и животных тканях как сложные системы, состоящие из многих химических структур различных размеров и форм. Такие классические методы выделения и очистки органических веществ, как осаждение осадителями, кристаллизация, перегонка и т. д., к ним не применимы. При перегонке макромолекулы разрушаются, а при осаждении органическими осадителями при комнатной температуре они могут изменять свою конфигурацию. Некоторое разрушение макромолекулярных структур может происходить даже при измельчении или размалывании клеточного материала. Более того, фибриллярные макромолекулы при кристаллизации адсорбируют некоторое количество низкомолекулярных примесей. Все это объясняет, почему некоторые природные высокомолекулярные вещества, выделенные первыми исследователями химии полимеров были денатурированными или загрязненными, или и денатурированными и загрязненными.
С этой же точки зрения становится важным различать глобулярные и фибриллярные макромолекулы. Первые более устойчивы и очищаются значительно легче, чем длинные и тонкие линейные макромолекулы. Так, относительно чистый гликоген и альбумин были получены давно, а фибриллярный миозин и нуклеиновые кислоты выделены совсем недавно. Причина, по которой с фибриллярными высокомолекулярными соединениями трудно работать как с химическими веществами, зависит от формы их молекул. В растительных и животных тканях фибриллярные макромолекулы соединены в пучки, образующие нить. Длинные и тонкие молекулы в пучках имеют многочисленные точки соприкосновения. В этих местах фибриллярные макромолекулы соединяются между собой различными типами связей. В большинстве случаев это относительно слабые вторичные водородные связи, количество которых велико и макромолекула становится прочной.
Что же касается глобулярных макромолекул, то две такие молекулы имеют лишь несколько точек соприкосновения, что позволяет легко отделить их друг от друга. Поэтому, фибриллярные высокомолекулярные соединения значительно менее растворимы, чем глобулярные. Особенно трудно растворяются такие полярные линейные макромолекулярные соединения, как целлюлоза, шелк и кератины. Объясняется это тем, что между цепями могут действовать водородные, а иногда даже и сильные первичные связи [17].
Помимо плохой растворимости, фибриллярные высокомолекулярные соединения склонны к ступенчатому расщеплению. Штаудингер и другие исследователи доказали, что в присутствии следов кислорода происходит быстрая деструкция каучука даже при комнатной температуре. Вещества, подобные целлюлозе или каучуку, быстро деградируют (т. е. линейные цепи разрываются и образуются более короткие молекулы) даже при интенсивном измельчении, которое часто применяется как предварительная обработка твердых органических веществ для облегчения их растворения. Кроме того, фибриллярные ткани содержат множество фибриллярных и глобулярных макромолекул других видов, а также целый ряд небольших молекул, адсорбированных в разнородной смеси компонентов ткани. Некоторые из этих примесей могут быть катализаторами, ускоряющими гидролитическое расщепление фибриллярных ингредиентов даже при мягкой обработке. Поэтому необходимо учитывать ферментативное расщепление (такое расщепление, например, может встретиться на некоторых стадиях выделения нуклеиновой кислоты). Несмотря на все эти трудности, химики добились значительных успехов даже с такими макромолекулярными системами, как целлюлоза, шелк и нуклеиновые кислоты.
Одним из наиболее существенных факторов для успешного выделения белка без его разрушения является температура. Из охлажденных растворов неустойчивых природных высокомолекулярных соединений выделяют воду вымораживанием или лиофильной сушкой.
Если исходный материал представляет собой плотное твердое вещество, одной из первых стадий процесса выделения из него макромолекул являются размалывание и дробление. При этих операциях возможно некоторое разрушение макромолекул, однако это можно в значительной степени предотвратить путем измельчения материала при охлаждении. Кроме того, во многих случаях установлено, что отсутствие кислорода предохраняет макромолекулярную структуру от разрушения.
2.1.5. Общие методы выделения
Центрифугирование – один из простейших и наиболее важных методов разделения малых и больших молекул [20]. Этот метод основан на законе Стокса для шарообразных частиц, согласно которому скорость оседания V прямо пропорциональна квадрату радиуса частиц r2 и разности плотностей (dр – dт) осаждающихся частиц dр и среды dт и обратно пропорциональна вязкости среды :
V = Kr2g(dр – dm)/
где К – фактор формы частиц (для шара 0,222).
Центрифуга может быть использована как для простого разделения, т. е. для осаждения или флотации только одного компонента, так и для фракционирования. В последнем случае процесс называется фракционным или дифференциальным центрифугированием. Различные компоненты системы разделяются при центрифугировании на различных скоростях. Такие крупные ингредиенты, как клетки или клеточные фрагменты, оседают первыми, т. е. при относительно низкой скорости центрифугирования, равной 3000 – 4000 об/мин. Препаративное разделение макромолекулярных веществ из раствора может быть достигнуто только при помощи ультрацентрифуги, в которой макромолекулы подвергаются воздействию сил тяжести, превышающих нормальную силу тяжести в 100000 раз и более [21]. Очень большие компоненты, например многие вирусы и высокомолекулярные гликогены, могут осаждаться центрифугированием при 10000 – 15000 об/мин. Макромолекулы среднего размера при более высоких скоростях, порядка 30000 – 40000 об/мин, осаждаются медленно.
Следует, однако, подчеркнуть, что существуют определенные ограничения возможностей разделения при помощи этого метода. Относительно хорошее разделение возможно лишь в том случае, если компоненты значительно различаются размерами своих частиц, молекулярными массами или плотностями. Сложные смеси, состоящие из многих компонентов, например сыворотка крови, таким путем хорошо не разделяются. То же справедливо для полидисперсных смесей крахмала или гликогена: наиболее тяжелые фракции осядут первыми, но они не будут однородными. Особенно трудно разделение линейных макромолекул, так как осажденные частицы перепутываются, осажденный материал здесь напоминает гель, удерживающий наиболее легкие компоненты, которые нужно отделить.
Фильтрование, ультрафильтрование, диализ и аналогичные методы [22]. Эти методы можно иллюстрировать на примере просеивания частиц через сита. Следует заметить, что поры в фильтровальной бумаге гораздо меньше и менее однородны, чем отверстия в сите. Обычные материалы, используемые для фильтрования, например, бумажная ткань, фильтровальная бумага или стеклянная вата, имеют неоднородные отверстия, и такие фильтрующие средства характеризуются определенными порами среднего размера. Очень удобны туфовые стеклянные фильтры разных размеров, имеющие различные средние диаметры пор. Для очистки применяют препараты из кизельгура. Слой такого материала можно получить фильтрованием суспензии через туфовый стеклянный фильтр при пониженном давлении. Для тех же целей можно использовать тонкоизмельченный уголь или бумажную массу.
В различных грубых фильтрующих средствах размер пор среднего диаметра варьирует между 0,01 – 0,05 мм, в то время как тонкие фильтры задерживают частицы, имеющие размер приблизительно 0,001 мм. Коллоидные частицы и макромолекулы такими обычными фильтрами не задерживаются, но их частичное фракционирование может быть достигнуто при помощи ультрафильтров. Последние представляют собой гель, обладающий чрезвычайно тонкими каналами или капиллярами, проницаемыми лишь для малых молекул. Наиболее обычными материалами для ультрафильтрования являются целлофан и нитроцеллюлоза (коллодий). Средний размер пор этих ультрафильтров может варьировать в пределах 0,01 – 1 мк. «Твердые» ультрафильтры с размером пор 0,01 – 0,02 мк задерживают как очень большие, так и средние макромолекулы, «мягкие» же ультрафильтры со средним диаметром пор 0,05 – 0,1 мк задерживают только наиболее крупные компоненты.
Диализ является очень важной процедурой в выделении и очистке макромолекулярных соединений. Для этой цели очень удобны целлофановые стаканы. Если раствор высокомолекулярного соединения налить в такой стакан, а стакан погрузить в сосуд с водой, через мембрану будет происходить обмен компонентов. Присутствующие в растворе микромолекулярные примеси будут проходить через целлофан в воду, в то время как часть воды пройдет в стакан. При этом макромолекулы больших и средних размеров останутся внутри стакана. Только самые маленькие из макромолекул, такие как макромолекулы лизоцима, очень медленно проходят через обычную целлофановую мембрану [23]. Диализ используется главным образом для освобождения растворов макромолекулярных соединений от электролитов, например от ионов натрия, сульфата, аммония, хлорида и других ионов, и микромолекулярных неэлектролитов, таких как сахар, мочевина, спирт и т. д. Скорость диализа может быть увеличена перемешиванием и непрерывной сменой воды в наружном сосуде. Облегчает диализ также нагревание, хотя его обычно избегают из-за нестойкости макромолекул, т. е. их возможной денатурации при нагревании. Удаление малых ионов производится также электродиализом. Постоянный ток пропускают через раствор, отделенный от воды полупроницаемыми мембранами.
Фракционное осаждение и экстракция. Эти методы применяются для выделения и очистки всех природных высокомолекулярных соединений. Экстракция может быть использована для двух основных целей: удаления нежелательных примесей и получения некоторого количества высокомолекулярного соединения из твердого исходного материала. Жиры и другие микромолекулярные липиды – наиболее обычные примеси, которые удаляются экстракцией растворителями, не смешивающимися с водой. Однако такие экстракты никогда не бывают чистыми, и их дальнейшая очистка достигается центрифугированием, фильтрованием, осаждением и т. д. Лишь такие грубые примеси, как фрагменты клеток, могут быть удалены центрифугированием и фильтрованием, в то время как микромолекулярные загрязнения устраняются диализом. Остаток, получаемый при этом, обычно представляет собой смесь макромолекул, которая может быть фракционирована более или менее полно путем фракционного осаждения. При фракционировании природных высокомолекулярных соединений используются многие осадители – соли, кислоты, щелочи, спирты, ацетон и т. д. Сульфат аммония, например, рекомендуется для фракционирования белков [24], что обусловлено его высокой растворимостью и способностью осаждать многие белки. Метиловый, этиловый, пропиловый спирты и ацетон служат обычными осадителями как для белков, так и для полисахаридов. Очень часто органические осадители для индивидуального высокомолекулярного соединения используются вместе с некоторыми буферными растворами с определенной величиной рН и определенной ионной силой. Во избежание денатурации такое осаждение обычно проводят при низких температурах (от -5 до 0°С).
Хроматографические методы. Известно несколько типов хроматографических исследований, которые можно разделить на три основные группы, учитывая явления, лежащие в их основе: это – распределение, адсорбция - десорбция и ионный обмен.
В распределительной хроматографии вещества распределяются между двумя несмешивающимися жидкостями благодаря их растворимости в этих средах. Когда между жидкостями без твердой фазы происходит повторное распределение, этот метод называется противоточным распределением. Однако одна из жидких фаз здесь удерживается твердым пористым веществом, которое обычно помещается в вертикальную трубку, а другая жидкость может проходить через колонку сверху вниз. Распределительная хроматография очень эффективна при разделении многих низкомолекулярных веществ, но ее использование для разделения высокомолекулярных веществ ограничено. Однако некоторые белки были успешно разделены этим методом, особенно при предотвращении денатурации на поверхности раздела фаз [25].
