Хитин — «нераскрученная звезда» полисахаридов
Все знают о целлюлозе: по общему объему органической массы этот полисахарид занимает первое место на Земле. И все знают, насколько важен этот углевод для промышленности. А вот о полисахариде, который стоит на втором месте по своей массе и не менее полезен человеку, — хитине — помнят разве что любители биологии. Вещество является основным компонентом экзоскелета (панцирь и клешни) членистоногих и некоторых беспозвоночных, а также входит в состав клеточной стенки грибов и бактерий. О невероятных свойствах хитина и их применении в медицине, пищевой промышленности и радиационной защите говорили на совместной научной сессии Российского хитинового общества и кафедры технологии мясных, рыбных продуктов и консервирования холодом Университета ИТМО.
В природе хитин выполняет защитную и опорную функции, обеспечивая прочность ракообразных, грибов и бактерий. В этом он похож на целлюлозу, которая является опорным материалом клеточной стенки растений. Но хитин является более реакционноспособным, говорится в материалах Российского хитинового общества. При нагревании и обработке концентрированной щелочью он превращается в хитозан. Этот полимер может растворяться в растворах разбавленных кислот, а также связываться и реагировать с другими химическими веществами. Таким образом, иногда химики называют хитозан «конструктором», с помощью которого можно создавать различные полимеры. Чтобы получить хитин в чистом виде, из содержащих его органических веществ удаляют белок, кальций и другие минералы, переводя их в растворимую форму. В результате получается хитиновая крошка.
«Для получения хитина используются ракообразные, грибы и насекомые. К слову, это вещество было впервые обнаружено в шампиньонах. Применение хитина и производного от него хитозана только расширяется. Полисахарид входит в состав пищевых добавок, лекарств, противоожоговых препаратов, растворимых хирургических нитей, используется в противорадиационных целях и во многих других. Хитозан — это полезная вещь, которая требует дальнейшего изучения», — прокомментировал президент Российского хитинового общества, доктор химических наук Валерий Варламов
Хитин в медицине
Благодаря тому, что хитозан отлично реагирует с другими химическими веществами, на цепочку полимера можно «навешивать», например, лекарства и рецепторы. Таким образом, действующее вещество будет высвобождаться только там, где оно нужно, не подвергая токсикозу весь организм. Более того, хитозан сам по себе совершенно не токсичен для живых существ, подчеркнул профессор Всероссийского научно-исследовательского и технологического института биологической промышленности
Университет ИТМО. Алексей АлбуловХитозан также используется в качестве БАДа. Например, его низкомолекулярная фракция непосредственно всасывается в кровь и работает на уровне иммунной системы. Среднемолекулярная фракция является антибактериальным компонентом, который подавляет развитие патогенной микрофлоры в кишечнике. Кроме того, она способствует образованию пленки на слизистых оболочках кишечника, которая защищает их от воспаления. При этом пленка быстро растворяется, что важно для применения в медицине. Высокомолекулярная фракция хитозана служит в качестве сорбента для токсинов, которые есть в желудочно-кишечном тракте.
«Мы знаем много сорбентов, которые также обладают вредными для человека свойствами — они всасываются, откладываются в мышцах и костях. Хитозан лишен всех этих побочных эффектов. Более того, он может сорбировать экстракты трав, которые в связке с ним долго не теряют своих полезных свойств, и использоваться в качестве БАДа. Также хитозан используется в гелевой форме для лечения заболеваний полости рта или ожогов
», — добавил Алексей Албулов.
Кроме того, хитозан обладает противоопухолевым эффектом, поэтому может применяться для профилактики рака, подчеркнула ученый секретарь Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН Ирина Мысякина. Вещество снижает уровень холестерина, так как связывает пищевые липиды и препятствует всасыванию жиров из кишечника. Также ведутся исследования применения хитозана в качестве медицинских имплантов.
Университет ИТМО. Научная сессия Российского хитинового обществаХитин и генная терапия
Генная терапия сейчас активно развивается. С помощью научного метода можно устранить активность того или иного «вредного» гена или вставить вместо него другой. Но для того, чтобы это сделать, необходимо каким-то образом доставлять «нужную» генную информацию в клетку. Раньше для этого использовались вирусы, однако у этой системы есть множество недостатков: канцерогенность и дороговизна в первую очередь подчеркнул сотрудник Санкт-Петербургской государственной химико-фармацевтической академии
«Невирусные векторы для доставки РНК можно буквально музыкально настраивать с помощью химических модификаций. Хитозан — более эффективный вектор, чем липосомы или катионные полимеры, потому что он лучше связывается с ДНК. Кроме того, такие системы нетоксичны, и их можно получать при комнатной температуре», — рассказал ученый.
Хитин в пищевой промышленности
Способность хитозана к абсорбированию используется в пивоварении для удаления осадка. Так называемые помутнения в напитке образуются из-за компонентов сырья и вспомогательных материалов в виде белков, углеводов, живых клеток и оксалатов. Чтобы удалять живые клетки, на этапе осветления продукта используется хитозан, привела пример профессор кафедры пищевой биотехнологии продуктов из растительного сырья Университета ИТМО Татьяна Меледина.
Об использовании хитозана для сохранения свежести сырого мяса рассказал доцент кафедры Денис Бараненко. Для этого пленка из хитозана в составе с другими веществами (крахмал, клетчатка или желатин) была нанесена на продукт, чтобы предотвратить потерю влаги. Дело в том, что понижение активности воды на поверхности продукта увеличивает время его хранения. Кроме того, хитозановая пленка понижает скорость распространения микробов в сыром мясе, подавляет появление бактерии золотистого стафилококка.
Университет ИТМО. Денис Бараненко«Обычно свежее мясо хранится не более двух дней. В результате экспериментов с хитозаном нам удалось повысить продолжительность хранения в полтора-два раза. В некоторых случаях срок доходил и до двух недель. Кроме того, с точки зрения потребительских свойств, пленка из хитозана — идеальная упаковка, так как ее практически не видно», — сказал Денис Бараненко.
Хитозан в пищевой индустрии также применяется для свертывания сывороточных белков в молочной промышленности, для производства йодированных продуктов питания на основе создания комплексов «йод-хитозан» и для других целей.
На научной сессии также были представлены возможности Университета ИТМО по разработкам и исследованиям в области применения хитозана.
news.ifmo.ru
Целлюлоза, хитин и хитозан — наиболее распространенные в природе органические вещества, их структура, свойства и применение
Целлюлоза, хитин и хитозан — наиболее распространенные в природе органические вещества, их структура, свойства и применение
Автор: профессор, доктор химических наук, Михаил Иоелович, Израиль.
Designer Energy Ltd, Rehovot
Согласно статистическим данным, самым распространенным органическим веществом на Земле является целлюлоза или клетчатка, количество которой составляет приблизительно 1 триллион тонн. Кроме того, вследствие биосинтеза масса целлюлозы в природе ежегодно возрастает на 100 миллиардов тонн, но почти столько же теряется в результате биоразложения. Целлюлоза присутствует во всех наземных растениях и водорослей, входит в состав панцирей ряда морских животных, а также синтезируется некоторыми видами бактерий. Содержание этого полисахарида в различных видах растений составляет: в стеблях травяных растений 30-40%, в древесине 42-50%, в лубяных растениях 60-75%, в хлопковых волокнах 90-92%. Некоторые виды бактерий, например, Acetobacter, синтезируют паутину, состоящую из чистой целлюлозы.
Основным промышленным источником целлюлозы является древесина, и в меньшей степени — биомасса других растений (например, солома злаковых культур или багассы сахарного тростника) и хлопчатник. Для извлечения целлюлозы из древесины или биомассы других растений измельченное сырье варят в котлах под давлением в присутствии щелочи с добавкой сульфида натрия (сульфатный или Крафт-процесс). Используют также сернистую кислоту и ее соли (сульфитный процесс). При этом нецеллюлозные компоненты растворяются, а волокна целлюлозы отделяют фильтрованием, и после промывки формуют из них влажные листы и сушат. Если требуется целлюлоза высокой химической чистоты, то целлюлозу после варки подвергают многоступенчатой отбелке, включающей процессы хлорирования, щелочной экстракции, обработку гипохлоритом, двуокисью хлора и заключительное дехлорирование. В ряде производств ограничиваются тремя-четырьмя ступенями отбелки. Отбеленная целлюлоза характеризуется высокой степенью белизны и низким содержанием посторонних примесей. Ввиду токсичности хлора и хлорсодержащих окислителей для человека и окружающей среды в настоящее время разрабатываются альтернативные методы отбелки целлюлозы химикатами, не содержащими хлора, такими как кислород, перекись водорода, озон и ряд других, а также биологическая отбелка.
