Полисахариды. Пути использования и применение в медицине. Биологическое значение

 

Реферат

Полисахариды.

Пути использования и  применение в медицине.

Биологическое значение

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Полисахариды (полиозы) — природные полимерные высокомолекулярные углеводы, в состав которых входят различные моносахариды (монозы) или олигосахариды, соединенные гликозидными связями и образуют линейные или разветвленные цепи. Молекулярная масса полисахаридов колеблется от нескольких тысяч до нескольких миллионов.

В состав полисахаридов  входят около 20 моносахаридов:

Гексозы —  глюкоза, галактоза, фруктоза;

Пентозы —  ксилоза, арабиноза;

Уроновые кислоты — глюкуроновая, маннуровая.

 

Моносахариды  входят в состав гомогликозидов в пиранозной, реже — в фуранозной форме. Гликозидная связь образуется за счет полуацетального гидроксила одного моносахарида и водорода одной из спиртовых групп другого моносахарида. Присоединение их идет по связи 1-4, 1-6, 1-3 в зависимости от положения спиртового гидроксила, который участвует в образовании связи. Полисахариды могут образовывать линейные или разветвленные цепи.

 

Гидроксильные группы могут быть метилированы, этерифицированы уксусной, азотной, серной кислотами, могут быть замещены металлами – Mg, Ca.

 

Отдельные  группы гомогликозидов имеют тривиальные названия – крахмал, целлюлоза, слизи. По химической номенклатуре дают название по сахару: глюкан, галактан, галактоманнан.

 

Полисахариды  чаще встречаются в виде — клетчатки, пектиновых веществ, крахмала, слизи, камеди.

 

Полисахариды  в виде клетчатки, крахмала, пектинов преобладают

 

в овощах, фруктах, зерне, муке, хлебе и составляют углеводную основу пищи и кормов.

 

Полисахариды  играют существенную роль в обмене веществ у растений и животных, они важны для питания человека и кроме того, широко используются во многих областях  хозяйства, в том числе и в фармации.

 

Потребность в этих продуктах огромная. Зерно  на 50% состоит из клетчатки. На переработке  клетчатки основаны текстильная  и бумажная промышленности.

 

Микробиологическим  путем из целлюлозы получают спирты, кислоты, сахара. Вата, марля и бинты  — почти чистая клетчатка волокон  хлопка. В медицине используются обволакивающие свойcтва крахмала, камедей и слизей.

 

 

Полисахариды  в кондитерской промышленности

 

В кондитерской промышленности широко применяют в  качестве студнеобразователей полисахариды, содержащиеся в красных водорослях. Наилучшим образом требованиям промышленности отвечает агар. Установлено, что агар является смесью полисахаридов агарозы и агаропектина, различающихся по содержанию сульфатных групп и некоторым другим показателям . Главный компонент — агароза — построена из D-галакто-зы и 3,6-ангидро-Ь-галактозы и является линейным регулярным частично сульфитированным полисахаридом, в котором остатки галактозы связаны попеременно В-1–4 и а-1->-3 связями. Температура застудневания водно-сахарных растворов агара 38— 42° С.

 

В связи с  дефицитом этого ценного сырья  в кондитерской промышленности в  настоящее время применяют заменители агара— фурцелларан и агароид. Фурцелларан также выделяют из красных водорослей. Установлено, что фурцелларан содержит больше сульфатных групп в молекуле, чем обычный агар . В гидролизате фурцелларана обнаружено большое количество галактозы, немного глюкозы и ксилозы, а также следы фруктозы. Прочность студней из фурцелларана несколько меньше, чем студней агара. При этом скорость структурообразования студня, содержащего фурцелларан, велика, а температура застудневания 52—58° С .

 

Агароид, выделяемый из черноморских водорослей, является также сульфированным полисахаридом, причем содержит в молекуле большее количество сульфогрупп, чем агар и фурцелларан . Кроме того, агароид содержит амид галактуромовой кислоты. Студиеобразующая способность агароида в 2,5—3 раза меньше, чем у агара, и в 1,5 раза меньше, чем у фурцелларана. Увеличение содержания агароида по сравнению с агаром приводит к повышению вязкости растворов и затрудняет производственные процессы.

 

ПОЛИСАХАРИДЫ (САХАРА, КАМЕДИ), ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В КОСМЕТИКЕ

 

Полисахариды  составляют другую важную группу полимеров. Как следует из названия, полисахариды состоят из нескольких сахаридов (сахаров), формирующих большую, разветвленную  или неразветвленную цепь.

Подавляющее большинство полисахаридов, использующихся в косметике - природные или полуприродные. Благодаря их уникальной многофункциональности они играют очень важную роль в разработке косметических технологий.

