Роль и химические свойства природных олигосахаридов в растениях

Олигосахариды представляют собой растворимые в воде кристаллические углеводы, которые часто обладают сладким вкусом. В тканях растений эти вещества выполняют ключевые функции, участвуя в накоплении и переносе энергии. В растительном мире наиболее широко представлены следующие соединения:

• сахароза;
• мелибиоза;
• лактоза;
• мальтоза;
• трегалоза;
• гентиобиоза;
• целлобиоза;
• рафиназа.

Сахароза: транспорт и накопление энергии в растениях

Сахароза образуется в процессе фотосинтеза и служит главным транспортным углеводом растений. Именно в этом виде углерод и энергия перемещаются из листьев к точкам роста и запасающим органам — плодам, семенам и корнеплодам. Скорость движения сахарозы по проводящим пучкам составляет 20–30 см/ч.

• Скорость движения сахарозы по растению — 20–30 см/ч
• Удельное вращение мальтозы — +130,4°
• Удельное вращение целлобиозы — +34,6°
• Содержание лактозы в молоке — 4–5%

С точки зрения химии сахароза построена из α-D-глюкозы и β-D-фруктозы, соединенных связью α1→β2. Этот олигосахарид химически инертен, так как не содержит свободного гликозидного гидроксила. При этом молекула высокочувствительна к кислотному гидролизу, под воздействием которого распадается на смесь глюкозы и фруктозы — инвертный сахар.

Синтетический способ получения сахарозы не разработан, поэтому ее добывают исключительно из растительного сырья — сахарной свеклы или сахарного тростника. Животные организмы синтезировать данный углевод не способны. Накопление сахарозы в различных культурах происходит неравномерно.

Мальтоза, лактоза и целлобиоза: функции в жизненном цикле

Мальтоза (солодовый сахар) состоит из двух остатков α-D-глюкозы, соединенных связью α(1→4). В свободном состоянии в растениях она содержится в незначительных количествах. Этот олигосахарид массово образуется при расщеплении крахмала ферментами-амилазами, что происходит при прорастании зерен ячменя. Удельное вращение мальтозы в водных растворах составляет +130,4°, она сбраживается дрожжами в присутствии глюкозы.

Лактоза (молочный сахар) в растениях обнаружена в пыльцевых трубочках. Молекула построена из β-D-галактозы и α-D-глюкозы, соединенных связью β(1→4). Обладая свободным полуацетальным гидроксилом, лактоза восстанавливает феллингову жидкость, в водных растворах обнаруживает мутаротацию и вращает плоскость поляризованного света вправо. При этом лактоза в 4–5 раз менее сладкая, чем сахароза.

Целлобиоза служит структурным звеном целлюлозы и состоит из двух остатков D-глюкозы со связью β(1→4). В свободном виде она встречается редко, например в пасоке деревьев, а ее удельное вращение равно +34,6°. Этот углевод хорошо кристаллизуется и растворяется в воде, а расщепляющий его фермент целлюлаза обнаруживается в солоде, прорастающих семенах овса, ячменя и шпината.

Рафиноза (мелитриоза) напрямую влияет на выход готовой продукции при переработке сахарной свеклы. В здоровых корнеплодах ее содержание невелико — от 0,2 до 1% по отношению к сахарозе (которая составляет до 20% массы корнеплода). Однако при хранении свеклы количество рафинозы в тканях корнеплодов увеличивается. Это технологическая проблема: при кристаллизации сахара рафиноза не дает сладкого вкуса и полностью переходит в мелассу, снижая выход чистого продукта. В природе этот трисахарид также накапливается в семенах хлопчатника и засохших выделениях (манне) эвкалипта, а кристаллизуется в виде длинных игл с пятью молекулами воды.

• Сахароза в корнеплодах свеклы — до 20%
• Содержание рафинозы — 0,2–1% от массы сахарозы
• Содержание трегалозы в дрожжах — до 18% сухой массы

Агрономическое значение мелибиозы, трегалозы и гентиобиозы

Мелибиоза входит в состав рафинозы, но в свободном виде содержится в соке некоторых растений. В молекуле этого дисахарида пиранозные формы глюкозы и галактозы соединены за счет первичной спиртовой группы глюкозы и гликозидного гидроксила галактозы. Мелибиоза (6-гликозо-α-галактозид) содержит свободный гликозидный гидроксил и сбраживается дрожжами низового брожения. Другой олигосахарид, трегалоза (грибной сахар), накапливается в грибах, водорослях и высших растениях рода Selaginella. Агрономам этот сахар знаком по анализу зараженности посевов: трегалоза в высокой концентрации содержится в рожках спорыньи, а в пекарских дрожжах ее содержание достигает 18% сухой массы.

Гентиобиоза входит в состав растительных гликозидов, таких как амигдалин и кроцин. В связанном виде этот дисахарид накапливается в корнях различных видов горечавки (Gentiana). При гидролизе гентиобиоза образует две молекулы D-глюкозы, соединенные связью между гликозидным гидроксилом одной молекулы и шестым углеродным атомом другой. Этот дисахарид представляет собой 6-глюкозо-β-D-глюкопирозид. В лабораториях структуру этих углеводов определяют по их химической активности: мелибиоза и гентиобиоза содержат свободный гликозидный гидроксил, восстанавливают феллингову жидкость и показывают мутаротацию.