Годовой объем промышленного производства древесной целлюлозы в мире составляет ок. 200 миллионов тонн. На некоторых заводах в промышленно-развитых странах объем производства целлюлозы доходит до 1 миллиона тонн в год. С целью сокращения вырубки лесов, наносящей вред природе и одновременно для удовлетворения потребностей заводов ЦБП в необходимом количестве древесного сырья, многие предприятия организуют выращивание плантаций быстрорастущих пород деревьев, специально предназначенных для производства древесной целлюлозы. Наряду с производством новых партий целлюлозы, широкое распространение получает повторное использование переработанных отходов целлюлозы, которое в некоторых Европейских странах превышает 50%. Древесная целлюлоза используется для изготовления разнообразных и часто незаменимых веществ и материалов, таких как текстиль, искусственные волокна и пленки, бумага, картон, фильтры, мембраны, пластмассы, бездымный порох, взрывчатые вещества, лекарства, клеи, загустители, наполнители, микрокристаллическая целлюлоза, а в последнее время и наноцеллюлоза.
Объемы производства хлопковой целлюлозы значительно меньше и составляют 20-25 миллион тонн в год. Основная часть волокон хлопка идет в текстильную промышленность, и лишь небольшие объемы хлопка — несколько миллион тонн, в основном короткие волокна и отходы хлопкоочистительной промышленности, используются для производства микрокристаллической или нано-целлюлозы, эфиров целлюлозы и специальных сортов бумаги.
На втором месте по распространенности в природе после целлюлозы находится хитин, содержание которого в природе достигает 100 миллиардов тонн. Этот азотосодержащий полисахарид может рассматриваться как производное целлюлозы, в ангидроглюкозном звене (АГЗ) которой одна гидрокильная группа при втором атоме углерода заменена на ацетиламино группу. Хитин находится в тканях некоторых морских животных (панцирях крабов, креветок и др.), членистоногих, ракообразных, насекомых, грибов и некоторых микроорганизмов, и выполняет в них функцию скелета, подобно функции целлюлозы в растениях. Хитин выделяют из исходного сырья, например панцирей крабов, путем кислотной обработки для растворения солей кальция и последующей щелочной обработки для удаления протеинов. Для обесцвечивания конечного продукта используют гипохлоритную или перекисную отбелку. Выделенный хитин используют в основном для производства еще одного важного азотосодержащего полисахарида — хитозана (или 2-аминоцеллюлозы), имеющего широкое биомедицинское применение, а также для получения глюкозамина — лекарственного вещества для лечения артритов.
Учитывая большое практическое значение целлюлозы, хитина и хитозана для современной цивилизации, целесообразно кратко рассмотреть структуру и свойства этих биополимеров. Прежде всего целесообразно рассмотреть как меняется структура и свойства биополимера при замене гидроксильной группы в АГЗ целлюллозы на амино группу хитозана или ацетиламину группу хитина. Известно, что первичными элементами надмолекулярной структуры биополимеров — как целлюлозы, так и азотосодержащих полисахаридов (хитина и хитозана), являются тонкие нанофибриллы длиной несколько микронов. В свою очередь нано-фибриллы состоят из палочко-образных нанокристаллитов (сr) длиной 50-200 нм, расположенных вдоль нанофибриллы и разделенных аморфными (am) прослойками (Рис. 1).
Рис. 1. Фрагмент нанофибриллы биополимера
Степень кристалличности (т.е. массовая доля кристаллитов в образце) зависит от происхождения и способа выделения биополимера (Табл.1)
Таблица 1. Степень кристалличности (Х) и поперечные размеры кристаллитов (D) биополимеров
| Биополимер | Х | D, нм |
| Целлюлоза травянистых растений | 0.50-0.55 | 3-5 |
| Древесная целлюлоза | 0.60-0.65 | 3-7 |
| Хлопковая целлюлоза | 0.68-0.70 | 5-8 |
| Бактериальная целлюлоза | 0.75-0.80 | 6-8 |
| Животная целлюлоза (Туницин) | 0.80-0.85 | 10-15 |
| Целлюлоза водорослей Valonia | 0.80-0.85 | 15-20 |
| Хитин грибов | 0.40-0.50 | 3-5 |
| Хитин кальмара | 0.55-0.60 | 3-7 |
| Хитин крабов | 0.70-0.75 | 3-8 |
| Хитозан крабов | 0.40-0.50 | 3-5 |
Кристаллиты бактериальной целлюлозы и целлюлозы водорослей имеют преимущественно триклинную кристаллическую структуру — CIα, в то время как кристаллиты природной целлюлозы растений и туницина имеют моноклинную кристаллическую структуру CIβ (Табл. 2).
Таблица 2. Параметры элементарных кристаллических ячеек целлюлоз CIα и CIβ
| Параметр | CIα | CIβ |
| a, нм | 0.67 | 0.79 |
| b, нм | 0.60 | 0.82 |
| c, нм | 1.034 | 1.034 |
| αо | 117 | 90 |
| βо | 114 | 90 |
| γo | 81 | 97 |
Кристаллиты хитина могут иметь орторомбическую α-структуру (например, хитин крабов) или моноклинную β-структуру (например, хитин кальмаров). Кристаллиты хитозана, выделенного из α-хитина, имеют также орторомбическую α-структуру но с другими параметрами кристаллической ячейки (Табл. 3).
Таблица 3. Параметры элементарных кристаллических ячеек α-хитозана (ХЗα ), α-хитина (ХТα ) и β-хитина (ХТβ)
| Параметр | ХЗα | ХТα | ХТβ |
| a, нм | 0.81 | 0.47 | 0.48 |
| b, нм | 0.84 | 1.89 | 0.93 |
| c, нм | 1.034 | 1.032 | 1.038 |
| αо | 90 | 90 | 90 |
| βо | 90 | 90 | 90 |
| γo | 90 | 90 | 97.5 |
Методом рентгеноструктурного анализа были определены основные межплоскостные расстояния в кристаллитах изученных биополимеров. Эти исследования показали, что при замене небольшой гидроксильной группы целлюлозы, имеющей ван-дер-ваальсовый объем w = 0.010 нм3, на амино группу хитозана (w=0.012 нм3) и объемную ацетиламино группу хитина (w=0.052 нм3) наблюдается закономерное увеличение межплоскостных расстояний (d) и удельного объема (Vc) кристаллитов, в то время как удельная масса кристаллитов (ρc) при этом уменьшается (Табл. 4).
Таблица 4. Основные межплоскостные расстояния в кристаллитах и плотность их упаковки для различных биополимеров
| d, нм | CIα (w=0.010 нм3) | CIβ (w=0.010 нм3) | ХЗα (w=0.012 нм3) | ХТα (w=0.052 нм3) | ХТβ (w=0.052 нм3) |
| d1 | 0.390-0.392 | 0.392-0.394 | 0.42-0.43 | 0.46-0.47 | 0.43-0.45 |
| d2 | 0.53-0.54 | 0.54-0.55 | 0.80-0.81 | 0.94-0.95 | 0.91-0.92 |
| d3 | 0.60-0.61 | 0.60-0.61 | 0.84-0.85 | 0.94-0.95 | 0.91-0.92 |
| Vc, cм3/г | 0.625 | 0.617 | 0.658 | 0.680 | 0.680 |
| ρc, г/cм3 | 1.60 | 1.62 | 1.52 | 1.47 | 1.47 |
Снижение плотности упаковки кристаллитов в ряду целлюлоза → хитозан → хитин вызывает соответсвующее уменьшение аксиального модуля Юнга кристаллитов с 150 ГПа (для кристаллитов целлюлозы) до 65 ГПа (для кристаллитов хитозана) и 41 ГПа (для кристаллитов хитина). Кроме того, ослабление системы Н-связей в аморфных областях при замене ОН-группы в ангидроглюкозных звеньях на более объемные азото-содержащие группы способствует понижению первичной температуры стеклования биополимера.
Исследование термодинамических свойств биополимеров показало, что экзотермическое значение энтальпии сгорания (ΔcHo) возрастает при переходе от целлюлозы к хитозану и хитину (Табл. 5). Это связано с тем, что целлюлоза содержит меньше атомов углерода и водорода, и, следовательно, сжигание этого полисахарида требует меньшего количества кислорода, чем его азотсодержащих производных. Процесс сгорания одного моля биополимеров можно записать с помощью следующих уравнений:
целлюлозы C6h20O5 (s) + 6 O2 (g) → 6CO2 (g) + 5h3O (l)
хитозана C6h21O4N(s) + 6.75 O2 (g) → 6CO2 (g) + 5.5h3O (l) + 0.5N2 (g)
хитина C8h23O5N(s) + 8.75 O2 (g) → 8CO2 (g) + 6.5h3O (l) + 0.5N2 (g)
Как следует из этих уравнений, для полного сгорания хитозана требуется в 1.12 раза, а хитина в 1.46 раза больше кислорода, чем для полного сгорания целлюлозы, что и определяет более высокую экзотермическую величину энтальпии сгорания азотосодержащих биополимеров.