Адсорбционная хроматография – первоначальная модификация хроматографии, разработанная еще в 1906 г. русским ученым Цветом, основана на том, что некоторое количество адсорбента, например тонкоизмельченного пористого вещества, имеет неодинаковое сродство к различным веществам. Адсорбция или сорбция обусловливают слабую связь вещества с поверхностью. Для определенных адсорбента и адсорбируемого вещества количество последнего зависит от величины поверхности, концентрации и температуры. Поскольку площадь поверхности зависит от степени измельчения, то чем мельче порошок, тем больше его адсорбционная способность. Кроме того, адсорбция облегчается понижением температуры и происходит полнее в случае разбавленных растворов.
Когда в растворе присутствует несколько веществ, они конкурируют со свободными поверхностями и вещество с самым большим сродством к адсорбенту будет адсорбироваться первым. Если смесь поместить в верхней части колонки, содержащей адсорбент, то первый компонент останется в верхней зоне. Следующим будет адсорбироваться компонент с меньшим сродством к поверхности адсорбента, а некоторые компоненты будут проходить через колонку, совсем не адсорбируясь на ней.
Адсорбированные компоненты можно разделить после того, как из трубки извлечена колонка адсорбента. Ее делят на зоны и элюируют адсорбированные вещества подходящими растворителями. Во многих случаях возможно и прямое элюирование без извлечения адсорбента из трубки. При этом подаваемый сверху растворитель в первую очередь будет вымывать наименее адсорбированный компонент. Вытекающая снизу жидкость собирается в пробирки с помощью фракционного коллектора.
Если вещество, подлежащее разделению, бесцветно, его анализируют путем отбора небольших проб из каждой пробирки и их определением посредством известных аналитических методов (например, спектрофотомерии); затем содержимое пробирок объединяют и выделяют вещество. Если элюат содержит несколько компонентов, то они все будут находиться в разных пробирках.
Адсорбционно-десорбционные методы можно использовать и без применения колонки и последующего элюирования. Например, хорошо известным средством для освобождения растворов различных органических веществ от окрашенных примесей является тонкоизмельченный уголь.
Ионообменная хроматография. Разделение на поверхности ионизированных твердых веществ в настоящее время является наиболее важным методом выделения и очистки высокомолекулярных соединений, поскольку оказалось, что адсорбция очень часто ассоциируется с ионным обменом. Техника ионообменной хроматографии сделалась популярной после введения в практику синтетических смол (дауэкс, кальцит, амберлит, КУ-1, КУ-2, СУ). Эти ионообменники представляют собой полимеры с трехмерной структурой, т. е. длинные макромолекулярные цепи присоединены поперечными связями к нерастворимой сетке или решетке адсорбента, содержащей такие диссоциирующие группы, как - SО3Н, - СООН или - NН2. Эти смолы подразделяются на смолы кислые – катионообменные и основные – анионообменные. Очень важным для ионного обмена является также количество ионогенных групп на единицу массы, так как ионы на поверхности частиц представляют активные участки. Наконец, ввиду того что во многих случаях известную роль играет и адсорбция на поверхностях, важное значение имеют также химические свойства решетки.
На активных участках смолы происходят следующие обменные реакции:
- катионный обмен: RSО3Н + Саt+ = RSО3Саt + Н+
RСООН + Саt+ = RСООСаt + Н+
- анионный обмен: RNH3ОН + Аn- = RNH3Аn + ОН-
RN(СН3)2(СН2СН2ОН)ОН + Аn- =
= RN(СН3)2(СН2СН2ОН)Аn + ОН-
Исходная кислотная или основная смола сначала нейтрализуется, а затем применяется для обмена, например:
RСОONa + Саt+ = RСООСаt + Nа+
или RNH3Cl + An- = RNH3An + Cl-
Поскольку значительная часть природных органических макромолекул представляет собой большие поливалентные анионы, содержащие такие активные группы, как карбоксильные, фосфатные или сульфатные, для разделения природных высокомолекулярных соединений наиболее важны анионообменные, а не катионообменные реакции. В случае таких амфотерных макромолекул, как белковые, последние будут связываться катионообменной смолой при значении рН ниже изоэлектрической точки, т. е. в более или менее сильнокислой среде. Очевидно, что как связывание отдельного компонента в ионообменной колонке, так и его элюирование должны зависеть от кислотности растворов, используемых для обработки. Важна также ионная сила буфера, употребляемого для элюирования. Это объясняется тем, что диссоциация смолоподобного полимера облегчается при высокой ионной силе.
В настоящее время ионообменная хроматография успешно применяется не только для разделения макромолекулярных смесей, но и для деионизации таких растворов. В основу этого процесса положены принципы удаления солей из воды. Смесь анионо- и катионообменных смол помещают в трубку, через которую сверху пропускают раствор. При этом все анионы связываются анионными участками анионообменника, а катионы - катионными участками катионообменника; эквивалентное количество освобожденных ионов ОН- и Н+ соединяется, образуя воду. Неионогенные макромолекулы через колонку проходят свободно. Изготовляются многослойные смешанные ионообменные колонки, которые можно также использовать для деионизации белков. С их помощью, например, сывороточный альбумин освобождается от последних следов электролитов значительно полнее, чем при электродиализе [26].
Разделение путем электрофореза. Заряженные макромолекулы, например, белков, нуклеиновых кислот, пектинов и некоторых других полисахаридов мигрируют под влиянием электрического тока. Скорость электрофореза зависит от числа заряженных единиц, которые несет частица, например молекула белка. Белки, содержащие большое число свободных карбоксильных групп, будут передвигаться к положительному полюсу быстрее, чем белки с меньшим содержанием этих групп [17].
2.2. КАУЧУК И ПОДОБНЫЕ ЕМУ ПОЛИИЗОПРЕНЫ
«Характерной особенностью структуры всех веществ, подобных каучуку, является наличие длинных полимерных цепей. В нерастянутом состоянии цепи обычно плотно свернуты, но они способны к перегруппировке в другие конфигурации и, в частности, способны очень сильно вытягиваться» [27].
Как отмечали Флори [27], Марк [28] и другие исследователи, присутствие длинных беспорядочно свернутых цепей является лишь одним из условий, обеспечивающих замечательное свойство, характерное для каучука – эластичность.
При отсутствии ковалентных поперечных связей между цепями внутренняя подвижность неполярных цепей будет зависеть главным образом от температуры. Чем выше температура, тем более подвижны цепи и их звенья. При очень низкой температуре (в жидком воздухе) каучук кристаллизуется и становится хрупким. Эластические свойства могут быть изменены также сшиванием фибриллярных макромолекул: небольшое количество поперечных связей уменьшает остаточную деформацию и обеспечивает возврат к первоначальному состоянию; в то же время слишком большое количество поперечных связей обусловливает жесткую структуру. В отсутствие поперечных связей эластичность обусловливается большей длиной цепей и упругое восстановление происходит благодаря перепутыванию этих гибких волокон.
2.2.1. Каучук в растительных тканях
Согласно Боннеру [29], существует свыше 2000 видов растений, которые вырабатывают каучук и другие полиизопрены. Однако огромное большинство таких растений содержит эти ненасыщенные углеводороды в очень малых количествах и обычно смешанными с терпенами и восками. Таким образом, полиизопрены распространены в природе гораздо шире, чем это обычно предполагается. Число растений, содержащих значительные количества каучука колеблется в пределах нескольких сотен. В большинстве это тропические растения, к которым относится и бразильская гевея – основной «поставщик» натурального каучука.
Гуттаперчу также дают тропические растения, например Palaquium gutta, Mimusops balata и Achras sapota. Последнее является основным источником чикла, служащего для приготовления жевательной резинки. Чикл представляет собой смесь гуттаперчи и тритерпенолов.
Некоторые растения более богаты каучуком, чем гевея, если содержание каучука вычислять по сухой массе ингредиентов. Например, гваюла (Parthenium argeniatum) и кок-сагыз (Taraxacum kok saghys) содержат свыше 20 % каучука. Существуют старые предания, согласно которым еще древние ацтеки делали резиновые мячи из гваюлы. Что же касается кок-сагыза, то он широко культивировался в Средней Азии.
Поскольку каучук не растворим в воде, в тканях растений он присутствует в микроскопически или коллоидно-диспергированной форме. Млечный сок каучуконосных растений называется латексом. В латексе гевеи частицы каучука имеют в основном яйцевидную или грушевидную форму и их размеры обычно находятся в пределах 0,1 – 2 мкм. В латексе кок-сагыза все частицы каучука сферические и размер их меньше (0,01 – 0,5 мк). Известно, что частицы стабилизированы, т. е. они защищены от коагуляции слоем электрически заряженного белка или липида.
Цель биосинтеза каучука для растения сама по себе не ясна. Так как в растениях нет ферментов, облегчающих разрушение каучука, то он не может быть израсходован как запасное питательное вещество; каучук также не является средством защиты растения. Согласно Боннеру, каучук представляет собой нефункциональный побочный продукт клеточного метаболизма /29/.
2.2.2. Выделение и свойства каучука и гуттаперчи
Латекс гевеи содержит 20 – 60 % каучука и небольшие количества белков, углеводов, фосфолипидов и солей. Выделяют каучук главным образом осаждением кислотами, которые вызывают денатурацию стабилизирующего белка и тем самым агломерацию частиц каучука. Осадок промывают водой, после чего воду отжимают, пропуская его между рифлеными валками. Полученный таким образом продукт почти не окрашен и эластичен; он содержит определенное количество влаги, около 0,5 % белка и небольшие количества фосфолипидов, восков и т. д. Для полного освобождения каучука от воды листы сушат в токе горячего воздуха. Для дальнейшей очистки и фракционирования каучук растворяют в бензоле, гексане или в других углеводородах и осаждают его, медленно добавляя ацетон или спирт при перемешивании жидкости.
Анализ промытых, переосажденных и высушенных фракций указывает на то, что все они имеют один и тот же состав, а именно C5H8. Различие между фракциями состоит только в их средней молекулярной массе и в некоторых физико-химических свойствах, зависящих от этой массы. Все препараты каучука, даже наиболее мягко и осторожно обработанные, представляют собой высокомолекулярные смеси полимеров – гомологов с широким распределением по молекулярной массе; диапазон молекулярных масс в известной мере может быть «сужен» путем фракционирования, хотя даже неоднократно фракционированные компоненты никогда не бывают совершенно однородными в отношении длины молекул.
Каучук – высокоэластичное аморфное вещество; он размягчается при нагревании и кристаллизуется при очень низких температурах.
Было установлено, что каучук представляет цис- полиизопрен, а гуттаперча - транс-изомер:
каучук гуттаперча
Ненасыщенность делает полиизопрены более реакционноспособными, чем другие (предельные) полимерные углеводороды, например, полиэтилен. На макромолекулы каучука слабо действует кислород воздуха; каучук может гидрироваться, а также присоединять серу, галогены и хлористый водород. Важными промышленными препаратами являются также хлорированный каучук и гидрохлорид каучука, который представляет собой химически стойкое насыщенное соединение следующей структуры:
2.2.3. Структурирование каучука (вулканизация)
Макромолекулы растворимого компонента каучука не сшиты поперечными связями и обладают значительной степенью подвижности, которая проявляется в легко осуществляемой деформации. С практической точки зрения чрезвычайно важно улучшать механические и химические свойства материала. Сырой каучук быстро размягчается, на него оказывают влияние свет и кислород, особенно его аллотропная форма – озон. В результате свойства такого каучука из-за естественного и искусственного старения ухудшаются. Следует также учитывать, что для некоторых целей сырой каучук вообще непригоден. Поэтому значительные усилия прилагаются для улучшения свойств каучука. Методы, используемые для этой цели, так же различны, как разнообразны продукты, получаемые из каучука, хотя все работы в конце концов сводятся к структурированию волокнистых макромолекул. Добиться этого можно различными средствами, но особенно важна обработка каучука серой и серосодержащими соединениями. Такой технологический процесс, в котором пластичный каучук превращается в резину («сшивание» гибких макромолекул в трехмерную сетку) называется вулканизация.
