Общая методология выделения и очистки полисахаридов

Учебные материалы по биологии / Получение внеклеточных полисахаридов / Общая методология выделения и очистки полисахаридов

Страница 1

При выделении индивидуальных полисахаридов приходится решать три задачи разной степени сложности (следует отметить, что они редко являются последовательными этапами выделения):

) отделение низкомолекулярных веществ;

) отделение биополимеров неуглеводной природы

) разделение смесей полисахаридов. [4] При выборе метода для решения очередной задачи следует учитывать те свойства целевого биополимера, по которым он отличается от других компонентов исходной смеси; эти различия и должны выявляться посредством применения искомого метода. Описан ряд параметров, на основании которых возможно произвести разделение веществ: молекулярный вес, растворимость, температуры плавления и кипения, способность вступать в качественные реакции с определёнными соединениями и т.п.; большинство из них зависит от химической структуры веществ. [3]

Полисахариды представляют собой линейные или разветвлённые цепи, состоящие из моносахаридных остатков, соединённых гликозидными связями. В природных полисахаридах обычно встречаются остатки гексоз (глюкоза, галактоза, манноза), пентоз (арабиноза, ксилоза), 6 - дезоксигексоз (рамноза, фукоза), 2-аминосахаров (глюкозамин, галактозамин), уроновых кислот, а также заместители неуглеводной природы - остатки серной или фосфорной кислот, уксусной кислоты, метанола и др.; смешанные биополимеры могут содержать, помимо угдеводного участка, белковый или липидный компоненты. В зависимости от моносахаридного состава, различают гомополисахариды (продукты поликонденсации мономеров одного типа - например, только остатков глюкозы) и гетерополисахариды (которые, соответственно, включают разные типы моносахаридных остатков). Каждый моносахарид может находиться в пиранозной или фуранозной форме и быть присоединённым к любой из свободных гидроксильных групп соседнего мономера α - или β-гликозидной связью, а также нести один или несколько неуглеводных заместителей (остатки кислот, спиртов и др.) Основной функциональной группировкой полисахаридов является гидроксильная группа, превращения которой (прежде всего, окисление и образование простых и сложных эфиров) оказывают значительное влияние на условия процесса выделения полисахарида. Другие функциональные группы также подвержены различным модификациям: карбоксильные группы уроновых кислот могут быть этерифицированы или восстановлены, аминогруппы аминосахаров - ацилированы, и др. [4]

Полисахариды высокополярны ввиду наличия больщого количества гидроксильных групп. Соответственно, растворимость полисахарида должна быть прямо пропорциональна полярности растворителя. Все полисахариды плохо растворимы в формамиде и диметилсульфоксиде и практически нерастворимы в спиртах, однако растворимость в воде определяется не только полярностью, но и степенью упорядоченности строения макромолекулы. [3] Внеклеточный полисахарид хитин и подобные ему полисахариды с регулярной структурой и линейной конформацией обладают высокой энергией межмолекулярного взаимодействия, превосходящей энергию гидратации; поэтому эти соединения всего лишь слабо набухают в воде. [7] Полисахарид разветвлённого строения (например, разветвлённые пектиновые кислоты) существует в водных растворах в виде беспорядочно свёрнутого рыхлого клубка и, благодаря большим размерам и гибкости макромолекул, связывает огромное количество растворителя (объём такого клубка во много раз превышает изначальный объём макромолекулы). Кроме того, полисахариды склонны к образованию ассоциаций в растворах за счёт межмолекулярных водородных связей; при малых объёмах жидкости это может привести к возникновению нерастворимых форм.

Ввиду многообразия изученных полисахаридов, разработка стандартной процедуры их выделения и очистки не представляется возможной; тем не менее, вне зависимости от природы целевого соединения процесс должен быть максимально эффективным, т.е. обеспечивать максимальный выход продукта; полисахарид не должен подвергаться деструкции под воздействием химических реагентов, использованных для его выделения, либо ферментов, присутствующих в составе сырья.

Экстракция. Метод экстракции подразумевает извлечение веществ, содержащихся в сырье, в раствор, и используется как начальный этап очистки. Возможно два варианта экстракции:

) растворение полисахарида и ряда сопутствующих веществ и отделение нерастворимых примесей. Таким образом получают растительные слизи и некоторые бактериальные экзополисахариды. Чаще всего в качестве растворителя используют воду, однако полисахариды с большим количеством кислотных функциональных групп лучше растворяются в разбавленных минеральных кислотах, а гемицеллюлозы экстрагируют в щелочной среде.