Таблица 5. Стандартная энтальпия сгорания (ΔcHo) образцов биополимеров с различной степенью аморфности (Y)
| Образец | Y | -ΔcHo kJ/mol |
| Хлопковая целлюлоза | 0.30 | 2820 |
| Kрафт целлюлоза | 0.36 | 2830 |
| Аморфная целлюлоза | 1.0 | 2860 |
| Образец хитозана крабов | 0.43 | 3160 |
| Аморфный хитозан | 1.0 | 3250 |
| Образец хитина крабов | 0.28 | 3910 |
| Образец хитина кальмара | 0.40 | 4100 |
| Аморфный хитин | 1.0 | 4200 |
Характерной особенностью целлюлозы и азотсодержащих полисахаридов является их гидрофильность. Поскольку взаимодействие с водой происходит в аморфных областях биополимеров, стандартная энтальпия смачивания водой (ΔwHo) определяется степенью аморфности образца. Это позволяет находить степень аморфности (Y) калориметрическим методом, используя результаты определения стандартной энтальпии смачивания:
Y = ΔwHo/ΔwHoa (1),
где ΔwHoa ≈ -27.3 ± 0.2 кДж/моль – среднее значение стандартной энтальпии смачивания аморфных биополимеров водой.
Другой важной характеристикой гидрофильности биополимеров является их способность к сорбии паров воды. Сравнение изотерм сорбции паров воды аморфными биополимерами показало, что сорбционная способность целлюлозы и хитозана, содержащих гидрофильные гидроксильные и/или аминогруппы была выше, чем хитина, содержащего также гидрофобные ацетильные группы. Максимальное равновесное значение сорбции паров воды при 298 К и относительном давлении пара φ=1 для аморфной целлюлозы и хитозана составляло Am,а = 0.5 (г Н2О на 1 г сухого образца), в то время как для аморфного хитина это значение было меньше, Am,а = 0.4 (г/г).
Кроме того, для аморфных азотсодержащих полисахаридов величина Am,а является функцией степени ацетилирования (DA,%):
Am,а = 0.5 – 0.001 DA (2)
При изучении сорбционной способности реальных полукристаллических образцов биополимеров, наряду с DA необходимо учитывать также их степень аморфности (Y), что следует из следующего уравнения:
A = Am,а Y/(1 — K lnφ) (3),
где коэффициент К = 2.7.
Используя экспериментальные значения сорбции, можно определить степень аморфности (Y), или кристалличности (Х) образца биополимера с известной DA. Например, если φ = 0.7, для расчетов могут быть использованы следующие уравнения:
Y= k A0.7/Am,a (4)
X= 1 – Y (5),
где коэффициент k=1.963; для образцов целлюлозы Am,a=0.5, а для азотосодержащих полисахаридов с известной DA величину Am,a рассчитывают по ур. (2).
Значительные различия в поведении целлюлозы и азотосодержащих полисахаридов были обнаружены при изучении их гидролизуемости. После обработки образцов целлюлозы кипящим раствором 3М соляной кислоты в течение 1 ч наблюдались относительно низкие потери массы, не превышающие 15%. Кислотная обработка образцов хитина вызвала более высокие потери массы, от 30 до 40%, в то время как обработка образцов хитозана привела к полному гидролизу с образованием водорастворимых мономеров и олигомеров, которые не удается осадить из раствора после нейтрализации кислоты. Следовательно, в ряду целлюлоза → хитин → хитозан происходит возрастание гидролизуемости биополимеров.
Таким образом, сравнительное изучение таких широко распространенных биополимеров как целлюлоза, хитин и хитозан показало (Табл. 6 ), что замещение гидроксильной группы у второго атома углерода АГЗ целлюлозы на азотсодержащие группы приводит к трансформации элементарной кристаллической ячейки, увеличению межплоскостных расстояний и объема ячейки, а также к уменьшению плотности упаковки кристаллитов, что вызывает уменьшение их модуля Юнга в аксиальном направлении. При переходе от целлюлозы к хитозану и хитину наблюдалось снижение температуры стеклования и возрастание экзотермического теплового эффекта сгорания. Изучение энтальпии смачивания и сорбции паров воды показало, что гидрофильные свойства биополимеров определяются степенью аморфности образцов. Кроме того, при одной и той же степени аморфности гидрофильные свойства образцов целлюлозы и хитозана, содержащих гидроксильные и/или амино группы, были выше, чем образцов хитина, содержащего также гидрофобные ацетильные группы. При исследовании кислотного гидролиза было установлено, что при переходе от целлюлозы к хитину и хитозану происходит последовательное увеличение гидролизуемости биополимеров. Установлено, что три независимых метода — рентгенография, калориметрия и сорбция, дают близкие значения степени аморфности образцов биополимеров.
Tаблица 6. Основные характеристики биополимеров
| Характеристика | Целлюлоза | Хитозан | Хитин |
| Ван-дер-ваальсовый объем функциональной группы: w, нм3 | 0.010 | 0.012 | 0.052 |
| Ср. удельный объем кристаллитов: Vc, cм3/г | 0.620 | 0.658 | 0.680 |
| Ср. удельная масса кристаллитов: ρc, г/cм3 | 1.61 | 1.52 | 1.47 |
| Аксиальный модуль кристаллитов: E, ГПа | 150 | 65 | 41 |
| Первичная температура стеклования: Tg, K | 493-500 | 410-430 | 410-430 |
| Энтальпия сгорания аморфного биополимера: —ΔcHo, кДж/моль | 2860 | 3250 | 4200 |
| Энтальпия смачивания аморфного биополимера водой: —ΔwHo, кДж/моль | 27.2 | 27.5 | 27.1 |
| Максимальная сорбция паров воды аморфным биополимером при φ=1: Am,a, г/г | 0.50 | 0.51 | 0.40 |
| Пореря массы после гидролиза в кипящей 3 M HCl в течение 1 часа: WL, % | <15 | 100 | 30-40 |
Список использованной литературы
Al Sagheer F.A. Al-Sughayer M.A.Muslim S., Elsabee M.Z. Extraction and characterization of chitin and chitosan from marine sources in Arabian Gulf // Carbohyd. Polym. 2009. Vol. 77. P. 410–419.
Aranaz I., Mengibar M., Harris R., Panos I., Miralles B., Acosta N. Functional characterization of chitin and chitosan // Current Chem. Biol. 2009. Vol. 3. P. 203-230.
Cartier N, Domard A, Chanzy H. Single crystals of chitosan // Int. J. Biol. Macromol. 1990. Vol. 12. P, 289-294.
Dong Y., Ruan Y., Wang H., Zhao Y., Bi D. Studies on glass transition temperature of chitosan with four techniques // J. Appl. Polym. Sci. 2004. Vol. 93. P. 1553-1558.
Gardner K.H., Blackwell J. Refinement of the structure of β-chitin // Biopolymers. 1975. Vol. 14. P.1581-1595.
Ioelovich M., Leykin A. Study of sorption properties of cellulose and its derivatives // Bioresources. 2011. Vol. 6. P. 178-195.
Ioelovich M. Structure and physicochemical properties of nitrogenated derivatives of cellulose // Amer. J. Biosci. 2014. Vol. 2. P. 6-12.
Ioelovich M. Crystallinity and hydrophility of chitin and chitosan // Res. Rev. J. Chem. 2014. Vol. 3. P. 7-14.
Ioelovich M. Cellulose nanostructured natural polymer. Saarbrücken: LAP. 2014. 88 p.
Ioelovich M. Recent findings and the energetic potential of plant biomass as a renewable source of biofuels – a review // Bioresources. 2015. Vol. 10. P. 1879-1914.
Ioelovich M. Physicochemical methods for determination of cellulose crystallinity // ChemXpress. 2016. Vol. 9. P. 245-251.
Ioelovich M. Comparative study of cellulose and its nitrogenated derivatives // SCIREA J. of Chemistry. 2016. Vol. 1. P. 1-15.
Kim S.-K. Chitin, chitosan, oligosaccharides and their derivatives: biological activities and applications. Boca Raton: CRC Press. 2011. 644 p.
Klemm D., Heublein B., Fink H.-P., Bohn A. Cellulose: fascinating biopolymer and sustainable raw material // Angew. Chem. 2005. Vol. 44. P. 2-37.
Krässig H. Cellulose: Structure, accessibility and reactivity. Yverdon: Gordon and Breach Publ. 1993. 376 p.
Mazeau K., William W.T., Chanzy H. Molecular and crystal structure of a high-temperature polymorph of chitosan from electron diffraction data // Macromolecul. 1994 Vol. 27. P. 7606-7612.
Nishino T., Matsui R., Nakamae K. Elastic modulus of the crystalline regions of chitin and chitosan // J. Polym. Sci. Part B. 1999. Vol. 37. P. 1191-1196.
Rinaudo M. Chitin and chitosan: properties and applications // Progr. Polym. Sci. 2006. Vol. 31. P. 603-632.
Rudall K.M., Kenchington W. The α-chitin system // Biol. Rev. 1973. Vol. 48. Pp. 597-633.
Van Krevelen D.W. Properties of polymers and correlation with chemical structure. Amsterdam: Elsevier Publ. 1972. 427 p.