С исходным материалом смешивают целый ряд веществ в зависимости от того, какой конечный продукт необходимо получить. Например, каучук для покрышек содержит около 3 % серы, 4 % оксида цинка и 40 – 50 % сажи (наполнитель). Кроме того, в него добавляют небольшие количества стеариновой кислоты, смолы (мягчитель) и т. д. Это делается для улучшения смешиваемости компонентов. Для повышения стабильности каучука к нему добавляют небольшое количество антиоксиданта. Затем смеси придают необходимую форму и осуществляют смешивание нагреванием при определенной температуре. Следует отметить, что при производстве высокоэластичных изделий, таких как хирургические перчатки, сажа не добавляется.
Сера и оксид цинка реагируют с цепями, образуя при этом поперечные связи типа
С—S—С или С—S—S—С или С—S—Zn—S—С
Образование этих межцепочечных связей происходит частично за счет двойных связей, поскольку ненасыщенность каучука при вулканизации полностью не устраняется. Только в нескольких особых случаях, например при холодной вулканизации с помощью однохлористой серы S2C12, реакция протекает следующим образом:
Имеются и некоторые другие возможности, а именно, сшивание серой двух двойных связей одной и той же цепи
или даже образование прямых углерод - углеродных межцепочечных связей. Это подтверждается теми фактами, что структурирование можно увеличить с помощью ядерного излучения высокой энергии.
Резиновые смеси, содержащие большие количества таких твердых наполнителей, как сажа, более тверды, чем смеси без этих наполнителей. В их отсутствие твердость повышают путем увеличения количества серы, используемой для вулканизации, однако при этом снижается эластичность каучука.
низкая степень структурирования высокая степень структурирования
Последнее связано с тем, что при чрезмерном структурировании внутренняя подвижность цепей ограничивается.
Механические свойства твердого каучука (эбонит), вулканизированного 20 – 30 % серы, очень сильно отличаются от свойств шинного каучука, вулканизированного небольшим количеством серы, но содержащего 40 % сажи. В первом случае эластичность теряется из-за химического структурирования, во втором – механическая прочность и износостойкость повышаются без значительной потери эластических свойств. Частицы сажи химически не связаны со структурной сеткой каучука, они могут располагаться между слабо структурированными волокнами и, таким образом, не препятствуют проявлению эластичности.
2.3. ПОЛИСАХАРИДЫ, ЦЕЛЛЮЛОЗА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫЕ
2.3.1. Целлюлоза в природе
Целлюлоза является наиболее распространенным органическим соединением в природе. В противоположность каучуку функции целлюлозы в растительных организмах точно установлены: целлюлоза является основным структурным материалом растений – служит основным веществом, из которого построены стенки клеток.
Кроме целлюлозы имеется много других, более полярных и с более длинными цепями полисахаридов, однако они не могут конкурировать с целлюлозой в качестве структурных материалов, поскольку их макромолекулы менее однородны, чем макромолекулы целлюлозы. Своеобразная структура цепных молекул полисахаридов налагает определенные ограничения на их гибкость, что в растворах частично обусловлено сольватацией. Макромолекулы целлюлозы и ее производных в растворах значительно более растянуты, чем макромолекулы каучука.
Другими основными ингредиентами, сопутствующими целлюлозе в древесине, стеблях, листьях и шелухе, являются различные полисахариды и лигнин. Ткани растений содержат также, кроме воды и минеральных солей, воск, жиры, белки, терпены, таннин и целый ряд других органических веществ. За исключением нескольких особых случаев, например каучуконосных растений, наиболее важными в количественном отношении, помимо целлюлозы, являются пентозаны и лигнин. Содержание лигнина в различных древесных тканях достигает 20 – 40 %, в то время как в соломе, стеблях и шелухе оно составляет 15 – 25 %. Пентозаны и другие подобные им полисахариды более распространены в стеблях и шелухе (20 – 30 %), чем в древесине (7 – 22 %).
2.3.2. Структура, размер и конфигурация макромолекул
целлюлозы
Хотя содержание целлюлозы в некоторых растениях очень высоко, выделение чистой целлюлозы представляет собой довольно трудную задачу. Это обусловлено высокой степенью кристалличности длинных и однородных макромолекул. Различные примеси не только прочно адсорбируются на поверхности микрофибрилл целлюлозы, но они могут быть захвачены и внутрь. Разделение микрофибрилл на отдельные макромолекулы – трудная задача, так как межмолекулярная когезия и водородные связи в волокнах чрезвычайно сильны. При мягкой обработке материал просто не разделяется, а жесткая обработка может привести к разрушению.
Лучшим исходным материалом для целлюлозы высшей степени чистоты является хлопковый пух, древесина же – наиболее важный источник для промышленной целлюлозы. Хлопковое волокно вначале экстрагируют спиртом и эфиром для освобождения от жиров и восков. Затем волокна обрабатывают разбавленным (1%-ным) раствором гидроксида натрия, который облегчает удаление следов лигнина, кислых полисахаридов и белков. Наконец, волокна промывают разбавленной уксусной кислотой и водой. Установлено, что разрушение можно практически исключить, если все эти операции очистки производить в атмосфере инертного газа, например азота. В химической промышленности производство целлюлозы включает обработку древесной щепы, стеблей и т. д. горячим раствором гидросульфита кальция Са(НSО3)2. При этом, помимо некоторого отбеливания, происходят растворение лигнина и большинства других примесей и диспергирование целлюлозы, которая приобретает форму фильтрующейся суспензии.
Химический состав целлюлозы соответствует формуле (C6H10O5)n. Гидролитическое расщепление достигается действием либо ферментов, либо сильных кислот. Конечным продуктом гидролиза целлюлозы является D-глюкоза. Подробными химическими исследованиями Фрейденберга, Хейуэрта, Вильштеттера, Цехмейстера и других установлено, что целлюлоза представляет собой линейный полимер -D-глюкопиранозы:
Степень полимеризации (n) для нативной целлюлозы составляет 1400 – 12500 и зависит от типа растительного сырья. Часть макромолекулы, заключенная в скобки, - это остаток целлобиозы, но он не является отдельным структурным элементом, так как все связи между глюкопиранозными кольцами идентичны. Целлобиоза, а также целлотриоза, целлотетроза и целлогексоза выделены из продуктов частичного гидролитического расщепления; они являются небольшими фрагментами длинных макромолекул, образованных произвольным разделением. Следует помнить, что все остатки в длинных цепях химически идентичны, за исключением двух концевых групп, которые отличаются от других наличием четырех гидроксильных групп вместо трех – при метилировании целлюлозы и гидролизе метилцеллюлозы получается только триметилглюкоза.
Линейные макромолекулы целлюлозы в природных материалах объединяются в длинные макроскопические волокна; например, волокна хлопка имеют диаметр 0,01 – 0,04 мм. Эти волокна состоят из множества тончайших элементарных волокон диаметром 200 А. Такие элементарные волокна состоят из множества линейных макромолекул; каждая макромолекула имеет поперечное сечение только 6 – 7 А. Макромолекулы должны располагаться вдоль оси, т. е. как в пучках, включая некоторое скручивание. Такое расположение приводит к высокой степени упорядоченности, т. е. кристалличности, что подтверждается рентгенографическим анализом.
2.3.3. Производные целлюлозы
Древнейшие способы химической обработки целлюлозы заключались в ее отбеливании и крашении. Например, льняные изделия отбеливались на солнечном свету. Кроме того, «химики» тех времен обнаружили, что предварительная обработка изделий из хлопка или льна щелочными и кислотными растворами облегчала их отбеливание и крашение. Около 150 лет тому назад Джон Мерсер разработал щелочную обработку хлопка и ввел процесс, известный теперь как мерсеризация. Оказалось, что в концентрированных растворах щелочей целлюлоза разбухает и становится более восприимчивой к крашению; кроме того, промытое и высушенное волокно приобретает шелковистый блеск и определенные ценные механические свойства.
В настоящее время обработка целлюлозы щелочью является важной стадией технологии производства вискозного шелка и целлофана. Оказывается, что некоторые из гидроксильных трупп целлюлозы более кислые, чем другие, и водород этих групп замещается на натрий, образуя таким образом алкоксигруппы R – О – Na. На следующей стадии присоединяется сероуглерод, в результате чего алкоксигруппы превращаются в ксантогенатные:
Это введение ксантогенатных групп превращает целлюлозу в полиэлектролит, так как S – Na-связь разрывается, образуя отрицательно заряженную макромолекулу что и приводит к растворению. Регенерация целлюлозы из этих растворов достигается обработкой их кислотой:
В промышленности вискозного шелка и целлофана регенерированная аморфная целлюлоза приобретает необходимую форму после того, как ксантогенат пропустят через узкие фильеры в осадительную ванну, содержащую серную кислоту или соли. Молекулярная масса регенерированной целлюлозы ниже молекулярной массы хлопка или других природных волокон, если кислород исключен неполностью. Если окислительного разрушения не произошло, то степень полимеризации при таких макромолекулярных превращениях не меняется. Превосходная восприимчивость вискозного шелка к различным видам крашения обусловлена аморфностью материала. Частичная ориентация линейных макромолекул сетки происходит при вытягивании или сжатии материала.
При обработке щелочной целлюлозы галогеналкилами образуются эфиры целлюлозы:
Метилирование в водных растворах всегда является неполным и сопровождается определенным разрушением. Поскольку каждый из остатков глюкозы в цепи целлюлозы содержит три гидроксильные группы, конечным продуктом метилирования будет триметилцеллюлоза. Согласно Фрейденбергу, триметилцеллюлоза лучше образуется при обработке целлюлозы натрием и йодистым метилом в жидком аммиаке [30]. Могут быть введены и другие алкильные и арильные радикалы; некоторые из получаемых эфиров целлюлозы имеют важное значение в промышленности. Например, оксиэтилцеллюлоза, содержащая остатки R – О – СН2 – СН2 - ОН, получается действием оксида этилена на щелочную целлюлозу. Менее гидрофильный бензиловый эфир целлюлозы получается при взаимодействии щелочной целлюлозы с хлористым бензилом:
R – O – Na + С1СН2С6Н5 R – О – СН2С6Н5 + NaCl
Особенно интересны полученные производные целлюлозы, содержащие кислотные и щелочные группы, присоединенные через эфирные связи. Карбоксиметилцеллюлоза синтезирована из щелочной целлюлозы и монохлоруксусной кислоты:
R – O – Na + Cl – CH2 – COOH = R – O – CH2 – COOH + NaCl
Это кислотное производное целлюлозы растворимо в воде, обладает высокой адсорбционной способностью и широко применяется как добавка к моющим средствам и в качестве бумажного клея.
