1.1. Природные полисахариды хитин и хитозан: строение, физико-химические свойства
п
Хитин (поли N-ацетил- D-глюкозамин) - азотосодержащий линейный полисахарид, по химическому строению и структурным характеристикам сходен с целлюлозой, занимает второе место после нее по распространенности в природе (рис.1).
Ежегодно в биосфере образуется и утилизируется около 10 гигатонн13
(10,J кг) хитина. Рис.1 Структура хитина
Хитин встречается в наружном покрове членистоногих (ракообразные, насекомые), скелете морского зоопланктона, клеточной стенке грибов дрожжей, трубках погонофор [1]. Хитин присутствует в стенках цисты инфузории, клетках зеленых водорослей, иглах диатомовых, стеблях золотистых и волокнах гаптофитовых водорослей [2]. Хитин отсутствует у прокариотных организмов и у растений, хотя в состав клеточной стенки бактерий входит муреин, содержащий N-ацетил-D-глюкозамин. В живых организмах хитин образует микрофибриллярный порядок, что обеспечивает линейную конформацию молекул, закрепленную водородными связями. Эти фибриллы диаметром от 2,5 до 2,8 нм обычно входят в белковую матрицу [3].
Хитин присутствует в трех полимерных модификациях с различной ориентацией хитиновых микрофибрилл: а, |3, у. В природе получила распространение форма а-хитина, в которой цепи полимера антипараллельны и плотно упакованы. Она присутствует в панцире ракообразных и моллюсков, кутикуле насекомых, клеточной стенке грибов [1]. В р-форме цепочки располагаются параллельно относительно друг друга и направлены в одну сторону. В (3-форме цепочки обладают более
10
высокой растворимостью и набуханием за счет более слабых молекулярных водородных связей [4]. Эта форма встречается у каракатицы, в гладиусе кальмара, трубках погонофор, у-форма имеет смешанную систему параллельных и антипараллельных цепочек и присутствует в коконах насекомых [5].
Р- и у-формы хитина под действием концентрированных кислот (муравьиной, азотной и соляной) могут переходить в а- форму, являющейся наиболее стабильной.Хитин нерастворим в воде, разбавленных кислотах, щелочах, спиртах и других органических растворителях. Он растворим в концентрированных растворах соляной, серной и муравьиной кислот, а также в некоторых солях при нагревании. Хитин способен образовывать комплексы с органическими веществами (холестерин, белки, пептиды), обладает высокой сорбционной способностью к тяжелым металлам, радионуклидам. Хитин не разлагается под действием ферментов млекопитающих, но разлагается некоторыми ферментами насекомых, грибов и бактерий, отвечающих за распад хитина в природе [6,7]. Среди разнообразных производных этого полимера наиболее доступным является хитозан, получаемый в процессе деацетилирования хитина.
NH2СН20Н
Хитозан (поли - D-глюкозамин) в отличие от хитина не встречается
в живых организмах, за исключением сн2ин пщ
некоторых видов грибов (рис. 2). Рис. 2 Структура хитозана
Важной характеристикой полимера является степень ацетилирования: отношение остатков N-ацетил- D-глюкозамина к общему количеству мономерных звеньев в полимере. Общепринято считать, что хитозан - это полимер со степенью ацетилирования ниже 50%. В присутствии кислот свободные аминогруппы хитозана акцептируют протоны, приобретая положительный заряд, и хитозан образует водорастворимые соли аналогично другим аминам. При этом в первую очередь от степени протонирования его свободных аминогрупп зависит растворимость
11
хитозанового полимера. В среднем, хитозан хорошо растворяется, когда протонированы, по крайней мере, половина его свободных аминогрупп, то есть когда рН раствора соответствует значению рК полимера. Для образцов хитозана с молекулярной массой 10-100 кДа и степенью деацетилирования 80-90% величина рК лежит в районе 6,2-6,5 [8].
С увеличением молекулярной массы и степени ацетилирования хитозана значение рК снижается. Таким образом, для растворения высокомолекулярных образцов с высокой степенью ацетилирования требуются более кислые условия, а снижение молекулярной массы и увеличение степени деацетилирования полимера позволяет им растворяться при нейтральном значении рН. При значениях рН gt; 7 хитозан теряет положительный заряд и выпадает в осадок, за исключением олигомеров со степенью полимеризации до 10.За счет положительного заряда хитозан имеет большое сродство к сорбции таких молекул, как белки, пестициды, красители, липиды,
0-4-0-4-_ 0-4-0-4-ОI
хелатированию ионов переходных металлов (Си , Ni , Zn , Cd , Hg ,
*\ i "X-X-0-1- О i
Pb , Cr , VO , UO ) и радионуклидов [9-12]. Хитозан и его производные
обладают антибактериальными, иммуностимулирующими,
противоопухолевыми, ранозаживляющими и другими свойствами.