Younes I., Rinaudo M. Chitin and chitosan preparation from marine sources: structure, properties and applications // Mar. Drugs. 2015. Vol. 13. P. 1133-1174.
Zelencova L., Erdogan S., Baran T, Kaya M. Chitin extraction and chitosan production from chilopoda (Scolopendra cingulata) with identification of physicochemical properties // J. Polym. Sci. Ser. A. 2015. Vol. 57. P. 437- 444.
Слонимский Г.Л., Аскадский A.A., Китайгородский A.И. Об упаковке макромолекул в полимерах // Высокомол. соед. 1970. Т.12 А. С. 494-506.
Урьяш В.Ф., Кокурина Н.Ю, Ларина В.Н., Варламов П.В., Ильина А.В., Гришатова Н.В., Груздева A.E. Влияние кислотного гидролиза на удельную теплоемкость и физические переходы хитина и хитозана // Вестник Нижегородского Унив. 2007. Т. 3. С. 98-104.
Иллюстрация: 900igr.net
nizi.co.il
Углеводы и их роль в жизнедеятельности клетки. Видеоурок. Биология 10 Класс
Углеводы, относящиеся к органическим веществам, считаются важным элементом этого класса. Они встречаются практически везде в окружающей нас природе. На этом уроке мы узнаем, на какие классы делятся углеводы и какую роль они выполняют.
Все вещества, входящие в состав организма, делятся на два класса: органические и неорганические соединения (см. Рис. 1).
Рис. 1. Вещества, входящие в состав организмов
К неорганическим соединениям относятся вода и минеральные вещества.
К органическим соединениям относятся:
— малые органические соединения (мономеры), молекулярная масса которых колеблется от 100 до 350. Например: моносахариды, жирные кислоты, нуклеотиды. Малые органические молекулы присутствуют в клетке как в свободном виде, так и в связанном виде, то есть входят в состав биополимеров.
— большие органические молекулы (биополимеры), молекулярная масса которых колеблется от до . Это белки, полисахариды, нуклеиновые кислоты, липиды.
Углеводы – важный класс органических соединений, который встречается повсеместно: в растительных организмах, животных организмах и микроорганизмах. В растительных организмах на долю углеводов приходится 80-90 %, в животных организмах – 1-5 %, в микроорганизмах – 12-30 %.
Рис. 2. Классификация углеводов
Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды (см. Рис. 2).
Бесцветные, кристаллические вещества, легко растворимые в воде и имеющие сладкий вкус.
Из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют:
1. Рибоза (см. Рис. 3). Входит в состав нуклеиновых кислот РНК, АТФ.
Рис. 3. Рибоза
2. Дезоксирибоза (см. Рис. 4). Входит в состав ДНК.
Рис. 4. Дезоксирибоза
3. Глюкоза (см. Рис. 5). Один из наиболее распространенных природных сахаров, находится как в свободном, так и в связанном виде. В свободном виде быстро увлекается в энергетический метаболизм, то есть служит основным источником энергии в клетке. Является мономером многих олигосахаридов и полисахаридов, например крахмала и тростникового сахара.
Рис. 5. Глюкоза
4. Галактоза (см. Рис. 6). Входит в состав молочного сахара – лактозы.
Рис. 6. Галактоза
5. Фруктоза (см. Рис. 7). Входит в состав олигосахаридов, например сахарозы. В свободном виде содержится в клетках растений.
Рис. 7. Фруктоза
Сахароподобные вещества, которые характеризуются сравнительно небольшой молекулярной массой, хорошей растворимостью в воде, легкой кристаллизацией, сладким вкусом. Количество структурных единиц, которые входят в состав олигосахаридов, – от двух до десяти.
Из олигосахаридов наиболее широко распространены дисахариды:
1. Сахароза (тростниковый сахар) – сахар, который люди употребляют в повседневной жизни (см. Рис. 8). Сахароза содержится в большинстве растений, но особенно много ее в сахарном тростнике и сахарной свекле.
Рис. 8. Сахароза
2. Лактоза (молочный сахар) (см. Рис. 9). Содержится в молоке и молочных продуктах.
Рис. 9. Лактоза
3. Мальтоза (солодовый сахар) (см. Рис. 10). В большом количестве содержится в проросших или прорастающих зернах ячменя, ржи и пшеницы.
Рис. 10. Мальтоза
Являются высокомолекулярными веществами, состоящими из остатков моносахаров со степенью полимеризации выше 10. То есть количество моносахаридных звеньев может составлять до нескольких сотен или тысяч.
Из полисахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин. Эти полисахариды не сладкие, не растворимы или плохо растворимы в воде, не кристаллизуются. Они играют роль резерва пищи и энергии (крахмал и гликоген), используются в качестве строительного материала (целлюлоза, хитин).
1. Крахмал (см. Рис. 11) – основной полисахарид в клетках растений. Он построен из остатков глюкозы. Организм человека хорошо усваивает крахмал, в составе зерновых и картофеля он потребляется в огромных количествах.
Рис. 11. Крахмал
2. Гликоген (см. Рис. 12) – полисахарид животного происхождения. Построен из остатков глюкозы. Гликоген у человека накапливается в печени и мышцах.
Рис. 12. Гликоген
3. Целлюлоза (см. Рис. 13) представляет собой линейный полисахарид, построенный из остатков глюкозы. Из целлюлозы построены клеточные стенки растений, и она выполняет структурную функцию.
Рис. 13. Целлюлоза
4. Хитин (см. Рис. 14) – это азотосодержащий полисахарид (аминополисахарид). Хитин является вторым после целлюлозы по распространенности структурным полисахаридом. По химическому строению, физико-химическим свойствам и выполняемым функциям хитин близок к целлюлозе. Хитин – это аналог целлюлозы в животном мире.
Рис. 14. Хитин (Источник)
Кленовый сироп (см. Рис. 15) – это сконцентрированный сок сахарного клена. Представляет собой раствор сахаров, в котором преобладает сахароза (65 %), а в небольших количествах содержится глюкоза и фруктоза.
Рис. 15. Кленовый сироп
Сок собирают из отверстий, проделанных в стволе дерева ранней весной. Его вытесняет диоксид углерода, образующийся в результате ряда процессов метаболизма и выделяющийся из раствора, когда дерево прогревается на весеннем солнце. Коричневый цвет кленового сиропа обуславливается не только наличием сахарозы, но и наличием аминокислот.
Многие люди, у которых по генетическим причинам отсутствует фермент лактаза, не могут усваивать молоко, так как они не могут разрушить лактозу (молочный сахар). В организме взрослого человека наличие этого фермента – скорее исключение, чем правило. Такой фермент типичен для жителей Северной Европы, в отличие от уроженцев Африки и Азии.
При попадании лактозы в неразрушенном состоянии в толстый кишечник на нее «набрасываются» бактерии, которые используют ее в пищу. В результате этого в кишечнике образовываются различные газы, происходит увеличение давления, и возникают кишечные расстройства.
Хотя целлюлоза, как и крахмал, является полисахаридом, человеческий организм ее усваивать не может, так как в организме человека отсутствует фермент целлюляза. Этот фермент перерабатывает целлюлозу.
Жвачные животные, которые постоянно используют траву в качестве пищи, способны переваривать целлюлозу с помощью различных микроорганизмов, проживающих в желудке и выделяющих целлюлязу.
Кролики, которые питаются грубой растительной пищей, изобрели способ многократного переваривания целлюлозы путем заглатывания собственных экскрементов.
1. Энергетическая
Углеводы обеспечивают до 70 % потребности организма в энергии. При окислении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж энергии.
2. Запасающая
Крахмал и гликоген являются запасными полисахаридами. Они являются временным хранилищем глюкозы.
3. Структурная
Целлюлоза и ряд других полисахаридов используются в качестве строительного материала. Целлюлоза входит в состав клеточных стенок растений, хитин входит в состав клеточных стенок грибов, а также используется для построения наружного скелета у членистоногих.
4. Защитная
Например, камеди (смолы, выделяющиеся при повреждении стволов и веток растений), препятствующие проникновению в раны болезнетворных микроорганизмов, являются производными моносахаридов.
Список литературы
- Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. Общая биология 10-11 класс Дрофа, 2005.
- Биология. 10 класс. Общая биология. Базовый уровень / П.В. Ижевский, О.А. Корнилова, Т.Е. Лощилина и др. – 2-е изд., переработанное. – Вентана-Граф, 2010. – 224 стр.
- Беляев Д.К. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 11-е изд., стереотип. – М.: Просвещение, 2012. – 304 с.
- Агафонова И.Б., Захарова Е.Т., Сивоглазов В.И. Биология 10-11 класс. Общая биология. Базовый уровень. – 6-е изд., доп. – Дрофа, 2010. – 384 с.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- School.xvatit.com (Источник).
- Medbookaide.ru (Источник).
- Biouroki.ru (Источник).
- Sbio.info (Источник).