Для других целей очень важны производные целлюлозы основного характера, например диэтиламиноэтил целлюлоза (ДЭАЭ), которое широко используется для хроматографического разделения и очистки белков. Диэтиламиноэтил целлюлоза получается из целлюлозы, NaOH и солянокислой соли (2-хлорэтил)диэтиламина:
R – OH + 2NaOH + Cl – CH2CH2 – N(С2Н5)2•НС1
R – О - СН2СН2 – N(С2Н5)2 + 2NaCl + 2Н2О
Поскольку гидратированные группы ионизированы, то ДЭАЭ - целлюлоза действует как анионообменник:
[ - N(C2H5)2 + Н2О - N(C2H5)2H+ + OH-]
Возможности присоединения различных групп атомов через эфирные связи в различных частях большой полифункциональной молекулы целлюлозы безграничны. Однако до сих пор изучено только несколько практически важных реакций.
Ацетат целлюлозы (ацетилцеллюлоза) и нитрат целлюлозы (нитроцеллюлоза) – наиболее важные из эфиров. Ткани и пластики из ацетилцеллюлозы производятся в промышленных масштабах, нитроцеллюлоза в настоящее время применяется главным образом для производства взрывчатых веществ. При производстве ацетатного шелка целлюлозу предварительно обрабатывают уксусной кислотой и затем ацетилируют смесью концентрированной уксусной кислоты, уксусного ангидрида и серной кислоты. Таким путем могут быть введены от 2 до 2,6 ацетильных групп на каждый остаток глюкозы в целлюлозе. Ацетат растворяют в ацетоне и волокно прядут пропусканием раствора через мельчайшие отверстия (фильеры) в шахту, куда подается теплый воздух. Смешанные эфиры – ацетобутират целлюлозы – применяют для производства разнообразных пластиков. Полное ацетилирование чистой целлюлозы достигается путем обработки смесью уксусного ангидрида и пиридина:
[С6Н7О2(ОН)3]n + m(CH3CO)2O → [С6Н7О2(ОСОСН3)3]n
Нитроцеллюлоза - другой важный эфир, выпускаемый промышленностью. Она получается при обработке целлюлозы смесью азотной и серной кислот. При этом нитруется почти до трех гидроксильных групп на каждый ангидроглюкозный остаток, согласно уравнению
R – O – H + HNO3 = R – O – NO2 + Н2О.
Обработка такими сильными кислотами не ведет к значительному разрушению. Это объясняется тем, что нитрование происходит быстро и нитрогруппы стабилизируют макромолекулу по отношению к кислоте. Установлено, что разрушения можно полностью избежать, используя смесь азотной и фосфорной кислот. Различные образцы нитроцеллюлозы характеризуются содержанием в них азота, растворимостью и вязкостью, а также устойчивостью к нагреванию. Нитроцеллюлоза растворима в ацетоне и других кетонах, а также в сложных эфирах, но не растворима в воде и в углеводородах.
Растворы нитроцеллюлозы, подобно растворам других производных целлюлозы, чрезвычайно вязки; среднюю степень полимеризации (и молекулярную массу) можно определить из характеристической вязкости. Штаудингер и Мор [31] показали, что степень полимеризации практически не меняется, если нитрование производить смесью азотной и фосфорной кислот в строго контролируемых условиях.
2.3.4. Ферментативное расщепление целлюлозы
Многие виды бактерий и грибков, а также млекопитающие, способны разлагать целлюлозу на составные части и вовлекать ее в обмен в целом ряде ферментативных реакций. Некоторые низшие живые организмы, например улитки, также производят ферменты, расщепляющие целлюлозу, и способны использовать этот полисахарид как пишу. Гниение растительных остатков в почве и гниение древесины – важные примеры таких процессов. Имеются, например, два типа гниения древесины – бурое и белое. Оба типа гниения вызываются грибками, причем первое – видами грибка, которые предпочитают целлюлозу и не действуют на лигнин, а второе – микроорганизмами, которые используют лигнин и оставляют видоизмененную белую целлюлозу. Эти реакции очень сложны и носят ферментативный характер. Очевидно, что при правильном использовании грибков или вырабатываемых ими ферментов они могут служить средствами удаления нежелательного лигнина из содержащих целлюлозу растительных материалов.
2.3.5. Гемицеллюлозы
В противоположность целлюлозе, представляющей химически вполне определенное вещество, гемицеллюлоза включает целый ряд полисахаридов. Приставка «геми» по-гречески означает «половина», что указывает на меньший размер молекул. Термин «гемицеллюлоза» фактически относится к несколько неопределенному классу полисахаридов, которые наряду с лигнином сопутствуют целлюлозе в растительных тканях. Макромолекулы гемицеллюлоз значительно меньше макромолекул нативной целлюлозы. Одним из факторов, облегчающих растворимость гемицеллюлозы в щелочах, является присутствие в ней кислого компонента, который образует растворимую соль со щелочью; другим фактором, способствующим растворению, является относительно низкая молекулярная масса гемицеллюлозы (обычно между 10000 и 40000).
Основные компоненты в экстрактах гемицеллюлозы: ксиланы и другие пентозаны, уроновые кислоты (например, полиглюкуроновая), маннаны, арабогалактаны и лигнин.
Гемицеллюлозы исследованы еще не полностью. Это объясняется рядом причин: очень трудно изолировать чистый ксилан или арабан; их состав зависит от источника; некоторые из продуктов следует рассматривать как продукты окислительного расщепления целлюлозы. Последнее замечание применимо к некоторым кислым компонентам гемицеллюлозы. Известно, что частичное окисление целлюлозы может происходить под влиянием кислорода воздуха, особенно при облучении ультрафиолетовым светом, а также при отбеливании окислительными агентами – при таком окислении образуются карбоксильные группы. В некоторых гемицеллюлозах, например в соломе, также найдена полиглюкуроновая кислота. По химической структуре полиглюкуроновая кислота очень похожа на целлюлозу, но углерод в положении 6 окисляется в карбоксильную группу в каждом ангидроглюкозном остатке:
Ксиланы более распространены, чем полиглюкуроновые кислоты. Большая часть цепи ксилана состоит из D-ксилопиранозных остатков, которые соединены 1,4--связями:
Наиболее богаты ксиланом кукурузные кочерыжки, овсяная шелуха и древесина бука (28 – 34%).
Чистый маннан представляет собой стереоизомер целлюлозы, т.е. в цепи связаны не ангидроглюкозные, а ангидроманнопиранозные остатки. Маннаны не волокнисты, они представляют собой белые порошки, что указывает на умеренную степень полимеризации. Согласно Хуземану [32], степень полимеризации маннанов ели равна только 160.
При производстве бумаги и целлюлозы часть гемицеллюлоз наряду с лигнином растворяется и таким образом отделяется от целлюлозы; однако другая часть остается. Существует мнение, что определенное количество гемицеллюлозы полезно для качества бумажной пульпы. Для производства волокон и пластмасс гемицеллюлоза не имеет большого значения, так как ее макромолекулярные цепи относительно короткие. В определенных случаях применения очищенной целлюлозы и ее производных, как, например, в случае ДЭАЭ-целлюлозных ионообменников, присутствие растворимой целлюлозы (гемицеллюлозы) очень нежелательно. Очень тщательная обработка производных целлюлозы щелочью и кислотой требуется для удаления последних следов растворимых полисахаридов.
2.3.6. Лигнин
Лигнин является не полисахаридом, а ароматическим полимером, который сопутствует полисахаридам в растительных тканях. Существуют химические связи между лигнином и полисахаридом. Количество и качество лигнина в разных образцах и тканях различны. В древесине сухой сосны, например, содержится 28 % лигнина, часть которого экстрагируется из превращенной в порошок древесины горячим спиртом или аналогичными растворителями. Более полная экстракция требует более жесткой обработки, например, смесью едкого натра и сульфида натрия при высоких температурах.
Лигнин представляет собой желтое или коричневое аморфное вещество с высоким содержанием углерода (62 – 65 %); его спектр поглощения в ультрафиолетовой области указывает на присутствие ароматических групп. Это подтверждено исследованием состава продуктов химической деградации, при которой в зависимости от метода получаются такие вещества, как эвгенол, пирокатехин, фенол, н-пропилгваякол, ванилин и т. д. Фрейденберг доказал, что лигнин представляет собой продукт конденсации кониферилового спирта и подобных ароматических мономеров [17].
Согласно Расселлу [33], лигнин имеет полифлавоновую структуру. Биосинтез лигнина точно неизвестен, но есть достаточно веская причина предполагать, что он образуется в цитоплазме из подобных эвгенолу мономеров, которые полимеризуются в стенках клетки. Лигнин в растительной ткани служит своего рода основным веществом или связывающим материалом и подобно каучуку в обмене не участвует. На лигнин могут действовать только некоторые виды бактерий и грибков.
2.4 КРАХМАЛ И ГЛИКОГЕН
«… Крахмал, его составные части амилоза и амилопектин так же, как и гликоген, - первые природные высокомолекулярные вещества, биосинтез которых нам известен…» [34].
2.4.1. Распространенность в природе и выделение крахмала
и гликогена
Крахмал и гликоген являются важными представителями очень большой и разнообразной группы полисахаридов с разветвленной цепью.
Прежде всего нужно отметить, что термины «крахмал» и «гликоген» охватывают разнообразные классы полисахаридов и что структурно один из компонентов крахмала почти идентичен с гликогеном. В то время как все гликогены имеют сильно разветвленные макромолекулы, крахмал состоит из двух компонентов – разветвленного амилопектина и неразветвленной амилозы, причем, амилопектин более подобен гликогену, чем амилозе.
И крахмал, и гликоген являются резервными веществами: крахмал – в растительных, а гликоген – в животных организмах. В качестве важного резервного вещества крахмал хранится растениями главным образом в семенах, клубнях, корнях и в сердцевине стеблей. Семена обычно содержат 40 – 70 % крахмала, другие части растений – от 4 до 25 %.
Для производства крахмала используется различное сырье: кукуруза, пшеница, рис, картофель, тапиока, аррорут и сердцевина саговой пальмы. Крахмал в растительных тканях встречается в форме отдельных частиц или зерен (диаметром 2 – 100 мкм), поэтому его выделение основано на экстракции размолотого сырья водой. После удаления крупных фрагментов ткани фильтрованием крахмал остается в виде дисперсии, которая медленно осаждается. К экстракту обычно добавляют сернистую кислоту, что облегчает набухание зерен, а также предотвращает рост микроорганизмов и нежелательные ферментативные реакции; кроме того, сернистая кислота способствует отбеливанию продукта.
Зерна крахмала из различных источников отличаются по размерам и структуре, а также по своим оптическим свойствам. Они являются оптически анизотропными и частично кристаллическими. При повышенной температуре (55 – 80 °С) зерна крахмала настолько набухают, что распадаются, образуя коллоидный раствор крахмала – клейстер.
Наивысшее содержание амилозы было найдено в луковице лилии – 34% от общего количества крахмала, в то время как крахмал восковидной кукурузы амилозы лишен [29].
Разделение амилозы и амилопектина можно проводить различными методами, например осаждением амилозы бутанолом. Тонкоизмельченный крахмал вначале экстрагируют метанолом для удаления жиров. Затем материал суспендируют в воде и растворяют при нагревании под давлением. После удаления грубых примесей амилозу осаждают насыщением горячего раствора н-бутиловым спиртом. Смесь размешивают и затем медленно охлаждают, что вызывает постепенное осаждение амилозы. Амилопектин при этом остается в растворе. Крахмал можно также растворить и фракционировать в жидком аммиаке и формамиде. При таких обработках разрушения макромолекул не происходит.