Например, полисахариды могут выступать в качестве загустителей, суспензаторов, кондиционеров для волос, как увлажняющие, эмульгаторы, смягчающие, и даже применяются для заживления ран. Однако, эта многофункциональность полисахаридов может иногда усложнять разработки, как, например, при характеристиках средства, когда не нужны их способности к загущению.

Традиционно полисахариды классифицируются на основе их электрохимического заряда.

 

Классификация полисахаридов

 

Анионные  полисахариды

Природные: альгиновая кислота, пектин, ксантановая камедь, гиалуроновая кислота, хондроитин сульфат, гуммиарабик, камедь карайи, трагакант.

Полуприродные: карбоксиметил-хитин, целлюлозная камедь.

 

Катионные полисахариды

Природные: хитозан

Полуприродные: катионная гуаровая камедь, катионная гидроксиэтилцеллюлоза (HEC)

 

Неионные полисахариды

Природные: крахмал, декстрины, гуаровая камедь

Полуприродные: эфиры целлюлозы (например, гидроксиэтилцеллюлоза, метилцеллюлоза, нитроцеллюлоза)

 

Амфотерные  полисахариды

Полуприродные: карбоксиметилхитозан, гидрокси-дикарбоксиэтил-хитозан, модифицированный картофельный крахмал

 

Гидрофобные полисахариды

Полуприродные: цетиловая гидроксиэтилцеллюлоза, поликватерниум 24

Анионные  полисахариды (отрицательный заряд)

Представляющие  интерес для косметики анионные полисахариды в основном состоят  из естественных материалов. Основное соединение в этой группе - ксантановая камедь. Она происходит из клеточной стенки бактерий и является выделенной из бактериальной ферментации.

В воде ксантановая камедь полимеризуется, образуя вязкие кристаллические жидкости с уникальной способностью образовывать эмульгатор без суспензий (взвешенных в воде частиц). Хотя вязкость ксантановых разработок зависит от катионных солей, ксантан не требует соли для образования гелевых растворов, так как он образует жесткую основу, что примечательно стабильна при повышении температуры.

Ксантан также помогает уменьшить количество первичных эмульгаторов. В связи с этим свойства ксантановой камеди широко используются в качестве загустителя в косметической промышленности.

 

Гиалуроновая кислота и хондроитин сульфат - два других основных компонента среди анионных полисахаридов.

Оба они в  основном используются в качестве увлажняющего актива на основе их значительной водосвязующей способности.

 

Гуммиарабик, камедь карайи, и трагакантовая камедь являются одними из старейших и коммерчески утвержденных анионных полисахаридов. Они выделяются из частей конкретных деревьев и кустарников. Гуммиарабик состоит из цепочки галактозы сахаров.

Из-за своей  низкой молекулярной массы гуммиарабик  в основном используется в приложениях, где высокие уровни сахаров желательны без существенного наращивания  вязкости. Максимальный эффект вязкости происходит при рН 6, но быстро исчезает при более высоких или более  низких значениях рН. Гуммиарабик  растворяется в воде и может связать  частицы жира. Таким образом классифицируется как эмульгатор.

 

Интересно отметить, что анионные полисахариды совместимы только с анионными, неионогенными  или амфотерными поверхностно-активные веществами (например, сульфосукцинат, полиглюкоза или кокамидопропилбетаин), но не с катионными поверхностно-активными веществами, такими как кватернум-содержащие препараты (использующиеся в качестве кондиционеров). Например, добавление кватернума 87 к раствору, содержащему ксантановую камедь, приведет ксантан к образованию хлопьев и осаждению из раствора.

 

Катионные полисахариды (положительный заряд)

Катионные полисахариды, интересные косметике, состоят в  основном из синтетически измененных полиглюканов.

Они имеют  уникальное преимущество тесно связываться  с белками (отрицательно заряженными) человеческой кожи и волос. Поэтому  было установлено, что катионные  полисахариды очень полезны в  качестве пленкообразующих агентов  и лечебно-восстановительной работы в средствах для волос и  в средствах для кондиционирования  кожи. Катионные полисахариды также  широко используются в рецептурах фиксаторов для волос.

Два наиболее часто используемых катионных полисахарида - катионная гидроксиэтилцеллюлоза (HEC) и катионная гуаровая камедь. Существуют две основные доступные катионные HEC: HEC 27 (Поликватерниум 10) и HEC 28 (Поликватерниум 4). Оба они широко используются в качестве придающего плотность, утолщающего и восстанавливающего агента в средствах для отбеленных, т. е. сильно поврежденных волос. Эффект уплотнения во многом зависит от молекулярного веса катионных HEC. Чем выше молекулярный вес, тем интенсивнее эффект. Катионная гуаровая камедь имеет очень похожие свойства с катионными HEC в утолщении и ремонте кутикулы поврежденных волос. Одной из отличительных особенностей гуаровой камеди, однако, является скользящее, сливочное ощущение, которое она придает средству.