Домашнее задание
- Вопросы в конце параграфа 9 (стр. 37) – Каменский А.А., Криксунов Е.А., Пасечник В.В. «Общая биология», 10-11 класс
- Как подразделяются вещества, входящие в состав организмов?
interneturok.ru
хитин — Справочник химика 21
Перспектива увеличения производства полимерных материалов на основе целлюлозы, хитина и фибриллярного белкового сырья (типа фиброина, коллагена, кератина и пр.), особенно при условии создания интенсифицированных микробиологических технологий по синтезу этих волокно- и пленкообразующих полимеров, является достаточно реальной. Весьма парадоксальным и, по-видимому, случайным является факт образования природных полимерных углеводов на основании формирования О-рядов, а белков — Ь-рядов. И еще два замечания необходимо сделать при анализе ситуации, связанной с возможностью использования природных полимеров, и в частности белков, в качестве волокнообразующих полимеров. [c.336]Все больше внимания уделяется собственной физиологической активности таких биополимеров, как целлюлоза, хитин и его производные. Под собственной физиологической активностью полимеров обычно понимают активность, которая связана с полимерным состоянием и не свойственна низкомолекулярным аналогам или мономерам. Механизмы проявления собственной физиологической активности могут включать в себя как важнейшую составляющую физические [c.363]
По реакции с иодом полисахариды условно разделяют на крахмалоподобные (синяя окраска) и гликогеноподобные (различная бурая окраска). По структуре полисахариды могут быть линейными (амилаза), разветвленными (амилопектин, гликоген), циклическими (декстрины Шар-дингера). По биологическому значению полисахариды делятся на конструктивные (целлюлоза, хитин и др.), энергетические или запасные (крахмал, гликоген, эремуран), физиологически активные (гепарин — антикоагулянт крови и регулятор липидного обмена, гиалуроновая кислота — регулятор проницаемости тканей и минерального обмена), иммунополисахариды (полисахариды крови, декстран, полисахариды пневмококков, крахмал и др. обладают антигенными свойствами). [c.30]
Приведены методы оценки молекулярных масс, полидисперсности, формы и размеров макромолекул рассмотрены вопросы синтеза волокнообразующих полимеров методами полимеризации и поликонденсации при малых и глубоких степенях конверсии, а также даны основные сведения по химии и физикохимии природных волокнообразующих полимеров целлюлозы, хитина и фибриллярных белков. Изложение основано на количественных примерах и задачах, наиболее часто встречающихся в практике научных и технологических работ. [c.2]
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О СТРОЕНИИ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ, ХИТИНА И ХИТОЗАНА. МЕХАНИЗМ ИХ РАСТВОРЕНИЯ И БИОЛОГИЧЕСКАЯ АКТИВНОСТЬ [c.363]
Исследования по практическому использованию биологической активности целлюлозы, хитина и хитозана проводятся в ряде научных центров во всем мире. Спектр их применения будет все больше расширяться, принося пользу человечеству. [c.393]
Следует отметить также, что поликонденсация имеет большое значение и как метод синтеза природных полимеров, поскольку многие важнейшие биополимеры, такие, как белки, нуклеиновые кислоты, крахмал, целлюлоза, хитин и другие, очевидно, получаются в живых и растительных организмах посредством различных процессов поликонденсации. [c.7]
V Полярные органические Целлюлоза, хитин, полиамид [c.372]
К беспозвоночным, населяющим орошаемую почву, относятся дождевые черви, личинки жуков и клещи. Их функция в очистке сточной жидкости заключается в том, что они разрыхляют верхний орошаемый слой почвы. Это особенно важно при заиливании полей. Кроме того, в кишечном тракте беспозвоночных такие стойкие вещества, как целлюлоза, хитин и кератин, полностью разлагаются (до углекислоты, воды и аммиака). Таким образом, микробы, живущие в кишечнике беспозвоночных, облегчают работу микробов, находящихся на поверхности орошаемых участков. Значение этого процесса очень велико. Так, еще Дарвином было доказано, что весь поверхностный слой земли проходит через тело червей всего лишь за несколько лет. [c.156]
В последние годы возрос интерес к таким распространенным в природе биополимерам как целлюлоза, хитин и хитозан в связи с перспективами их широкого использования в медицинской, пищевой и фармацевтической промышленности. Обширное применение разнообразных химических фармакологических препаратов в сочетании с ухудшением экологической обстановки и химизацией окружающей среды привело к резкому увеличению чувствительности человека к тем или иным лекарствам (аллергические заболевания стали настоящим бичом современности), а также к адаптации и «привыканию» к ним организмов, что снижает эффективность химиотерапии. Все больше ученым приходится задумываться не только над поисками новых лекарств, но и над созданием более совершенных форм уже известных активных препаратов и задачей доставки этих препаратов в организм, регулирование скорости их действия и времени пребывания в организме. Физиологически активные полимеры с этой точки зрения представляют уникальную возможность создания почти идеального лекарства будущего. Естественные биологические активные соединения самой природой предназначены действовать на строго определенные стадии биохимических процессов в организме. [c.363]
Для своей жизнедеятельности бактерии используют питательные ве-шества, среди которых могут быть практически все органические соединения (жиры, углеводы, протеины, целлюлоза, хитин, углеводороды и др.), а также минеральные вешества, газы. Бактерии получают энергию для развития в результате процессов субстратного и дыхательного фос-форилирования. [c.15]
Комплекс физико-химических свойств природных волокнообразующих полимеров обусловлен первичным, вторичным и более высокими уровнями их структурной организации. Каждый из полимеров, представляющий интерес как волокнообразующий (целлюлоза, хитин, фибриллярные белки), имеет определенное биофункциональное назначение. Особенность биосинтетических процессов такова, что первичная структура макромолекул этих полимеров формируется как регулярная, несмотря на возможность случайного включения в них «дефектных» звеньев. Регулярность строения полимерных цепей предопределяет возможность их самоупорядочения (кристаллизации). Параметр гибкости макромолекул природных волокнообразующих полимеров /ф несколько больше 0,63, что позволяет отнести их к полужесткоцепным полимерам. [c.288]
www.chem21.info
§5. Углеводы
1. Какие вещества являются моносахаридами? Олигосахаридами? Полисахаридами?
|
а) Лактоза; б) гликоген; в) мальтоза; |
г) глюкоза; д) рибоза; е) хитин; |
ж) целлюлоза; з) фруктоза; и) сахароза. |
Моносахаридами являются: г) глюкоза, д) рибоза, з) фруктоза.
Олигосахаридами являются: а) лактоза, в) мальтоза, и) сахароза.
Полисахаридами являются: б) гликоген, е) хитин, ж) целлюлоза.
2. Какие биологические функции выполняют моносахариды? Дисахариды? Приведите примеры.
Важнейшими биологическими функциями моносахаридов являются энергетическая и метаболическая. Например, глюкоза является основным источником энергии для клеток (энергетическая функция) и исходным субстратом для синтеза целлюлозы, крахмала или гликогена (метаболическая функция). Дезоксирибоза необходима для синтеза нуклеотидов ДНК, рибоза – для синтеза нуклеотидов РНК, витамина В2 и некоторых других веществ (метаболическая функция).
Такие дисахариды как сахароза, мальтоза и лактоза, выполняют запасающую функцию. При необходимости они расщепляются до моносахаридов, которые могут служить источниками энергии. Достоинством дисахаридов как резервных веществ является хорошая растворимость в воде, благодаря чему они могут быстро транспортироваться по организму (в отличие от резервных полисахаридов).
3. Чем обусловлено разнообразие олигосахаридов и полисахаридов?
Разнообразие олигосахараидов и полисахаридов обусловлено разнообразием моносахаридов, входящих в их состав, разными способами их соединения (различными вариантами химических связей между остатками моносахаридов), а также количеством мономеров. Вследствие этого олиго- и полисахариды различаются составом (могут быть построены из остатков одного моносахарида или разных), структурой (например, могут быть линейными или разветвлёнными) и молекулярной массой.
4. Как меняется вкус углеводов и их растворимость в воде с увеличением молекулярной массы?
Моносахариды и большинство олигосахаридов имеют сладкий вкус и хорошо растворяются в воде. Полисахариды не имеют сладкого вкуса и практически нерастворимы в воде. Следовательно, с увеличением молекулярной массы исчезает сладкий вкус углеводов, снижается их растворимость в воде.
5. Почему промороженный картофель вскоре после оттаивания приобретает сладковатый вкус?
В результате промораживания клетки картофеля погибают. При оттаивании начинается процесс гидролиза крахмала до глюкозы, которая и придаёт сладковатый вкус.
6. Сравните по различным признакам крахмал, целлюлозу и гликоген. В чём проявляется их сходство? В чём заключаются различия?
Сходство:
● Являются углеводами, относятся к классу полисахаридов.
● Молекулы построены из остатков глюкозы.
● Не имеют сладкого вкуса, практически нерастворимы в воде (могут образовывать лишь коллоидные растворы, но не истинные).