Наиболее простая и самая чувствительная реакция на амилозу, амилопектин и гликоген – реакция с иодом. Амилоза дает с иодом интенсивную синюю окраску, комплекс амилопектина с иодом окрашен в светлый сине-фиолетовый цвет, комплекс гликогена с иодом – в коричнево-красный. Аналогичные коричнево-красный и желтый цвета дают с иодом продукты частичного расщепления крахмала, так называемые декстрины. Клатратные комплексы крахмала с иодом изучены достаточно [8, 17].
Гликоген содержится в тканях животных. Одним из наиболее богатых источников, содержащих около 2 – 8 % гликогена, является печень. Содержится гликоген и в мышцах млекопитающих, беспозвоночных, а также в органах низших животных и даже в микроорганизмах. Во всех случаях гликоген у животных является резервным углеводом, участвующим в обмене веществ в целях освобождения энергии.
Гликоген из тканей можно выделить различными методами. Старый метод экстракции горячей щелочью заменен более мягкими методами, например, экстракцией водой или разбавленным холодным раствором трихлоруксусной кислоты. В последнем случае получаются препараты с наибольшими молекулярными массами и с большей однородностью, чем при экстракции жесткими старыми методами. Поскольку трихлоруксусная кислота осаждает белки, в растворе остаются лишь гликоген и некоторые низкомолекулярные соединения. В дальнейшем раствор очищают различными способами. Гликоген из него можно избирательно осадить спиртом и очистить повторным растворением и переосаждением.
Существуют определенные типы гликогенов. Гликогены низших животных ближе к амилопектину, чем гликогены высших животных. Кроме того, определенная часть гликогена, присутствующая в ткани, не экстрагируется. Этот «остаточный гликоген» метаболически более активен, чем экстрагируемый, и, по всей вероятности, связан с белками [35].
2.4.2. Молекулярная масса и структура амилозы,
амилопектина и гликогена
Химический состав амилозы, амилопектина и гликогена выражается простой формулой (С6Н10О5)n. В результате полного кислотного гидролиза всех трех полисахаридов образуется D-глюкоза, а при ферментативном гидролизе – главным образом мальтоза. Следовательно, цепи во всех трех полисахаридах построены из -D-ангидроглюкозных остатков.
Гидролиз полностью метилированного амилопектина дает около 4 % тетраметилглюкозы, а также большое количество триметилглюкозы. Это указывает на то обстоятельство, что цепи амилопектина или короткие, или разветвленные, так как тетраметилглюкоза может образоваться только из концевых остатков глюкозы. Еще больше тетраметилглюкозы получается из продуктов гидролиза метилированного гликогена, в то время как полностью метилированная амилоза дает только следы концевой глюкозы. Следовательно, макромолекулы гликогена еще более разветвлены, чем макромолекулы амилопектина, тогда как цепи амилозы не разветвлены вовсе. Имеется множество других химических доказательств, подтверждающих вывод о том, что в амилозе цепи состоят из -D-ангидроглюкопиранозных звеньев, которые соединены посредством 1,4-связей:
Результаты эксперимента подтверждают ранее сделанный вывод о том, что молекулы амилопектина разветвлены и ветвление осуществляется через 1,6-связи следующим образом:
В амилопектине средняя длина неразветвленной цепи равна 18 – 27 глюкозным остаткам, в то время как в гликогене она составляет только 8 – 16 остатков. Препараты амилопектина и гликогена гетерогенны не только в отношении молекулярной массы, но и в отношении степени разветвления. Доказано также, что внутренняя часть макромолекулы гликогена более разветвлена, чем наружная. Определено, что внутри макромолекулы на каждые 3 – 4 остатка глюкозы имеется одна точка разветвления, тогда как неразветвленные сегменты на поверхности макромолекулы не менее длинны, чем сегменты в амилопектине.
Известно, что молекулярная масса амилозы значительно меньше молекулярной массы амилопектина. Однако Хуземан показал, что молекулярная масса амилозы равна приблизительно 1000000. Надежную молекулярную массу неизмененной амилозы получить нельзя, поэтому амилозу ацетилировали в очень мягких условиях (при – 15°) и молекулярная масса соответствующих ацетатов определяли методом светорассеяния.
Таблица 8.
|
Источник |
Молекулярная масса, Мх106 |
Средняя длина цепи |
|
Печень кошки |
10,0 |
13 |
|
Печень плода овцы |
14,8 |
13 |
|
Акула |
3,6 |
12 |
|
Tetrachymena (простейшее) |
9,8 |
13 |
|
Продолжение таблицы 8 |
||
|
Anodonta (моллюск) |
6,1 |
|
|
Mytilus edulis (моллюск) |
3,8 |
12 |
|
Aerobacter aerоgenes (бактерии) |
9,2 |
|
|
Дрожжи |
2,4 |
13 |
2.5. ПЕКТИНЫ
«Пектины» или «пектиновые кислоты», представляют собой водорастворимые полигалактуроновые кислоты с различными степенями этерификации метильными группами и нейтрализации, обладающие коллоидными свойствами и способностью к образованию в определенных условиях гелей с сахарами и кислотами [36].
2.5.1. Распространенность в природе, структура и размер молекул
Термин «пектин» происходит от греческого слова «пектос», что означает застывший. Это понятие охватывает целую группу полисахаридов. В эту группу включены производные полигалактуроновой кислоты, определенное количество других полисахаридов, часто сопутствующих полигалактуроновой кислоте, особенно арабанов и нейтральных галактанов, нерастворимый «протопектин» стенки клетки.
Пектины найдены во всех высших растениях как в стенках клеток, так и в межклеточных прослойках. Они, по-видимому, играют роль цементирующего материала, из которого образуется значительная часть структур. Если прямые целлюлозные волокна, подобно стальному каркасу здания, составляют основную структурную решетку, то фибриллярные пектины служат материалами для структурных деталей. Кроме того, пектины, вероятно, имеют некоторое функциональное значение. Поскольку пектины электрически заряжены, они взаимодействуют с другими электрически заряженными ингредиентами тканей. Например, в стенках клеток они, по-видимому, оказывают влияние на проницаемость ионов. Пектины также присутствуют в корнеплодах и стеблях, во фруктах, где их содержание меняется в процессе созревания. Следовательно, пектины играют важную роль в метаболизме резервных веществ. Одними из наиболее богатых источников пектина являются лимон и апельсиновая корка, содержащие около 30 % этого полисахарида. Этим веществом богаты яблоки, турнепс, свекловичная масса и флоэма многих деревьев. Кроме того, было найдено, что свыше 5 % пектина содержит цветущий хлопок, но когда хлопок созревает, количество пектина уменьшается до 0,8 %.
В промышленности пектины экстрагируют из корок цитрусовых плодов, яблочной выжимки или сахарно-свекловичной массы. Пектины применяются в пищевой промышленности для приготовления желе. Экстракцию производят разбавленными кислотами или водой; экстрагированные пектины очищают путем переосаждения спиртом. Чем более жестки условия экстракции, тем выше выход, но в большей степени разрушаются макромолекулы пектинов. Щелочная экстракция дает нежелеобразные соли полигалактуроновых кислот, которые используются как загустители.
Полный гидролиз пектина приводит к D-галактуроновой кислоте и метиловому спирту. Это указывает на то, что полисахарид представляет собой метиловый эфир полигалактуроновой кислоты. Кроме того, при полном гидролизе могут образоваться небольшие количества галактозы, арабинозы, а также уксусной кислоты. Арабиноза и галактоза образуются из присутствующих примесей полисахаридов, тогда как уксусная кислота образуется из некоторых ацетильных групп. Степень ацетилирования обычно очень низкая, причем она зависит от источника пектина. Так, пектин из свекловичного сахара содержит несколько процентов ацетильных групп, тогда как в пектине из цитрусовых плодов и яблок они практически отсутствуют. Участок частично метилированной цепи полигалактуроновой кислоты пектина можно представить следующим образом:
Средние молекулярные массы пектинов находятся между 20000 и 400000. Возможно, что молекулярная масса нативного протопектина в растительной ткани намного выше значений молекулярной массы, полученных для растворимых продуктов. Широкие пределы, в которых изменяются молекулярные массы растворимых образцов, могут быть обусловлены разрушением в процессе выделения или методом исследования.
2.5.2. Застудневание пектина
Наиболее характерной особенностью пектинов является их способность образовывать гели. Это важно не только для их применения в пищевой промышленности, но и для общего понимания механизма гелеобразования.
Было установлено, что, чем длиннее цепи пектина, тем выше его способность образовывать гель. Эта способность определяется минимальной концентрацией, при которой может происходить гелеобразование, или твердостью геля при одинаковых концентрациях пектинов. Однако здесь необходимо учитывать и такие факторы, как кислотность растворов, присутствие неорганических катионов и особенно степень этерификации карбоксильных групп. Относительно простым и понятным является, например, случай с гелями из пектата кальция, так как можно предположить, что кальций (или другие многовалентные катионы) связывают цепи ионными связями:
В этом случае высокая степень этерификации карбоксильных групп мешает гелеобразованию. Однако в отсутствие кальция образованию геля благоприятствует высокая, а не низкая степень этерификации. Предполагается, что в этом случае гелеобразование обусловлено гидрофобностью эфирных групп, которые имеют тенденцию ассоциироваться. Поскольку цепи относительно жесткие, эта ассоциация не может быстро происходить между сегментами одной и той же цепи; скорее она происходит между соседними цепями, которые сталкиваются в растворе. Таким образом, процесс гелеобразования напоминает кристаллизацию. Добавление сахара или глицерина, вероятно, вызывает частичную дегидратацию пектина, благоприятствуя таким образом ассоциации сегментов.
2.6. КАМЕДИ И СЛИЗИ.
ПОЛИСАХАРИДЫ МОРСКИХ ВОДОРОСЛЕЙ
«Камеди являются как бы защитным механизмом, при помощи которого растения изолируют поврежденные части, предохраняя себя от действия микроорганизмов. Сложные структуры этих смол, конечно, должны обеспечивать хорошую защиту, так как для их разрушения необходимы высокоспецифические ферменты» [37]
Растительные камеди и слизи представляют собой макромолекулярные полисахариды, образующиеся при гидролизе гексоз, пентоз и их производных. Химический состав и структура этих полисахаридов обычно более сложны, чем в ранее описанных случаях.
2.6.1 Гуммиарабик
Гуммиарабик представляет собой высохший сок из коры акации, разновидности которой произрастают в Судане и других областях Северной Африки и Ближнего Востока. Гуммиарабик является одним из давно известных связующих веществ и загустителей, и его значение почти не уменьшилось, несмотря на применение в настоящее время других природных и синтетических высокомолекулярных веществ. Производство гуммиарабика составляет 22700 т/год.
Согласно Херсту [38], макромолекулы гуммиарабика разветвлены, и различные ангидромонозы (арабиноза, галактоза, глюкоза, рамноза, глюкуроновая кислота) связаны 1,3-, 1,4- и 1,6-глюкозидными связями:
Клеящие свойства гуммиарабика указывают на разветвленную структуру макромолекул, что справедливо также для разветвленного амилопектина. Молекулярные массы гуммиарабика составляют 200000 – 250000.
Гуммиарабик является полностью аморфным. Его макромолекула, по данным светорассеяния, представляет собой жесткую спираль.
2.6.2. Трагакант, карайя и другие камеди
Трагакант, подобный гуммиарабику, является одним из первых природных полимеров, который применялся раньше в технологии и фармакологии. Он представляет собой высохший сок, выделяемый кустарником вида Astragalus, который принадлежит к семейству бобовых. Подобно гуммиарабику, трагакант медленно вытекает из поврежденных мест коры растения.