 

Неионные полисахариды (без заряда)

Неионные полисахариды не заряжены и, следовательно, меньше страдают от отрицательно или положительно заряженных соединений, поверхностно-активных веществ. Крахмал, как один из наиболее часто используемых и наименее дорогих природных неионных полисахаридов в основном используется в качестве загустителя. При добавлении неорганических загустителей (например, бентонит) сгущающее влияние крахмала можно значительно увеличить. Недостатком является то, что крахмальные растворы становятся мутными. Гуаровая камедь, другой неионный полисахарид, нашел широкое применение в качестве естественного загустителя. Гуар выделяется из семян различных бобовых растений и состоит из двух сахаров, маннозы и галактозы. Вместе с ионами металлов (например, бура) гуаровая камедь в состоянии создать густой гель, если не делать рН слишком кислым.

Полуприродные неионные полисахариды - в основном эфиры целлюлозы или материалы на гуаровой основе, такие как гидроксиэтилцеллюлоза, метилцеллюлоза, нитроцеллюлоза, или гидроксипропилгуар. Они используются либо в качестве загустителей, пленкообразователей или для полировки ногтей.

 

Амфотерные  полисахариды (два заряда)

Амфотерные  полисахариды несут как положительный, так и отрицательный заряды в  одной и той же молекуле. Есть очень мало природных амфотерных полисахаридов, которые прямо используются в косметике. Кроме того, полуприродные амфотерные полисахариды, такие как карбоксиметилхитозан или гидроксидикарбоксиэтилхитозан относительно неизвестны и недостаточно используемы в косметике.

Сложно сформулировать, как они могут изменить растворимость  и предсказать их поведение в  присутствии поверхностно-активных веществ или солей.

 

Гидрофобные полисахариды

Гидрофобно модифицированные (ГМ) полисахариды проявляют все большую заинтересованность для косметики. Присоединив липофильные группы полисахаридов, они становятся менее влаголюбивыми и демонстрируют новые, часто необычные загущающие характеристики. Например, загущающий эффект HM-HEC больше не зависит от воды, но от концентрации поверхностно-активного вещества, что является большим преимуществом для разработки фиксирующих гелей или лаков для волос.

  

Микробные полисахариды

 

Некоторые микробные  полисахариды близки или даже идентичны  полисахаридам растений или животных, но подавляющее большинство из них  имеют уникальную структуру, специфичную  только для данного вида. В микробных гликанах и по сей день обнаруживаются ранее неизвестные полисахариды и моносахариды, которые обладают определенной биологической активностью и не встречаются ни у животных, ни у растений.

Полисахариды  микроорганизмов делятся в соответствии с локализацией на внутриклеточные (эндогликаны) и внеклеточные (экзогликаны).

Большую роль в добыче, обогащении и переработке  руд, отделении и концентрировании металлов из сточных вод как вторичного сырья, экстракции остаточных порций нефти  из иссякающих месторож-дений играют микроорганизмы, способные жить в недрах Земли и осуществлять там химические превращения.

Способностью  переводить металлы в растворимые  соединения (выщелачивание металлов из руд) обладают, например бактерии Thiobacillusferrooxydans. Они выщелачивают железо, медь, цинк, уран и другие металлы, окисляя их серной кислотой, которая образуется этой бактерией из сульфида; Chromobacteriumviolaceum растворяет золото по схеме Au-vAu(CN)2.

Если речь идет об извлечении металлов из сточных  вод, то большое значение придается  таким микроорганизмам, как Citrobacter sp., Zoogloearamigera, клетки и внеклеточные полисахариды которых извлекают уран, медь, кадмий. Бактерии–деэмульгаторы, например Nocardiasp, Rhodococcus rhodochrous, разделяют водную и нефтяную фазы, что может быть использовано как для концентрирования нефти, так и для очистки сточных вод от нефтяных примесей, создающих угрозу для окружающей среды.

Наибольшую  популярность приобрели продукты на основе ксантана, внеклеточного полисахарида бактерии Xanthomonas Campestris, выпускаемые под разными торговыми марками: Rhodоро1-23Р, Zibozan, Flowzan, Flo-Vis и др. Ксантан (ксантановая смола, ксантановая камедь, ксантановая резина), вырабатываются микробиологическим способом в гидрокарбонатной среде с добавкой протеина и неорганического азота. Этот биополимер — внеклеточная слизь, образующаяся на поверхности ячейки. Сброженную питательную среду пастеризуют для удаления микробов, осаждают спиртом, или очищают методом микрофильтрации.