Различия:
● Целлюлоза имеет линейную структуру. Крахмал представляет собой смесь полисахаридов – разветвлённого амилопектина и линейной амилозы. Гликоген имеет разветвлённую структуру и его цепи ветвятся сильнее, чем цепи амилопектина.
● Крахмал и гликоген выполняют запасающую функцию, а целлюлоза – структурную.
● Гликоген синтезируется у животных и грибов, а крахмал и целлюлоза – у растений.
● У растений крахмал откладывается в клетках в виде сравнительно крупных зёрен, целлюлоза входит в состав клеточных оболочек. У животных гликоген откладывается в клетках в виде крошечных гранул.
…и (или) другие существенные признаки.
7. Почему глюкоза в организме животных и человека хранится в форме гликогена, а не в виде собственно глюкозы, хотя синтез гликогена требует дополнительных затрат энергии?
В отличие от глюкозы гликоген, как и другие полисахариды, практически нерастворим в воде. Следовательно, он хранится в клетках в твёрдом, компактном состоянии (не занимает «лишний» объём) и не влияет на процессы осмоса (не повышает осмотическое давление внутриклеточного содержимого).
Кроме того, в сравнении с моносахаридами полисахариды химически более инертны (не обладают столь высокой реакционной способностью как, например, глюкоза), а значит, гликоген не оказывает существенного химического воздействия на процессы обмена веществ в клетках.
8*. Крахмал в клетках растений и гликоген в клетках животных выполняют одну и ту же функцию — запасающую. Основной компонент крахмала — разветвлённый полисахарид амилопектин. Гликоген подобен амилопектину, однако имеет меньшую молекулярную массу и более разветвлённую структуру. Каково биологическое значение указанных особенностей гликогена?
Запасающая функция крахмала и гликогена состоит в том, что эти полисахариды являются поставщиками молекул глюкозы в те периоды, когда клетки живого организма остро нуждаются в энергии.
Отщепление остатков глюкозы происходит по концевым участкам полисахаридов. Следовательно, чем сильнее разветвлён полисахарид, тем больше остатков глюкозы может отщепиться от него за единицу времени. Аналогично обстоит дело с молекулярной массой. Например, пять молекул полисахарида, содержащих по 1000 остатков глюкозы, имеют больше концевых участков, чем одна молекула, в состав которой входит 5000 остатков глюкозы.
Животные ведут подвижный образ жизни и в большинстве случаев им требуется более экстренная энергетическая подпитка, чем растениям. Поэтому им выгодно откладывать про запас не крахмал, а гликоген – сильно разветвлённый полисахарид с небольшой молекулярной массой.
* Задания, отмеченные звёздочкой, предполагают выдвижение учащимися различных гипотез. Поэтому при выставлении отметки учителю следует ориентироваться не только на ответ, приведённый здесь, а принимать во внимание каждую гипотезу, оценивая биологическое мышление учащихся, логику их рассуждений, оригинальность идей и т. д. После этого целесообразно ознакомить учащихся с приведённым ответом.
Дашков М.Л.
Сайт: dashkov.by
Вернуться к оглавлению
| < Предыдущая | Следующая > |
|---|
dashkov.by
Углеводы выполняют функцию в клетке | Диагностика и лечение
» Диагностика и лечение
Углеводы и их роль в жизнедеятельности клетки
Углеводы и их роль в жизнедеятельности клетки
1. Какие вещества, относящиеся к углеводам, вам известны?
2. Какую роль играют углеводы в живом организме?
Углеводы и их классификация.
Углеводы . или сахариды, входят в состав клеток всех живых организмов. Содержание углеводов в животных клетках составляет 1—5%, а в некоторых растительных клетках может достигать до 90%.
Различают три основных класса углеводов: моносахариды, олигосахариды и полисахариды.
Моносахариды (греч. monos — один) -— бесцветные, кристаллические вещества, легко растворимые в воде и имеющие сладкий вкус.
Из моносахаридов наибольшее значение для живых организмов имеют рибоза, дезоксирибоза, глюкоза, фруктоза, галактоза (рис. 8).
Рибоза входит в состав РНК, АТФ, витаминов группы Б, ряда ферментов.
Дезоксирибоза входит в состав ДНК . Глюкоза (виноградный сахар) является мономером полисахаридов (крахмала, гликогена, целлюлозы). Она есть в клетках всех организмов. Фруктоза входит в состав олигосахаридов, например сахарозы. В свободном виде содержится в клетках растений.
Галактоза также входит в состав некоторых олигосахаридов, например лактозы.
Олигосахариды (греч. oligos — немного) образованы двумя (тогда их называют дисахариды) или несколькими моносахаридами, связанными ковалентно друг с другом с помощью гликозидной связи, Большинство олигосахаридов растворимы в воде и имеют сладкий вкус.
Из олигосахаридов наиболее широко распространены дисахариды: сахароза (тростниковый сахар), мальтоза (солодовый сахар), лактоза (молочный сахар) (рис. 9).
Полисахариды (греч. poly — много) являются полимерами и состоят из неопределенно большого (до нескольких сотен или тысяч) числа остатков молекул моносахаридов, соединенных ковалентными связями. К ним относятся крахмал, гликоген, целлюлоза, хитин и др. Интересно, что крахмал, гликоген и целлюлоза, играющие важную роль в живых организмах, построены из мономеров глюкозы, но связи в их молекулах различны. Кроме того, у целлюлозы цепи не ветвятся, а у гликогена они ветвятся сильнее, чем у крахмала (рис. 10).
С увеличением количества мономеров растворимость полисахаридов уменьшается и исчезает сладкий вкус.
Некоторые углеводы способны образовывать комплексы с белками (гликопротеиды) и липидами (гликолипиды).
Функции углеводов. Основная функция углеводов — энергетическая. При их ферментативном расщеплении и окислении молекул углеводов выделяется энергия, которая обеспечивает жизнедеятельность организма. При полном расщеплении 1 г углеводов освобождается 17,6 кДж.
Углеводы выполняют запасающую функцию.
При избытке они накапливаются в клетке в качестве запасающих веществ (крахмал, гликоген) и при необходимости используются организмом как источник энергии. Усиленное расщепление углеводов происходит, например, при прорастании семян, интенсивной мышечной работе, длительном голодании.
Очень важной является структурная, или строительная, функция углеводов. Они используются в качестве строительного материала. Так, целлюлоза благодаря особому строению нерастворима в воде и обладает высокой прочностью. В среднем 20—40% материала клеточных стенок растений составляет целлюлоза, а волокна хлопка — почти чистая целлюлоза, и именно поэтому они используются для изготовления тканей.
Хитин входит в состав клеточных стенок некоторых простейших и грибов. В качестве важного компонента наружного скелета хитин встречается у отдельных групп животных, например у членистоногих.
Углеводы выполняют защитную функцию.
Так, камеди (смолы, выделяющиеся при повреждении стволов и веток растений, например слив, вишен), препятствующие проникновению в раны болезнетворных микроорганизмов, являются производными моносахаридов.
Твердые клеточные стенки одноклеточных и хитиновые покровы членистоногих, в состав которых входят углеводы, также выполняют защитные функции.
Углеводы. Моносахариды. Олигосахариды. Полисахариды.
1. Какие углеводы называются моно-, олиго- и полисахаридами?
2. Какие функции выполняют углеводы в живых организмах?
3. Почему углеводы считаются главными источниками энергии в клетке?
Обычно в клетке животных организмов содержится около 1% углеводов, в клетках печени их содержание доходит до 5%, а в растительных клетках — до 90%. Подумайте и объясните почему.
Углеводы являются производными многоатомных спиртов и состоят из углерода, водорода и кислорода. Химики определяют эти соединения как многоатомные оксиальдегиды или многоатомные оксикетоны. Название «углеводы» хотя и является устаревшим, но и по сей день широко используется, в том числе и в научной литературе. Свое название этот класс соединений получил потому, что у большинства из них соотношение водорода и кислорода в молекуле такое же, как и в воде. Общая формула углеводов Сn(Н2О)m, где n не меньше 3, Однако не все соединения, относящиеся к классу углеводов, соответствуют данной формуле.
Каменский А. А. Криксунов Е. В. Пасечник В. В. Биология 10 класс
Отправлено читателями с интернет-сайта
Онлайн библиотека с учениками и книгами, плани-конспекти уроков с Биологии 10 класса, книги и учебники согласно календарного плана планирование Биологии 10 класса
Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку, напишите нам.
Если вы хотите увидеть другие корректировки и пожелания к урокам, смотрите здесь — Образовательный форум.
http://edufuture.biz/index.php?title=%D0%A3%D0%B3%D0%BB%D0%B5%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D1%8B_%D0%B8_%D0%B8%D1%85_%D1%80%D0%BE%D0%BB%D1%8C_%D0%B2_%D0%B6%D0%B8%D0%B7%D0%BD%D0%B5%D0%B4%D0%B5%D1%8F%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D0%BE%D1%81%D1%82%D0%B8_%D0%BA%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%BA%D0%B8
Углеводы Строение и функции
— Крахмал — полимер. Мономеры молекулы глюкозы.