Трагакант – это роговой, слегка окрашенный материал, который разбухает и частично растворяется в воде. Его растворимая часть называется трагакантином, или трагакантиновой кислотой, а нерастворимая – бассорином. Трагакантин является полиэлектролитом, обладающим высокой вязкостью, которая зависит от рН и ионной силы. Молекулярная масса растворимого трагакантина составляет 840000.
Растворимый трагакантин состоит главным образом из глюкуроновой кислоты и L-арабинозы. Кислая часть, по-видимому, построена из цепей, состоящих из остатков D-галактуроновой кислоты. Некоторые карбоксильные группы метилированы, а несколько L-фукопиранозных и D-ксилопиранозных остатков прикреплены к главной цепи. В продуктах гидролитического расщепления полисахарида, помимо галактуроновой кислоты, найдены D-ксилоза, L-фукоза, D-галактоза и L-арабиноза.
Трагакант получают в значительных количествах и широко используют в качестве загустителя и эмульгатора, а также в качестве основы для косметических и фармацевтических кремов и паст, как стабилизатор в пищевой промышленности и т. д.
Карайя – новая камедь, имеющая техническое значение. Она выделяется из тропических деревьев Sterculia urens, произрастающих главным образом в Индии. Карайя применяется в пищевой промышленности и как слабительное. Эта камедь представляет собой слабокислый высокомолекулярный полисахарид очень сложной структуры. Количественный анализ продуктов гидролиза показывает присутствие D-галактуроновой кислоты (43 части), D-галактозы (14 частей) и L-рамнозы (15 частей). Анализ очищенной карайи из Sterculia setigera дает другие результаты: D-галактуроновая кислота (8 частей), D-галактоза (5 частей), L-рамноза (5 частей) и D- тагатоза (1 часть). Это первый случай, когда тагатоза была найдена в природном продукте. Карбоксильные группы полисахарида частично нейтрализованы, а некоторые спиртовые гидроксилы этерифицированы ацетильными группами. Молекулярная масса карайи составляет около 9000000. Подобно трагаканту, карайя разбухает в воде, образуя полупрозрачный гель. Полное растворение достигается кипячением раствора и сопровождается частичным гидролизом.
Камеди выделяются не только упомянутыми тропическими и субтропическими растениями, но также вишней и сливой. Камедь чернослива имеет сильно разветвленную структуру, в которой многие относительно короткие боковые цепи прикреплены к одной главной цепи. L-Арабиноза, D-галактоза, D-глюкуроновая кислота и другие компоненты найдены в продуктах гидролиза.
2.6.3. Слизи
Термин «слизи» обычно применяется для обозначения сложных полисахаридов, которые выделяются из семян, стеблей и других частей растений. Резкую границу между камедями и слизями провести нельзя. Последние обычно полностью растворимы, и полученные растворы быстро не затвердевают, хотя и обладают большой вязкостью. Химически слизи отличаются от камедей тем, что последние являются высокозаряженными полиэлектролитами, в то время как слизи лишены карбоксильных групп. Заслуживают внимания слизи из бобов белой акации и хьюара (Cyamopsis tetragonoloba Taub.). Бобы белой акации получают из стручков растения Ceratonia siliqua L., которое произрастает на побережье Средиземного моря. Хьюар, стручки, которого напоминают земляной орех, культивируется в Индии и в южных штатах США. Полисахариды экстрагируют из измельченного исходного материала водой и очищают переосаждением 40 %-ным спиртом. Химическое исследование показало, что они представляют собой галактоманнаны. В результате гидролиза полисахарида из бобов белой акации образуется 80 % D-маннозы и 20 % D-галактозы, в то время как камедь из бобов хьюара дает 65 % маннозы и 35 % галактозы. Маннопиранозные кольца составляют главную цепь, к которой в виде коротких частей присоединены галактозные звенья. Выступающие D-галактозные звенья в маннозной цепи делают молекулу высокогидратированной вследствие ассоциации ее с большим количеством воды.
Практическое применение полимерных разветвленных га-лактоманнанов основано на том, что они способны повышать вязкость системы, не вызывая ее желатинизации. Однако растворы этих полимеров могут вызывать желатинизацию при добавлении к раствору небольшого количества буры. Это происходит в результате образования комплекса между боратом и двумя парами гидроксильных групп в разных макроцепях.
Слизи, экстрагируемые из различных материалов, например из семян льна, представляют собой смесь нескольких сложных полисахаридов. Галактуроновая кислота, L-галактоза, L-рамноза и D-ксилоза – моносахариды, полученные при полном гидролизе слизи из семян льна. Аналогичное строение можно предположить для слизи, экстрагированной из флоэмы побега вяза. Вязкая слизь из коры (Hubiscus esculentus) также состоит из галактозы, галактуроновой кислоты и рамнозы.
2.6.4. Агар и другие полисахариды морских водорослей
Морские водоросли содержат ряд интересных полисахаридов, которые не найдены в растениях, произрастающих на суше. Помимо обычной целлюлозы, красные морские водоросли содержат большие количества серосодержащих полисахаридов кислой природы, особенно агара (называемого также агар-агар) и карагенина. Большое количество технического агара производит Япония, где некоторые сорта агара и другие полисахариды морских водорослей являются важными пищевыми продуктами.
Высушенный агар – это вполне плотный волокнистый материал, который разбухает в холодной воде и растворяется при кипячении. Эти растворы очень вязки и обладают замечательной способностью образовывать гели. Твердые гели получаются с 1 – 2 % агара, но гелеобразование наблюдается даже с 0,2 - 0,3 % полисахарида, на чем основаны многие случаи применения агара.
Согласно химическим исследованиям, D- и L-галактозы являются главными составными частями линейных макромолекул, причем некоторые спиртовые гидроксильные группы цепи этерифицированы серной кислотой – на каждые 5 – 10 галактозных звеньев, связанных главным образом 1,3-глюкозидными связями, приходится одна сульфатная группа. Большая склонность к застудневанию объясняется структурированием цепи посредством сульфатных групп и многовалентных катионов, например кальция:
Карагенин выделяется из красных морских водорослей (главным образом из Chondrus crispus, иногда называемой «ирландский мох»), распространенных у побережья Северной Америки и Европы. Карагенин составляет около 80 % сухого веса морских водорослей и в значительной степени заменяет как структурный материал целлюлозу. Чистый карагенин представляет собой белый порошок, растворимый в горячей воде. Его растворы меньше застудневают, чем растворы агара, что можно объяснить высоким содержанием сульфатных групп. Макромолекулы карагенина состоят из остатков галактозы, связанных, как и в агаре, через 1,3-углеродные атомы. Выступающие объемистые сульфатные группы могут препятствовать ассоциации цепи по стерическим причинам, а также в результате электростатического отталкивания. Растворы карагенина – правовращающие, в то время как растворы агара являются левовращающими. Карагенин – высокомолекулярное вещество, и его молекулярная масса выше 1000000. Десимметрия, изученная с помощью метода светорассеяния, показывает, что макромолекулы карагенина напоминают палочки средней длины 3700 А.
Альгин – один из наиболее важных полисахаридов морских водорослей. Он найден в различных видах бурых морских водорослей, особенно в бурой водоросли Macrocystis pyrifera, из которой экстрагируется содой. Альгин представляет собой натриевую соль альгиновой кислоты, которая в виде смешанных солей кальция, магния и других металлов составляет большую часть стенок клетки. Химическое исследование показало, что линейные макромолекулы альгиновой кислоты построены, из остатков -D-маннуроновой кислоты, связанных через 1,4-углеродные атомы. Таким образом, макромолекулы альгиновой кислоты и альгин напоминают пектин. Однако растворы альгина, хотя и очень вязкие, менее склонны к гелеобразованию, чем растворы пектина. Хотя альгин осаждается из растворов или они застудневают при добавлении кислоты или кальциевых солей, их применяют не для приготовления желе, а главным образом в качестве стабилизаторов и загустителей. Особенно пригоден для этой цели пропиленгликольальгинат, так как он не осаждается из кислых растворов. Пропиленгликольальгинат нетоксичен и широко используется как стабилизатор для сливочного мороженого, для концентратов апельсинового сока, как приправа для салатов, пудингов типа дрочены, сыров и других пищевых продуктов. Помимо этого, альгин и пропиленгликольальгинат применяют как гидрофильные ингредиенты в качестве основ для лечебных и косметических мазей, таблеток, а также при зубном протезировании, Альгин находит применение в производстве типографских красок, тканей, бумажной массы и т. д.
Альгин является полимолекулярным и его молекулярные массы примерно равны 47000 – 370000.
2.6.5. Декстраны
Декстраны представляют собой один из многих типов полисахаридов, синтезируемых микроорганизмами. Интерес к ним определен следующими факторами: определенные фракции частично гидролизованных декстранов можно использовать в качестве заменителей плазмы крови; декстраны легко доступны в чистом состоянии, и с ними легко обращаться. Бактерии Leuconostoc mesenteroides и аналогичные им легко культивируются в растворах сахарозы, содержащих другие питательные среды. Они синтезируют весьма разнообразные макромолекулы однородной структуры.
Макромолекулы декстрана построены из глюкоз, соединенных -1,6-глюкозидными связями. Цепи декстранов разветвлены, и на каждые 10 - 12 остатков глюкозы в среднем приходится одно разветвление.
Молекулярная масса гидролизованных декстранов находится в пределах 20000 – 250000. Характеристическая вязкость растворов декстранов показывает, что макромолекулы декстрана сильно свернуты в спираль и гибки.
2.7. ЛИНЕЙНЫЕ ПОЛИСАХАРИДЫ ЖИВОТНОГО
ПРОИСХОЖДЕНИЯ
Помимо ранее упоминавшихся гликогенов, существует большое количество полисахаридов, содержащихся в животных тканях – мукополисахаридов, представляющих собой аминодезоксиполисахариды, т. е. содержащие азот. Полисахариды крови содержат даже некоторые аминокислоты, представляя таким образом мостик между полисахаридами и белками.
2.7.1. Хитин
Имеются две главные скелетные системы, которые поддерживают клеточную структуру животных тканей – коллагеновые и хитиновые. Кол-лагеновый скелет преобладает у млекопитающих и других высших живых организмов, причем он откладывается на фосфате кальция. Хитин очень часто встречается у низших живых организмов, например у ракообразных и насекомых, где хитиновые структуры делаются твердыми благодаря отложениям карбоната кальция. Другие азотсодержащие полисахариды, например хондроитинсульфаты и гиалуронаты, тесно связаны со скелетными веществами. Коллаген является белком, и коллагеновый скелет имеет внутреннее мезодермальное происхождение, тогда как хитин – экзодермального происхождения и образует главным образом наружные оболочки, кутикулы и т. д. Однако следует указать на то, что роговое вещество насекомых и ракообразных представляет собой не чистый хитинкарбонат кальция, а сложную структуру. Хотя роговой слой этих кутикул является более или менее чистым хитинкарбонатом кальция (содержащим пигменты и небольшие количества других органических веществ), внутренние слои кутикулы содержат также белок. Кроме того, не все низшие живые организмы имеют только хитиновые скелеты; хитин встречается в гидроидных полипах, но не в гидроидных медузах, где преобладает коллаген. Существует также несколько типов слабо различающихся хитинов. У головоногих (моллюски, крабы, осьминоги) - и -хитины могут быть различными в разных частях тела. -Хитин заменяет коллаген, тогда как -хитин найден в соединении с коллагеновыми структурами. Хитин найден также в низших растениях, например мицелии и спорах грибов; присутствие хитина или целлюлозы в стенках клетки считается критерием для установления филогенетической связи между разновидностями этих организмов.
