post

Целулоза

Целулоза (лат. cellula – клетка) е названието на най-разпространения в природата високомолекулен биополимер. Тя представлява голяма въглехидратна линейна (неразклонена) органична молекула с биологичен произход, която е съставена от повтарящи се по дължината ѝ градивни единици наречени мономери.

Целулозните вериги са основният структурен елемент на всяка клетъчна стена на всяка растителна клетка. Целулозното съдържание в дървесината на дървесните видове достига до 50%, а в размножителните приспособления на някои растения може да достигне почти до 100%, като например в пухчетата на тополите, на повета или в памука.

Целулоза – строеж

Мономерите, изграждащи молекулата на целулозата, се наричат монозахариди – съединения принадлежащи към групата на въглехидратите. Всички мономери са от един и същи тип: β-1,4-глюкоза и са под формата на пиранозни пръстени с циклична хексозна форма и един хетероатом кислород (β-D-глюкопиранозни остатъци). Еднообразието на мономерните градивни единици класифицира макромолекулите целулоза като хомополимери. Монозахаридите се произвеждат в зелените части на растенията, по време на процеса фотосинтеза.

Всеки два мономера се свързват помежду си чрез гликозидна връзка, формираща се в резултат на реакция на кондензация (обезводняване), при което се образува дизахаридът целобиоза. Свързването е от тип 1-4. Това означава, че единият монозахарид участва с гликозидната си хидроксилна група (-OH), намираща се на позиция 1, а другият с хидроксилната си група от позиция 4.

Процесът на свързване на мономерите във верига се повтаря многократно и се нарича полимеризация. Той продължава до получаването на голяма молекула целулоза,  която е полимер от клас полизахариди. Полимеризацията се извършва на повърхността на мембраните на растителните клетки в специални ензимни комплекси (виж Клетъчна стена).

За елементарното звено на всяка една молекула целулоза може да се приеме целобиозата, защото включва и гликозидната връзка. За елементарен градивен елемент е редно обаче да се счита β-D-глюкопиранозата (β-глюкозата).

целобиоза, дизахариди

4 – О – β – D -глюкопиранозил – β – D – глюкопираноза (целобиоза изобразена с формулите на Хауърд)

Молекулната маса на молекула целулоза може да варира в диапазона 100 000 – 1 000 000, а броят на мономерите да достига до 5 – 6 000. Емпиричната формула на целулозната макромолекула е (С6Н10О5)n, т.е. химичният ѝ състав включва само химичните елементи въглерод, кислород и водород в посочените съотношения. При частична хидролиза на целулоза се получава глюкоза и целобиоза, а при пълна хидролиза се получава само глюкоза.

Молекулите целулоза се подреждат успоредно като образуват фибрили и се свързват помежду си посредством водородни връзки. В това се крие тайната на значителната им здравина и способността им да образуват влакна.

Структура на целулозната молекула

целулоза, полизахарид

Целулоза

Формулите на Хауърд, използвани по-горе да изобразят целулозата, целобиозата и β – D – глюкопиранозните остатъци, не отразяват пространствено конформационната форма на хексозите (конформационна изомерия).

Установено е, че подобно на циклохексана, глюкозата може да заема конформация стол, която се явява и най-стабилна от трите форми. В зависимост от разположението на заместителите в пространството, енергетически най-изгодна е тази, в която водородните атоми се разполагат аксиално, а хидроксилните групи екваториално.

глюкоза

β – глюкоза (β – D – глюкопираноза) в конформация стол – пространствено ориентиране на пръстена и заместителите

Елеметарните градивни единици в двата края се отличават малко по свойствата си от всички останали по протежение на веригата. Мономерът в единия край, който съдържа нереагирала гликозидна хидроксилна група (полуацетална група) се нарича редуциращ. Мономерът в противоположния край на верига се назовава нередуциращ.

Полуацеталната хидроксилна група се явява скрита форма на алдехидната група (-CHO) на нецикличната глюкоза. От нейната реактивоспособност са резултат редуциращите свойства на целулозата.

Пространствена ориентация на макромолекула целулоза

Конформацията на целулозната макромолекула се дължи на пространствените изменения на мономерите и въртенето на звената около гликозидните връзки. В резултат на това, всяка достатъчно дълга молекула може да придобива права или нагъната форма. Участъкът от полимерната верига, в който завъртането на отделните мономери е затруднено, но той като цяло има свобода на въртене спрямо останалата част от веригата, се нарича сегмент. Колкото по-неогъваема е веригата, толкова по-голям е размерът на сегмента.

Целулозните вериги се числят към едни от най-твърдите полимери, но въпреки това се наблюдава значителна огъваемост. Роля в това играят и многобройните водородни връзки, които се образуват между хидроксилните групи вътре в молекулта и между съседните молекули.

Формата на молекула целулоза може да е различна в зависимост от това дали тя се намира в твърд препарат или в разтвори. В разтворите междумолекулните взаимодействия отслабват, а интензивността на въртенето на мономерите се увеличава. Размерът на отделната макромолекула целулоза също има отношение към пространствената конформация. По-големите вериги имат повече възможности за контакти със съседни молекули и това се отразява върху пространственото разположение и на молекулната асиметрия.

Реакционна активност на целулоза

Заради наличието на много хидроксилни групи целулозата проявява реакционната активност на поливалентен алкохол. Тя се разтваря в медноамонячен комплекс поради образуване на комплексни съединения с Cu(II) йоните. В разтворите на алкални основи и целулоза се получават алкохолати. Целулозата образува  естери с различни киселини и етери с алкилхалогениди. При нитриране на целулоза със смес от концентрирана азотна киселина и сярна киселина се получават целулозни нитрати (моно-, ди и тринитрати). Така се получава пироксилин. Естерите се получават чрез ацетилиране с оцетен анхидрид. Те се използват за получаване на изкуствени влакна (ацетатна коприна) и негорливи пластмаси.

Надмолекулна структура

Верижните макромолекули целулоза са способни да се асоциират помежду си в агрегати с различна степен на подреденост в резултат на влиянието на междумолекулните взаимодействия. Тези агрегати са в динамично равновесие, като ту се образуват, ту се разпадат. Заради собствената си големина, биополимерните вериги могат да просъществуват дълго време в агрегирано състояние.

Контактът между целулозните агрегати се осъществява благодарение на междумолекулното взаимодействие на веригите, разположени във външните слоеве на съседните агрегати. Той се подсилва и от присъствието на така наречените преминаващи вериги, при които едната им част прониква в един, а другата им част навлиза в друг агрегат. Отделните агрегати също могат да се асоциират в по-големи надмолекулни образувания.

Вашият коментар

Вашият имейл адрес няма да бъде публикуван. Задължителните полета са отбелязани с *

Leave the field below empty!