Фізико-хімічні властивості та класифікація полісахаридів в агрохімії

Полісахариди складають основу сухої біомаси рослин і активно впливають на властивості ґрунту. Для агронома ці високомолекулярні вуглеводи важливі як будівельний матеріал клітинних стінок, резервне джерело енергії для культур та живлення для ґрунтової мікрофлори. На відміну від простих цукрів, вони не мають солодкого смаку, володіють аморфною структурою і не розчиняються у воді або утворюють в'язкі колоїдні розчини.

• Довжина ланцюга — понад 10 моносахаридів
• Зовнішній вигляд — аморфна структура
• Смак — несолодкий

У ґрунті та рослинних тканинах полісахариди постійно розпадаються. Цей процес називається гідролізом і протікає під дією кислот або специфічних ферментів. Розпад іде суворо поетапно, поступово вивільняючи доступні для живлення рослин та мікроорганізмів прості цукри:

1. Полісахарид
2. Олігосахарид
3. Моносахарид

З погляду призначення в рослині полісахариди ділять на дві основні групи. Перші виконують структурну функцію, зміцнюючи тканини та створюючи каркас клітин (головний представник — целюлоза). Другі служать резервними біополімерами (крохмаль, глікоген), які виконують роль депо енергії та легко перетворюються назад на моносахариди для обміну речовин.

За хімічною будовою полісахариди розділяють на гомополісахариди та гетерополісахариди. Гомополісахариди містять тільки один вид моносахариду: наприклад, D-глюкан складається із залишків глюкози та L-арабінози, а D-галактани — із залишків L-арабінози та D-галактози. Гетерополісахариди складаються з різних мономерних ланок. Ланцюги полісахаридів можуть бути лінійними або розгалуженими, а за джерелом виділення їх ділять на фітоглікани (рослинні), зооглікани (тваринні) та мікробні полісахариди.

Загальної номенклатури для цих речовин немає. Зазвичай за основу беруть назву моносахариду і змінюють закінчення «-оза» на «-ан» (глюкоза — глюкан). Полімери уронових кислот називають поліуронідами, а супутні целюлозі вуглеводи — геміцелюлозами. Для багатьох речовин зберігаються історичні назви: крохмаль, глікоген, гепарин, хондроїтин.

Чотири рівні просторової структури полісахаридів

Фізичні властивості полісахаридів безпосередньо залежать від просторової будови їхніх молекул. Ці особливості визначають міцність рослинних тканин, здатність утримувати воду та в'язкість розчинів. Усього біохіміки виділяють чотири рівні організації — від простих хімічних зв'язків до складних кристалічних зерен.

Первинна структура формується під час поліконденсації моносахаридів у ланцюги. Лінійні ланцюги характерні для міцних структурних полімерів на зразок целюлози, а розгалужені — для пектину, геміцелюлоз та запасного амілопектину. Проміжним продуктом синтезу амілопектину є амілоза з лінійною молекулою. На відміну від білків, ланцюги полісахаридів побудовані з ланок, що повторюються, і можуть розгалужуватися.

Вторинна структура визначає форму полімерного ланцюга в просторі. Вона може бути лінійною, нагадуючи білкові β-шари у целюлози, або згортатися у спіралі. Різні типи спіральної організації та їхні параметри представлені в таблиці.

Третична структура визначає механічні властивості полісахаридів та їхню поведінку у воді. Целюлоза утворює жорсткі волокна зі згорнутих дволанцюгових стрічок, а ксилан — гнучкі волокна з потрійних спіралей. Амілопектин, глікоген і декстрани згортаються у компактні складнорозгалужені глобули, що складаються зі спіралей амілози та гіллястих ланцюгів. Геміцелюлози та протопектини мають пухку невпорядковану структуру.

Розчинні пектини, агар-агари, альгін і камеді формують просторово-сітчасті пухкі структури, які ефективно зв'язують воду. Гіалуронова кислота володіє просторово-невпорядкованою рухомою структурою. Зв'язки в ній неміцні, легко рвуться і відновлюються, завдяки чому утворюється гелеподібне середовище.

Четвертинна структура являє собою надмолекулярні комплекси. Сюди належать високоупорядковані кристалічні ділянки у міцних волокнах целюлози. Також цей рівень формує зерна крохмалю, що складаються з глобул амілопектину та спіралей амілози.