Наиболее удобно получать хитин из панцирей крабов или омаров, содержащих 20 – 25% хитина и около 70% карбоната кальция. При полном кислотном гидролизе хитина образуются эквимолярные количества D-глюкозамина и уксусной кислоты; выделение N-ацетил-D-глюкозамина при более умеренном кислотном или ферментативном гидролизе указывает на то, что цепи хитина состоят из этих N-ацетил-D-глюкозаминных звеньев:
Ферменты, способствующие гидролитическому расщеплению хитина, найдены в некоторых бактериях и плесенях, встречающихся в морских отложениях, почве, кишечнике морских животных и в улитках.
2.7.2. Хондроитинсерные кислоты
Хондроитинсерные кислоты представляют собой мукополисахариды, найденные в различных тканях животных, например хряще, растущей кости, сухожилиях, сердечных клапанах, кровеносных сосудах и коже.
Один из наиболее богатых источников полисахаридов (20 – 40%) – хрящ носовой перегородки, но выделение чистой природной хондроитинсерной кислоты – нелегкая задача, так как оно включает разделение двух фибриллярных высокомолекулярных соединений – хондроитинсерной кислоты и коллагена. Наилучшим методом выделения оказалась экстракция концентрированным раствором хлорида калия.
В результате полного гидролиза хондроитинсерной кислоты образуются D-глюкуроновая кислота, серная кислота, уксусная кислота и 2-дезокси-2-амино-D-галактоза (хондрозамин). Все эти вещества входят в состав обычного прозрачного хряща, тогда как хондроитинсерная кислота, вместо глюкуроновой кислоты содержит L-идуроновую кислоту:
Представленная выше формула изображает лишь небольшую часть макромолекулярной цепи в кислоте, которая вследствие присутствия сульфатных групп должна быть сильной кислотой. В тканях кислые группы нейтрализованы неорганическими катионами или основными аминогруппами белков, особенно коллагена. Однако возможность экстракции кислот раствором хлорида калия указывает на то, что связи с белками непрочные.
Молекулярная масса чистой хондроитинсерной кислоты составляет примерно 50000. Этот результат был получен на препарате натриевой соли хондроитинсерной кислоты, выделенной из гиалинового хряща быка. Если же сопровождающий белок не удален, то получается очень высокая молекулярная масса, равная 4000000.
2.7.3. Гиалуроновая кислота и другие мукополисахариды
Гиалуронаты – соли гиалуроновой кислоты – являются важными компонентами основных веществ, т. е. желеподобных межклеточных веществ ткани, цементирующих вместе волокна и клеточные структуры. Гиалуронаты выделяются, например, из кожи, сухожилий, стекловидного тела, пуповины и петушиного гребня. Основное вещество имеет большое значение не только как структурный компонент, но и как среда, регулирующая распределение метаболически важных веществ в тканях.
При полном гидролитическом расщеплении гиалуроновой кислоты образуются D-глюкозамин, D-глюкуроновая кислота и уксусная кислота. Дополнительное химическое изучение привело к выводу, что N-ацетил-D-глюкозамин и D-глюкуроновая кислота составляют звенья линейной цепи, т.е. основное дисахаридное звено в макромолекулах, по всей вероятности, представляет собой N-ацетилглюкуронидоглюкозамин.
Среднечисловая молекулярная масса гиалуронатов найдена равной 270000, а среднемассовые молекулярные массы подобных препаратов составляют 340000 – 500000.
2.7.4. Гепарин
Гепарин, как показывает его название, находится в печени, хотя его содержание только около 100 мг на 1 кг ткани. Легкое, селезенка, щитовидная железа и мышцы также содержат небольшие количества гепарина, в то время как его содержание в крови значительно ниже, чем в указанных органах. Гепарин является мощным антикоагулянтом крови и играет важную роль в предотвращении образования тромбов.
Молекулярная масса чистого гепарина равна приблизительно 20000, т. е. значительно ниже молекулярных масс ранее упоминавшихся полисахаридов.
Продукты гидролиза гепарина содержат D-глюкуроновую кислоту, D-глюкозамин и серную кислоту. Одна из кислотных функций серной кислоты оказывается этерифицированной несколькими гидроксилами или связанной с аминогруппами глюкозаминов. Поскольку в этой связи нейтрализована только одна из кислотных функций, а большинство пиранозных звеньев содержит две ионогенные сульфатные группы, полисахарид обладает чрезвычайно высокой плотностью электрического заряда. По-видимому, это один из факторов, которые обеспечивают веществу потенциальную антикоагулирующую способность.
Часть цепи гепарина можно представить следующей формулой:
Поскольку гепарин может инактивироваться, т. е. теряет свою антикоагулирующую способность, без заметного изменения состава и молекулярной массы, предполагается, что активная форма гепарина содержит несколько внутримолекулярных сульфатных мостиков типа:
Инактивацию уксусной кислотой можно представить себе как гидролитическое расщепление этих мостиков.
Известно несколько других нативных мукополисахаридов, обладающих антикоагулирующей способностью, хотя и в меньшей степени, чем гепарин. Наиболее важной из них является хондроитинсерная кислота.
2.7.5. Полисахариды крови
Вещества крови – это термин, который отсылает нас к любому из ряда веществ в эритроцитах или на их поверхности, присутствующих в одних самостоятельных видах и отсутствующих в других. Эти вещества являются антигенами, т. е. они могут вызывать образование антител.
Поскольку эти макромолекулярные вещества находятся в крови и тканях в низких концентрациях и ассоциируются с другими большими и малыми молекулами, их выделение представляет собой трудную задачу. Наиболее богатый источник так называемого А-вещества – не эритроциты, а жидкость яичников. Другой удобный источник для получения веществ групп крови – желудочный сок.
Очищенные препараты оказались сложными мукополисахаридами, содержащими около 10% аминокислот. Полисахариды состоят из N-ацетилгексозамина, D-галактозы и L-фукозы; N-ацетилгексозамин может быть в форме N-ацетилглюкозамина или N-ацетилгалактозамина. Содержание гексозамина в различных препаратах составляет 20 – 37 %, ацетильного производного 6 – 11 %, глюкозамина 8 – 22 %, галактозамина 4 – 13% и метилпентозы (фукозы) 2 – 20 %. Аминокислоты являются неотъемлемыми составными частями макромолекул. Например, препарат, выделенный из мукозы желудка свиньи и показывающий активность как для А, так и для О групп, содержит 3,3 % пролина, 1,9 % серина, 1,6 % гликокола, 1,3 % глутаминовой кислоты, 1,0 % лизина и небольшие количества некоторых других аминокислот. В целом, химические различия между веществами различных групп крови (А, В, О и т. д.) очень малы.
2.8 СТРУКТУРА И КОНФИГУРАЦИЯ НАТИВНЫХ И
ДЕНАТУРИРОВАННЫХ БЕЛКОВ
Белки можно определить как макромолекулярные вещества, которые в качестве главного продукта при полном гидролизе дают аминокислоты. Все -аминокислоты, кроме гликокола (глицина), выделенные из продуктов гидролиза белков, оптически активны и обладают одной и той же L-конфигурацией.
Современная наука разделяет все белки на глобулярные (корпускулярные или же сферопротеиды) и фибриллярные (линейные). В клетках и тканях организмов первые являются переносчиками (например, сывороточный альбумин, гемоглобин) или активными ферментами и гормонами, а вторые – структурным материалом.
2.8.1. Сывороточный альбумин
Сывороточный альбумин – самый крупный белок плазмы или сыворотки крови – может быть выделен различными методами, например высаливанием, дробным осаждением белков плазмы спиртом и некоторыми ионами, а также с помощью препаративного электрофореза и ионообменной хроматографии.
Альбумин денатурируется при нагревании до 70 °С и выше, а также спиртами и подобными им соединениями при комнатной температуре. Белок гидролитически расщепляется различными протеолитическими ферментами, а также кипячением с кислотами и щелочами. Он состоит в основном из аланина, цистина, валина, лизина, фенилаланина, лейцина и набора кислот.
Установлена определенная разница между альбуминами человека и животного; например, в альбумине быка содержится больше гликокола, серина и треонина и меньше аланина, чем в альбумине сыворотки человека.
2.8.2. Сывороточные -глобулины
-Глобулины представляют особый интерес вследствие того, что к этой группе глобулинов принадлежат антитела. Всю фракцию -глобулинов можно сравнительно легко отделить от сыворотки или плазмы, например одним из методов фракционирования.
Аминокислотный состав -глобулинов не сильно отличается от состава сывороточного альбумина, за исключением оксиаминокислот серина и треонина, которые содержаться в них в значительных количествах.
2.8.3. Альбумины и глобулины птичьих яиц
Состав птичьих яиц привлекал внимание исследователей по двум основным причинам: в качестве замкнутой системы, содержащей все компоненты, необходимые для развития высокоорганизованных организмов, и как важный источник питания. Белок куриного яйца содержит 88 % воды и 10,6 % различных белков, т. е. они составляют почти всю твердую часть белка; желток содержит 49 % воды, 33 % жиров и липидов и 16 % белков.
Основным компонентом является яичный альбумин (65 % общего содержания белка), затем идут кональбумин (14 %), овомукоид (13 %), глобулины, овомуцин и авидин. Овомукоид – ингибитор протеолитической активности трипсина.
Анализ белковых компонентов яиц других видов птиц выявил значительные различия в их составе. Альбумин присутствовал во всех случаях, но у некоторых видов птиц он не является основным компонентом. Кональбумин, образующий комплексы с рядом металлов, был обнаружен в яйцах всех видов.
Молекулярная масса яичного альбумина однородна и близка к 45000. Густая консистенция свежего яичного белка обусловлена не альбумином, а асимметричным овомуцином; однако затвердевание белка при варке яйца происходит вследствие раскручивания и агрегации раскрученных макромолекул альбумина и других белков. Белки, содержащиеся в яичном белке, сильно различаются по устойчивости к тепловой денатурации и флоккуляции. Альбумин при нагревании легко денатурируется и осаждается, тогда как овомукоид и лизоцим устойчивы. Альбумин денатурируется даже при встряхивании раствора, т. е. при соприкосновении макромолекул с поверхностью.
Яичный альбумин по аминокислотному составу значительно отличается от сывороточного альбумина. Содержание серы в обоих белках почти одинаково, но распределение ее различно. В сывороточном альбумине большая часть серы образует дисульфидные мостики, а в яичном альбумине большая часть серы находится в метиониновых остатках. В макромолекуле яичного альбумина имеется всего один или два дисульфидных мостика и четыре или пять свободных цистеиновых сульфгидрильных групп. Кроме того, макромолекула яичного альбумина содержит углеводный компонент с молекулярной массой 1200 и один или два атома фосфора.
С точки зрения питательности следует отметить высокое содержание незаменимых аминокислот – метионина, изолейцина, лейцина, лизина, фенилаланина и валина. Кональбумии также содержит все незаменимые аминокислоты: 10 % лизина, 6 % треонина и 8 % валина. Овомукоид содержит около 25 % углеводного компонента, состоящего из маннозы и глюкозамина.