Резервный полисахарид растительных клеток
— Гликоген — содержится в тканях животных, человека, бактериях, цианобактериях; выполняет роль резервного полисахарида
— Целлюлоза— входит в состав клеточных стенок растительных клеток
— Хитин— образует покровы тела членистоногих, компонент клеточной стенки грибов
— Муреин – входит в состав клеточной стенки бактерий
Расщепление углеводов в полости рта
Основная функция углеводов заключается в том, что они являются непременным компонентом рациона человека,при расщеплении 1г углеводов освобождается 17,6 кДж энергии.
Клеточная стенка растений состоит из полисахарида целлюлозы.
Крахмал и гликоген являются запасными продуктами у растений и животных
Углеводы применяют в качестве:
— для производства бездымного пороха (пироксилина),
— искусственных волокон (вискоза).
— огромное значение имеет целлюлоза как источник для получения этилового спирта (гидролизный), уксусной кислоты.
http://mirznanii.com/a/326338/uglevody-stroenie-i-funktsii
Кроме небольших молекул, в клетке встречаются и крупные, они являются полимерами. Полимеры – это сложные молекулы, состоящие из отдельных «звеньев», соединенных друг с другом. Такие «звенья» называются мономерами.
В клетке встречается несколько видов биологических полимеров, важнейшие из них – углеводы, белки и нуклеиновые кислоты. Такие вещества, как крахмал, целлюлоза и хитин, являются полисахаридами – биологическими полимерами, состоящими из ковалентно соединенных звеньев – моносахаридов.
К моносахаридам относятся глюкоза и фруктоза, придающие сладость фруктам и ягодам. Пищевой сахар сахароза состоит из ковалентно присоединенных друг к другу глюкозы и фруктозы. Подобные сахарозе соединения называются дисахаридами. Поли-, ди- и моносахариды называют общим термином – углеводы. К углеводам относятся соединения, обладающие разнообразными и часто совершенно различными свойствами. В организме углеводы выполняют ряд важных функций.
При распаде и окислении углеводов выделяется энергия, которую организм использует для своих нужд. В среднем при окислении 1 г углеводов выделяется 4,1 килокалории. Для многих клеток человека (например, клеток мозга и мышц) глюкоза, приносимая кровью, служит главным источником энергии.
Крахмал и очень похожее на него вещество животных клеток – гликоген – являются полимерами глюкозы, они служат для запасания ее внутри клетки.
Полисахарид целлюлоза образует клеточные стенки растительных клеток, отличающиеся твердостью и жесткостью, она – один из главных компонентов древесины. Другими компонентами являются гемицеллюлоза, также принадлежащая к полисахаридам, и лигнин (он имеет неуглеводную природу). Хитин тоже выполняет структурные функции. Хитин выполняет опорную и защитную функции.
Клеточные стенки большинства бактерий состоят из пептидогликана муреина – в состав этого соединения входят остатки как моносахаридов, так и аминокислот.
Общую формулу моносахаридов можно написать как С n (Н2 О) n. По своей химической природе они представляют собой альдегидоспирты или кетоспирты. В живых организмах наиболее распространены сахара с 5-ю (пентозы) и с 6-ю (гексозы) атомами углерода. Нумерация углеродных атомов в моносахаридах идет начиная с углерода альдегидной группы (у альдегидоспиртов) или с концевого углерода цепочки, ближайшего к кетонной группе (у кетоспиртов).
Общая формула глюкозы – С6 Н12 О6. это альдегидоспирт. Глюкоза содержится во многих фруктах, соках растений и цветочном нектаре, а также в крови человека и животных. Содержание глюкозы в крови поддерживается на определенном уровне (0,65–1,1 г на л). Если искусственно снизить его, то клетки мозга начинают испытывать острое голодание, которое может закончиться обмороком, комой и даже смертельным исходом. Длительное повышение содержания глюкозы в крови тоже отнюдь не полезно: при этом развивается заболевание сахарный диабет.
Млекопитающие, и человек в том числе, могут синтезировать глюкозу из некоторых аминокислот и продуктов расщепления самой глюкозы – например, молочной кислоты. Они не умеют получать глюкозу из жирных кислот, в отличие от растений и микробов.
Углеводы обладают оптической изомерией (подробнее этот вид изомерии мы рассмотрим на уроке 4). D и L-изомеры глюкозы различаются расположением гидроксила и водорода у 5-го углеродного атома. В живых организмах почти все сахара содержатся только в виде D-изомеров. В водном растворе глюкоза существует в виде нескольких форм, которые легко переходят друг в друга: α-D-глюкоза, β-D-глюкоза и линейная D-глюкоза.
Молекула крахмала может содержать от нескольких сотен до десятков тысяч глюкозных остатков. Крахмал состоит из двух компонентов: амилозы и амилопектина. Амилоза представляет собой длинные неразветвленные полиглюкозные цепи, тогда как амилопектин сильно разветвлен – одна точка ветвления приходится на 25–30 глюкозных остатков. Молекулы крахмала связаны друг с другом водородными связями и упакованы в небольшие гранулы. При взаимодействии с йодом крахмал образует комплекс, имеющий синюю окраску; эта реакция применяется для обнаружения крахмала.
Рис. 6. Линейный участок молекулы крахмала
При комнатной температуре в эти гранулы почти не проникает вода, и суспензия крахмала в воде растворяется плохо. При нагревании до 65–70 С водородные связи между молекулами крахмала разрываются, вода проникает внутрь гранул, и крахмал резко набухает, а раствор становится вязким (так и происходит при приготовлении крахмального клейстера). Крахмал часто добавляют к подливкам и соусам, чтобы сделать их более густыми. При длительном стоянии клейстера происходит обратный процесс: гранулы теряют воду, вновь образуются водородные связи между молекулами крахмала, и происходит частичная кристаллизация этого полисахарида. Такие же процессы происходят и при черствении хлеба.
Рис. 7. Точка ветвления в молекуле крахмала
Крахмал – запасное питательное вещество у высших растений и зеленых водорослей (другие группы водорослей используют похожие, но несколько отличающиеся полисахариды). У животных эту функцию выполняет полисахарид гликоген. Он очень похож на крахмал по своему строению, но обладает еще большей разветвленностью – одна точка ветвления приходится на 8–12 глюкозных остатков.
Главные запасы гликогена в организме человека содержатся в печени и мышцах. Запасать углеводы в виде полисахаридов выгоднее, чем накачивать в клетку большое количество глюкозы. Если бы глюкоза запасалась в виде отдельных молекул, то осмотическое давление резко возросло бы, и животная клетка, лишенная жесткой оболочки, просто лопнула бы из-за сильного набухания. Есть и еще одно преимущество крахмала и гликогена: их молекулы не содержат свободных альдегидных групп, которые вредны для клетки.
Целлюлоза – самое распространенное в биосфере органическое соединение. Целлюлоза также является полисахаридом, состоящим из множества остатков глюкозы, однако в отличие от крахмала глюкоза находится в β-форме, а не в α.
Целлюлоза представляет собой длинные нити, содержащие 300–2500 глюкозных остатков, без боковых ответвлений. Эти нити соединены между собой множеством водородных связей, что придает целлюлозе большую механическую прочность. У млекопитающих (как и большинства других животных) нет ферментов, способных расщеплять целлюлозу. Однако многие травоядные животные (например, жвачные) имеют в пищеварительном тракте бактерий-симбионтов, которые расщепляют и помогают хозяевам усваивать этот полисахарид.
Рис. 8. Целлюлоза
Полисахаридом является также хитин. Он содержится в наружном скелете различных членистоногих, а также в клеточных стенках грибов. Хитин состоит из остатков производного глюкозы – N -ацетилглюкозамина, которые, подобно целлюлозе, также находятся в β-форме.
Рис. 11. Строение гликокаликса
Интересными гликолипидами мембраны эритроцитов являются так называемые антигены групп крови. Врачи издавна пытались осуществлять переливание крови от человека к человеку, однако результаты этих медицинских экспериментов были обескураживающими: иногда переливание проходило вполне успешно и приносило пользу, а иногда пациент умирал прямо во время проведения процедуры. Разумеется, в те времена понятия не имели об антисептике или дезинфекции, но при неудачном переливании крови смерть наступала слишком быстро, чтобы ее можно было объяснить микробным заражением.
В самом начале ХХ века было обнаружено, что у человека существует 4 различных группы крови: 0 (первая), A (вторая), B (третья) и AB (четвертая). Оказалось, что на поверхности эритроцитов находятся особые молекулы – антигены групп крови. В сыворотке крови имеются белки-антитела, которые могут связываться с антигенами групп крови и вызывать склеивание (агглютинацию) эритроцитов. Разумеется, в сыворотке живого человека не может быть антител к его собственным антигенам: иначе бы его эритроциты склеились, и он умер.
