Полисахариды – ценный класс природных соединений

3. Полимеры создаются косвенно путем полимеризации мономеров. Эти полимеры часто получают из растительных ресурсов, таких как молочная кислота, и образуются при брожении сахаров или когда реактивные мономерные соединения получаются из растительных масел в сочетании с сахарами. Различные биополимеры используются в медицинских секторах. Полимеры, используемые в шовных материалах и медицинских имплантатах, включают полилактиды (PLA), полигликолиды (PGA) и сополимеры полилактида и согликолида (PLGA).
Эти биополимеры нетоксичны и хорошо переносятся организмом. Другие биополимеры, подходящие для фармацевтического использования, включают целлюлозу, полиаминокислоты и полигидроксиалканоаты (PHA).
ГЛАВА 1. Классификация природных полисахаридов и наиболее важные полисахариды для фармаевтической промышленности
Полисахариды, которые относятся к третьему основному классу биополимеров (углеводы), важны для иммунной системы, свертывания крови, оплодотворения, профилактики патогенеза и терапевтической эффективности. Поддержка структуры, хранение энергии, смазка и передача клеточного сигнала — это лишь некоторые из биологических функций, на которые полисахариды влияют в клетках.
На основе их химической структуры, которая состоит из моносахаридных единиц, соединенных гликозидными связями, полисахариды — наиболее распространенный тип углеводов в природе — классифицируются. Они также могут устанавливать ковалентные связи с другими структурами, такими как липиды, пептиды и аминокислоты. В отличие от гетерополисахаридов, которые являются гетерогликанами, состоящими из нескольких моносахаридов, гомополисахариды являются гомогликанами, состоящими из одного и того же моносахарида.
Различные моносахариды представлены различными цветами, включая разветвленные и неразветвленные гомополисахариды и гетерополисахариды.
Уксусные связи используются для соединения гомополимеров глюкозы или аминосахаров. Полисахариды являются самым распространенным возобновляемым ресурсом в мире, согласно текущей статистике. Каждый год фотосинтез производит на несколько порядков больше углеводов, чем создается искусственно.
Полисахариды классифицируются на различные классы в зависимости от их структуры или функции. Существует три основные категории: полисахариды включают структурные полисахариды, такие как целлюлоза и хитин, запасные полисахариды, такие как крахмал и гликоген, и гелеобразующие полисахариды, такие как альгиновая кислота и мукополисахариды. Могут быть обнаружены ионные или неионные (катионные и анионные) полимеры, а также разветвленные или линейные полимеры.
Природные полисахариды, такие как целлюлоза, обладают стабильностью и физической структурой, что увеличивает их способность удерживать пищу, такую как крахмал. Различные примеры отрицательно заряженных полисахаридов включают пектин, гепарин, гиалуроновую кислоту и альгинат. Хитозан — это полисахарид, который имеет положительный заряд, тогда как пектин, пектинол и альгинат — это полисахариды на основе полиэлектролитов.
1.1 Целлюлоза
Поскольку она составляет большую часть клеточных стенок растений и почти половину биомассы фотосинтезирующих видов, целлюлоза может быть самым распространенным химическим веществом на планете. Несколько материалов, включая хлопок, лен, древесину, коноплю, джут, кенаф, солому сахарной свеклы и лен, долгое время были твердыми источниками целлюлозы. Другие источники целлюлозы включают бактерии (такие как Acetobacter ), водоросли (такие как Valonia и Microdicyon ) и морских животных семейства Ascite.
Химическая структура целлюлозы показана на рисунке 5 как имеющая три гидроксильные группы на AGU, за исключением концевых концов. Эти гидроксильные группы взаимодействуют для создания внутри- и межгидроксильных водородных связей, что приводит к образованию супрамолекулярных полимеров с кристаллическими (упорядоченными) секциями. Когда молекулы целлюлозы организованы случайным образом, они образуют аморфные участки, которые соединяют упорядоченные кристаллические области вместе. Структура целлюлозы оказывает значительное влияние на ее реакционную способность. Гидроксильные группы на поверхности молекулы целлюлозы могут создавать как внутримолекулярные, так и межмолекулярные водородные связи. Многие физические и химические свойства полимерных цепей определяются водородными связями, образованными между ними, что может повысить их линейную целостность. Тем не менее, целлюлоза имеет несколько внутренних недостатков, включая низкую устойчивость к сминанию, плохую растворимость в растворителях и отсутствие термопластичности. Для улучшения свойств целлюлозы необходима контролируемая химическая или физическая модификация поверхности. Биосинтезированный компонент натуральной целлюлозы, как правило, не может быть обработан как синтетический полимер. Одним из предлагаемых решений является функционализация поверхности молекул целлюлозы чужеродными группами. Это позволяет модифицировать химию поверхности целлюлозы, не влияя на различные критические внутренние свойства препарата, включая самосборку, контролируемую дисперсию внутри различных матричных полимеров и увеличение прочности связей частица-частица и частица-матрица. Многочисленные методы доставки лекарств используют обычную целлюлозу и ее производные, включая эфиры целлюлозы, сложные эфиры целлюлозы и оксицеллюлозу. Натрийкарбоксиметилцеллюлоза (КМЦ), метилцеллюлоза (МЦ), этилцеллюлоза (ЭЦ), гидроксипропилцеллюлоза (ГПЦ) и гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ) являются одними из нескольких эфиров целлюлозы, которые можно найти в природе.
1.2 Гемицеллюлозы
Другим важным компонентом растительных клеток являются гемицеллюлозы, которые образуют матрицу вокруг микрофибрилл целлюлозы, состоят из различных молекул, включая ксилоглюканы, ксиланы, маннаны и (1–3)-(1–4)-глюканы. Химические взаимодействия, такие как водородные связи и силы Ван-дер-Ваальса, часто используются для их связывания с микрофибриллами целлюлозы. Гемицеллюлозы также функционируют как метаболические резервы и сигнальные молекулы в клетках, с мировым годовым производством более 60 миллиардов тонн, что является вторым по распространенности возобновляемым компонентом лигноцеллюлозной биомассы после целлюлозы.
1.3 Пектин
Клеточные стенки растений также содержат целлюлозу, гемицеллюлозы и лигнин в дополнение к пектину. Он принадлежит к той же группе полисахаридов, что и агар и мукополисахариды, которые образуют гели. Одним из важнейших гидроколлоидов для промышленности является пектин, который используется во многих различных пищевых продуктах. Цитрусовый и яблочный пектин являются основными промышленными источниками высокометоксильного (>50%) пектина, тогда как подсолнечный пектин является природным источником низкометоксильного (50%) пектина.
1.4 Крахмал
Чистый крахмал представляет собой белый порошок без запаха. Полисахарид состоит из молекул амилозы и амилопектина. Каждый из них имеет разный процент в зависимости от источника и вида крахмала, хотя амилоза и амилопектин обычно составляют 20–25% и 75–80% от общего количества крахмала соответственно. Крахмал, который присутствует во фруктах, семенах и корнях в виде зерен в листьях, клубнях, сердцевине стебля и корневищах, является наиболее значимым полисахаридом для хранения энергии в растениях. Подобно картофелю, рису, пшенице, кукурузе и маниоке, он составляет большую часть потребления углеводов в рационе человека.