Яичный желток содержит различные белки. Водорастворимые компоненты с низким содержанием фосфора известны как ливетины, вителлин и вителленин являются липопротеидами. Липид этих белков является фосфолипидом (или фосфолипидами), поэтому эти компоненты богаты фосфором (вителлин содержит 1 %, а вителленин 0,3 % фосфора). Вителлин содержит 1 % серы и имеет необычно высокую концентрацию аргинина - около 8 %. Наибольшее содержание фосфора найдено белке яичного желтка – фосвитине. Этот водорастворимый белок содержит 9,7 % фосфора и лишь 11,9 % азота.
2.8.4. Альбумины и глобулины растений
В стеблях, листьях, плодах и других частях растений, за исключением семян, содержится весьма незначительное количество белков. Аминокислоты и другие микромолекулярные вещества переносятся от синтезирующих органов растения к созревающим семенам, где они превращаются в различные белки. Большая часть этих белков откладывается в виде запасных веществ, и только небольшая их часть переходит в зародыш в виде различных ферментов. Аминокислоты резервных белков используются для синтеза нуклеопротеидов и ферментов, необходимых для развития нового растения. Общее содержание белков в различных злаках составляет 7 – 18, тогда как в семенах некоторых растений из семейства двудольных, например в обыкновенных орехах или соевых бобах, оно может достигать 50 %. Обычное пшеничное зерно содержит 10 – 15 %, рисовое 8 – 10 %, кукурузное 7 – 13 %, соевое 30 – 50 % белка. Большая часть белков (зерновых) представляет собой полимолекулярные глобулины и проламины.
Некоторые белки чрезвычайно богаты глутаминовой кислотой, пролином и лейцином; казеин лишен таких важных аминокислот, как триптофан и лизин, а глиадин беден лизином и не содержит триптофана.
2.8.5. Гемоглобины
Гемоглобины являются сложными, или конъюгированными, белками, которые помимо аминокислотных остатков содержат железопорфириновый компонент. Последний составляет лишь небольшую часть макромолекулы. Молекулярная масса гемоглобина млекопитающих близка к 68000; макромолекула содержит четыре железопорфириновых группы, иначе называемых гемами.
Красные кровяные клетки содержат около 32 % гемоглобина, который освобождается в результате гемолиза – например, при разбавлении водой или добавлении поверхностно активных веществ. Молекулярная масса гемоглобинов млекопитающих и большинства других позвоночных равна 68000, а гемоглобины различных беспозвоночных имеют большие и меньшие молекулярные массы. Так, гемоглобины некоторых насекомых имеют молекулярную массу 31000, гемоглобины пиявок – 1300000, а пигмент, выделенный из земляных червей, – 2750000. Изоэлектрическая точка гемоглобинов человека и млекопитающих соответствует приблизительно рН 7, тогда как для низших видов она сдвинута в сторону более низких значений рН.
Аминокислотный состав гемоглобинов, полученных из различных источников, неодинаков. Различия значительны в случае тирозина, изолейцина, фенилаланина и метионина. Гемоглобин плода человека содержит меньше валина, пролина и гистидина и больше изолейцина, серина и треонина, чем гемоглобин взрослого. Аминокислотный состав гемоглобина лошади отличается от аминокислотного состава гемоглобинов человека.
Физическая функция гемоглобина заключается в связывании кислорода воздуха и переносе его в различные части тела. Окисленный гемоглобин носит название оксигемоглобина. Одна молекула кислорода обратимо связывается с атомом двухвалентного железа, поэтому, если обозначить гемоглобин через Нb, реакцию можно выразить следующим образом:
Hb + 4O2 ↔ Hb(O2)4.
2.8.6. Миоглобины
Макромолекула миоглобина в 4 раза меньше, чем макромолекула гемоглобина, и содержит только один гем и один атом двухвалентного железа. Существует лишь небольшая разница в составе миоглобинов лошади и человека, тогда как миоглобины по составу сильно отличаются от гемоглобинов. Это особенно наглядно на примерах валина, цистеина, аргинина, лизина и глутаминовой кислоты. Миоглобины различных видов более сходны между собой, чем более крупные и сложные молекулы гемоглобинов.
Физиологическая функция этого относительно небольшого белка приблизительно та же, что и у гемоглобина – связывать и хранить кислород в мышечных тканях. Миоглобин фактически переносит кислород от гемоглобина к окисляющим участкам мышечных клеток. Каждая макромолекула миоглобина способна переносить одну молекулу кислорода, но сродство миоглобина к кислороду выше, чем у гемоглобина, поэтому при столкновении молекулы оксигемоглобина с миоглобином кислород переходит к миоглобину. Сравнительно небольшой по размерам миоглобин переносит затем кислород к метаболическим участкам мышечных клеток, для которых требуется свободный кислород.
2.8.7. Дыхательные белки низших видов
Помимо гемоглобина и миоглобина существуют многие другие дыхательные белки. Некоторые из них вместо железа содержат медь, а другие – железо без порфирина. Такое разнообразие в строении дыхательных белков наиболее резко выражено у низших видов, причем в некоторых случаях невозможно отличить эти переносчики кислорода от ферментов аналогичного состава. Например, цитохромы содержат железопорфириновый комплекс, весьма сходный с комплексом гемоглобинов. Кроме того, в зеленых растениях имеются хлорофиллы, содержащие магний в порфириновых комплексах, которые связаны с белком не непосредственно, а через небольшую липофильную цепочку. Сложные белки, очень напоминающие гемоглобины, были найдены в корнях бобовых. Этот растительный «гемоглобин» содержит 0,34 % железа, имеет спектр, сходный со спектром гемоглобина.
Рассматривая такое разнообразие белков у низших видов с точки зрения эволюционного развития, следует указать, что многие из бесчисленного количества веществ, входящих в состав простых организмов, испытывались как переносчики кислорода для осуществления процесса дыхания. С порфириноподобными и белковопорфириновыми комплексами соединялись различные металлы, но не все они оказались подходящими как переносчики кислорода или катализаторы. Образовалось также много металлопротеидных хелатов, лишенных порфирина, причем некоторые из них сохранили свою роль дыхательных белков у низших видов животных вплоть до настоящего времени. Однако отсутствие таких дыхательных белков у позвоночных показывает, что эти макромолекулы менее эффективны, чем гемоглобин-миоглобиновая система.
Дыхательные белки хлорокруоринового типа представляют собой зеленые пигменты, найденные в некоторых видах морских червей. Эти белки напоминают различные красные пигменты беспозвоночных (эритрокруорины) в том отношении, что все они содержат железопорфириновый компонент. Содержание железа в хлорокруорине выше, чем в гемоглобине; возможно, что часть железа, помимо того, которое находится в железопорфирине, непосредственно связана с глобином. Изоэлектрическая точка хлорокруорина соответствует рН 4,3, а его молекулярная масса очень высока – больше 2000000.
В аннелидах и родственных видах обнаружены коричневые гемэритрины, составляющие класс железосодержащих дыхательных белков, лишенных порфирина. Способность этих белков соединяться с кислородом гораздо ниже, чем у гемоглобинов млекопитающих. Однако их молекулярные массы лежат в тех же пределах, что и у гемоглобина.
Гемоцианины представляют собой большую группу медьсодержащих дыхательных белков, найденных в таких низших видах, как улитки, различные ракообразные, моллюски, пауки, скорпионы, осьминоги и т. д. Белки лишены порфирина, а медь образует с белком своего рода хелатное соединение. Содержание меди в гемоцианинах колеблется между 0,17 и 0,26 % в зависимости от источников пигмента. Способность к связыванию кислорода у гемоцианинов ниже, чем у гемоглобинов млекопитающих.
Молекулярная масса гемоцианина улитки (Helix pomatia) равна 6600000 при рН 4,5 – 7,5; при рН 8,6 она уменьшается до 719000, а при
рН 9,7 – до 502000. Это указывает на то, что более крупные единицы с молекулярной массой, измеряемой миллионами, представляют собой не макромолекулы, а ассоциации нескольких макромолекул. Однако молекулярные массы этих более мелких макромолекул химическими методами не определялись. Интересно отметить, что, несмотря на чрезвычайно большую молекулярную массу частиц растворы гемоцианинов обладают не очень высокой вязкостью. Это свидетельствует о том, что частицы имеют глобулярную и компактную (корпускулярную) форму.
2.8.8. Шелк
Фиброин шелка представляет собой полипептид сравнительно простого строения, состав которого варьирует в зависимости от вида вырабатывающих его шелковичных червей. Промышленный продукт, получаемый из коконов тутового шелкопряда, состоит главным образом из следующих аминокислот: глицина, аланина, серина и тирозина. Фиброин шелка имеет ориентированную кристаллическую структуру. Полипептидные цепи сгруппированы таким образом, что образуют плоскости, причем конфигурация каждой цепи такова, что повторяющиеся фрагменты параллельны оси волокна; каждая цепь связана водородными связями с двумя соседними цепями, в которых ориентация фрагментов обращена:
2.8.9. Шерсть
Структура шерсти сложнее структуры фиброина шелка, так как шерсть, подобно инсулину, содержит значительное количество цистина, что делает возможным образование дисульфидных поперечных связей между пептидными цепями. Эти дисульфидные связи оказывают большое влияние на механические свойства шерстяного волокна: при их восстановлении (что может быть осуществлено в растворе тиогликолята аммония) волокно значительно легче изменяет форму:
R-CH2-S-S-CH2-R + 2HS-CH2-COONH4 →
→ R-CH2-SH + HS-CH2-R + NH4OOC-CH2-S-S-CH2-COONH4
Это явление используется при завивке волос – после восстановления и завивки дисульфидные связи воссоздаются при действии мягкого окислительного агента.
2.8.10. Коллаген
Основной белок кожи и соединительных тканей носит название «коллаген» и состоит преимущественно из глицина, пролина и оксипролина. Молекулы коллагена имеют форму, тонких и длинных нитей (14x2900А); каждая из нитей состоит из трех скрученных полипептидных цепочек. При кипячении коллагена в воде цепочки отходят одна от другой и образуется обычный пищевой желатин. Соединительные ткани и кожа, состоят из фибрилл шириной 200х1000А, которые, как это было показано рентгенографическим методом, состоят из молекул коллагена, расположенных параллельно большой оси. На электронной микрофотографии видны правильно расположенные полосы, отстоящие друг от друга на 700А. Эти полосы соответствуют макромолекулам коллагена, расположенным в направлении параллельно друг другу, но сдвинутым одна относительно другой на одну четвертую длины:
Превращения фибрилл коллагена при производстве выделанной кожи связаны прежде всего с образованием поперечных связей между молекулами белка. Для этой цели могут быть использованы различные вещества, но особенно быстро действующим агентом являются соли хрома.
2.8.11. Кератин и эпидермин
Кератин найден не только в волосах, шерсти, рогах, ногтях, когтях, клювах и чешуе, но также в яичной скорлупе и даже в нервных тканях. Между отдельными кератинами существуют большие различия в аминокислотном составе. Кератин кожи носит название эпидермина.
Кератины содержат все обычно встречающиеся аминокислоты и исключительно большое количество цистина. Кератины свиной щетины и овечьей шерсти отличаются друг от друга в меньшей степени, чем от кератина перьев. Различия будут гораздо больше, если сравнивать кератины таких удаленных видов, как эпидермин кожи и кератин овечьей шерсти или кератин ногтей и нейрокератин.
PAGE 63
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer
EMBED ISISServer