У людей с первой группой крови на эритроцитах нет ни антигена А, ни антигена В, (поэтому этот вариант и был обозначен 0), в плазме их крови содержатся антитела к обоим антигенам: А и В. У людей со второй группой на поверхности эритроцитов есть антиген А, а в сыворотке имеются антитела к антигену В. У людей с третьей группой на эритроцитах имеется антиген В, а в сыворотке есть антитела к антигену А. Наконец, у людей с четвертой группой на поверхности эритроцитов содержатся оба антигена – и А, и В, а в их сыворотке не содержится антител к ним.
Рис. 14. Участок молекулы муреина
Муреин содержится в клеточных стенках различных бактерий. Первый антибиотик, введенный в клиническую практику – пенициллин – ингибирует синтез муреина бактериями, что приводит к их гибели.
Пенициллин был открыт Александром Флемингом в 1928 году. Он работал с культурой бактерий – золотистыми стафилококками. Иногда в эти культуры попадали посторонние микробы из воздуха, в том числе пеницилловая плесень. Флемминг заметил, что на чашках Петри вокруг участков, куда попала эта плесень, все стафилококки погибали. Тогда он попробовал вырастить пеницилловые грибки в специальной среде и добавить эту среду из-под плесени к бактериям. Оказалось, что этот экстракт также вызывал гибель золотистых стафилококков. Тогда Флеминг сделал вывод, что пеницилловая плесень выделяет какое-то вещество, убивающее стафилококков. Выделить пенициллин и изучить его структуру удалось спустя 10 лет другим исследователям – Говарду Флори и Эрнсту Чейну.
Краткое содержание урока
Углеводы – группа соединений, включающая в себя моносахариды с общей формулой С n (Н2 О) n и их полимеры – полисахариды. К моносахаридам относятся такие распространенные вещества как глюкоза и фруктоза, к полисахаридам – крахмал, целлюлоза и хитин. Углеводы выполняют две важнейшие функции: структурную и энергетическую.
http://files.school-collection.edu.ru/dlrstore/f0c45cee-548f-5ba2-7dfa-4d02108b1f36/00148918994539870.htm
Комментариев пока нет!
formula-zdorovja.ru
Полисахариды Крахмал. Целлюлоза. Гликоген. Хитин
Важнейшие полисахариды — крахмал (две формы амилоза п амилопектин) и целлюлоза в растениях, хитин у членистоногих, гликоген в организмах животных. Целлюлоза и хитин служат веществами, образующими скелет, опорные, защитные структуры. Крахмал и гликоген являются веществами, в которых запасается углерод и химическая энергия. На рис. 2.13 изображено звено амилозы. Цепи амилопектина, в отличие от амилозы, разветвлены, равно как и цепи гликогена. Полисахариды не являются [c.46]К гомополисахаридам относятся многие полисахариды растительного (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества), животного (гликоген, хитин) и бактериального (декстраны) происхождения. [c.414]
Полисахаридами называются высокомолекулярные углеводы, мономерами которых служат моносахариды и их производные, обычно связанные между собой 1,4- или 1,6-гликозидными связями. Гликозидная природа полисахаридов обусловливает их гидролиз в кислой среде и высокую устойчивость в щелочной. Полный гидролиз приводит к образованию соответствующих моносахаридов. Полисахариды, состоящие из остатков моносахаридов одного вида, называют гомополисахаридами. Важнейшие из них — крахмал, гликоген, целлюлоза и хитин. Крахмал и гликоген — активные участники физиологических процессов в организмах животных, а крахмал, целлюлоза и хитин являются структурными компонентами растений. Если полисахариды состоят из разных моносахаридов, то их называют гетерополисахаридами. К ним относятся гиалуроновая кислота, хондроитин-сульфаты, гепарин и гепарансульфаты и другие соединения, выполняющие специфические функции в растительных и животных тканях. [c.243]
По реакции с иодом полисахариды условно разделяют на крахмалоподобные (синяя окраска) и гликогеноподобные (различная бурая окраска). По структуре полисахариды могут быть линейными (амилаза), разветвленными (амилопектин, гликоген), циклическими (декстрины Шар-дингера). По биологическому значению полисахариды делятся на конструктивные (целлюлоза, хитин и др.), энергетические или запасные (крахмал, гликоген, эремуран), физиологически активные (гепарин — антикоагулянт крови и регулятор липидного обмена, гиалуроновая кислота — регулятор проницаемости тканей и минерального обмена), иммунополисахариды (полисахариды крови, декстран, полисахариды пневмококков, крахмал и др. обладают антигенными свойствами). [c.30]
Полисахариды выполняют две основные функции. Крахмал, существующий в двух формах — амилозы и амилопектина, и гликоген являются источниками моно- и дисахаридов. Целлюлоза (в растениях), хитин (у членистоногих) служат веществами, образующими скелет, опорные, защитные структуры. [c.91]
Полимеры сахаров присутствуют во всех клетках и выполняют множество функций. Так, целлюлоза придает прочность зеленым растениям, хитин обусловливает прочность скелета членистоногих. Гиалуроно-вые кислоты и другие мукополисахариды образуют защитную прослойку между животными клетками, а пектины и родственные полисахариды играют аналогичную роль в растениях. Клеточные поверхности обычно покрыты слоем полисахаридов самой разной структуры. Различия в структуре полисахаридов, составляющих этот наружный слой, весьма важны, поскольку обусловливают иммунологическую индивидуальность организмов. Крахмал, гликоген и другие запасные полисахариды представляют собой легко мобилизуемые пищевые ресурсы клеток [35 а]. [c.114]
Полисахариды — высокомолекулярные вещества, состоящие из повторяющихся структурных единиц. Отличаются друг от друга структурой моноса-харидных звеньев, молекулярной массой, а также гликозидных связей. Благодаря наличию большого числа полярных групп, полисахариды после набухания растворяются в воде и образуют коллоидные растворы. Они присутствуют почти во всех клетках и выполняют многообразные функции. Велика их роль в образовании биологических структур. Так, хитин образует панцири членистоногих, целлюлоза является основной структурой зеленых растений, мукополисахариды — важнейшие компоненты соединительной ткани. Гликоген в животных, а крахмал в растительных организмах являются важнейшими резервными полисахаридами. Их делят на гомо- и гетерополисахариды. Примером гомополисахаридов может служить крахмал, состоящий из остатков только одного типа (глюкозы), а примером гетерополисахаридов — гиалуроновая кислота, которая состоит из остатков глюкуроновой кислоты, чередующихся с -ацетилглюкозамином. [c.9]
Функциональное предназначение полисахаридов в живой клетке определяет в значительной степени их структурные особенности. В зависимости от выполняемой ими роли полисахариды можно подразделить на три группы. Структурные полисахариды, такие как целлюлоза или кси-лап в клеточных стенках растений, хитин в наружном скелете членистоногих и насекомых, образуют протяженные цепи, которые, в свою очередь, укладываются в прочные волокна или пластины и служат своего рода каркасом в живом организме. Резервные полисахариды, как амилоза (составная часть растительного крахмала), гликоген (животный крахмал), глюкоманнаны (резервное вещество ряда растений), часто характеризуются разветвленной структурой, где длина наружных и внутренних ветвей варьируется в довольно широких пределах, или состоят из набора линейных цепей с различной степенью полимеризации. Полисахариды данной группы важны для энергетики организма. Наконец, каррагинан, мукополисахариды соединительной ткани и другие гелеобразующие полисахариды часто состоят пз линейных цепей, которые, образуя достаточно большие ассоциаты и удерживая воду, превращаются в плотные гели. [c.17]
Полимерные молекулы расщепляются до мономеров с помощью ферментов, синтезируемых и выделяемых прокариотами в окружающую среду (экзоферментов). Крахмал и гликоген гидролизуются амилазами, гликозидные связи целлюлозы расщепляются целлюлазой. Многие бактерии образуют пектиназу, хитина-зу, агаразу и другие ферменты, гидролизующие соответствующие полисахариды и их производные. Белки расщепляются внеклеточными протеазами, воздействующими на пептидные связи. Нуклеиновые кислоты гидролизуются рибо- и дезоксирибонуклеазами. Образующиеся небольшие молекулы легко транспортируются в клетку через мембрану. [c.92]
В растительных организмах полисахариды, или полиозы, откладываются или как запасные (резервные) вещества (крахмал, инулин), или же входят в состав стенки растительной клетки (целлюлоза), и в таком случае играют существенную, роль в построении твердого остова растений. В организме жи-зотных встречаются полиозы, являющиеся резервными углеводами (гликоген) и полиозы, имеющие значение структурных веществ (туницин оболочников и моллюсков, хитин насекомых и ракообразных). [c.93]
П. делят на конструктивные (например, целлюлоза, хитин), запасные, или энергетические (крахмал, гликоген, эремуран) и физиологически активные (гепарин, полисахариды веществ группы крови). Многие П. обладают высокой биологич. активностью, напр, гетерополисахарид гепарин является сильным антикоагулянтом крови, влияет
www.chem21.info