เฮมิเซลลูโลส: การจำแนกโครงสร้างการสังเคราะห์ทางชีวภาพและหน้าที่ - ชีววิทยา - 2025

เฮมิเซลลูโลสเป็นคำที่ใช้เพื่อกำหนดกลุ่มโพลีแซ็กคาไรด์ที่มีอยู่ในผนังเซลล์ของพืชหลายชนิดและเป็นตัวแทนของมวลชีวภาพมากกว่าหนึ่งในสามของโครงสร้างดังกล่าว

แนวคิดนี้เสนอโดย Johann Heinrich Schulze เพื่อกำหนดโพลีแซ็กคาไรด์ที่ไม่ใช่แป้งและร่วมกับเซลลูโลสที่สกัดได้จากผนังเซลล์ของพืชชั้นสูงโดยใช้สารละลายอัลคาไลน์

การแสดงกราฟิกของโครงสร้างโมเลกุลของ Xylan ซึ่งเป็นเฮมิเซลลูโลส (ที่มา: Yikrazuul ผ่าน Wikimedia Commons)

โพลีแซ็กคาไรด์เหล่านี้ประกอบด้วยโครงกระดูกกลูแคนที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะβ-1,4 ซึ่งมีสารทดแทนไกลโคซิลที่แตกต่างกันและมีความสามารถในการโต้ตอบซึ่งกันและกันและกับเส้นใยเซลลูโลสผ่านพันธะไฮโดรเจน (ปฏิสัมพันธ์ที่ไม่ใช่โควาเลนต์)

ซึ่งแตกต่างจากเซลลูโลสซึ่งก่อตัวเป็นไมโครไฟเบอร์ที่อัดแน่นเฮมิเซลลูโลสมีโครงสร้างค่อนข้างอสัณฐานซึ่งละลายได้ในสารละลายในน้ำ

เนื่องจากมากกว่าหนึ่งในสามของน้ำหนักแห้งของเซลล์พืชสอดคล้องกับเฮมิเซลลูโลสปัจจุบันจึงมีความสนใจอย่างมากในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพและสารประกอบทางเคมีอื่น ๆ โดยการแปรรูปโพลีแซ็กคาไรด์เหล่านี้

การจำแนกประเภทและโครงสร้าง

ปัจจุบันเฮมิเซลลูโลสแบ่งออกเป็นโมเลกุลที่มีโครงสร้างแตกต่างกัน 4 ประเภท ได้แก่ ไซเลน, D-manno glycans, gluc-glucans และ xyloglycans เฮมิเซลลูโลสทั้งสามประเภทนี้มีรูปแบบการกระจายและตำแหน่งที่แตกต่างกันรวมถึงความแตกต่างที่สำคัญอื่น ๆ

ไซแลน

พวกมันเป็นส่วนประกอบของเม็ดเลือดแดงหลักที่มีอยู่ในผนังเซลล์ทุติยภูมิของพืชที่มีใบเลี้ยงเดี่ยว เป็นตัวแทนของมวลชีวภาพของไม้ยืนต้นและไม้ล้มลุกมากกว่า 25% และประมาณ 50% ในพืชใบเลี้ยงเดี่ยวบางชนิด

ไซเลนเป็นเฮเทอโรโพลิเมอร์ที่ประกอบด้วย D-xylopyranose ที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะβ-1,4 และมีกิ่งก้านสั้น ๆ กลุ่มนี้แบ่งออกเป็น homoxylanes และ heteroxylanes ซึ่ง ได้แก่ glucuronoxylans และ polysaccharides ที่ซับซ้อนอื่น ๆ

โมเลกุลเหล่านี้สามารถแยกได้จากแหล่งพืชที่แตกต่างกัน: จากเส้นใยแฟลกซ์ซีดจากเนื้อบีทจากชานอ้อยจากรำข้าวสาลีและอื่น ๆ

น้ำหนักโมเลกุลอาจแตกต่างกันมากขึ้นอยู่กับชนิดของไซแลนและพันธุ์พืช ช่วงที่พบในธรรมชาติมักมีตั้งแต่ 5,000 กรัม / โมลไปจนถึงมากกว่า 350,000 กรัม / โมล แต่ขึ้นอยู่กับระดับความชุ่มชื้นและปัจจัยอื่น ๆ มาก

ดีแฮนด์ไกลแคน

พอลิแซ็กคาไรด์ชนิดนี้พบได้ในพืชชั้นสูงในรูปแบบของกาแลคโตมันแนนและกลูโคแมนแนนซึ่งประกอบด้วยโซ่เชิงเส้นของ D-mannopyranose ที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะβ-1,4 และส่วนที่เหลือของ D-mannopyranose และ D-glucopyranose ที่เชื่อมโยงกันด้วยพันธะβ -1.4 ตามลำดับ

ไกลแคนมือทั้งสองประเภทสามารถมี D-galactopyranose ตกค้างติดอยู่ที่กระดูกสันหลังของโมเลกุลในตำแหน่งที่ต่างกัน

Galactomannans พบได้ในเอนโดสเปิร์มของถั่วและอินทผลัมบางชนิดไม่ละลายในน้ำและมีโครงสร้างคล้ายกับเซลลูโลส ในทางกลับกันกลูโคแมนแนนเป็นส่วนประกอบหลักของเฮมิเซลลูโลไซติกของผนังเซลล์ของไม้เนื้ออ่อน

β-glucans

กลูแคนเป็นส่วนประกอบของเฮมิเซลลูโลไซต์ของเมล็ดธัญพืชและส่วนใหญ่พบในหญ้าและพืชจำพวกปอโดยทั่วไป ในพืชเหล่านี้β-glucans เป็นโมเลกุลหลักที่เกี่ยวข้องกับไมโครไฟเบอร์เซลลูโลสระหว่างการเจริญเติบโตของเซลล์

โครงสร้างของมันเป็นเชิงเส้นและประกอบด้วยสารตกค้างกลูโคไพราโนสที่เชื่อมโยงกันผ่านพันธะβ-1,4 (70%) และβ-1,3 (30%) ผสมกัน น้ำหนักโมเลกุลที่รายงานสำหรับธัญพืชแตกต่างกันระหว่าง 0.065 ถึง 3 x 10e6 g / mol แต่มีความแตกต่างเมื่อเทียบกับชนิดที่ศึกษา

Xyloglycans

พอลิแซ็กคาไรด์เฮมิเซลลูโลไซติกนี้พบในพืชชั้นสูงและเป็นวัสดุโครงสร้างที่มีอยู่มากที่สุดชนิดหนึ่งของผนังเซลล์ ในพืชแองจิโอสเปิร์มที่แตกต่างกันแสดงถึงมากกว่า 20% ของโพลีแซ็กคาไรด์ในผนังในขณะที่ในหญ้าและพืชใบเลี้ยงเดี่ยวอื่น ๆ มีมากถึง 5%

Xyloglycans ประกอบด้วยกระดูกสันหลังคล้ายเซลลูโลสซึ่งประกอบด้วยหน่วย glucopyranose ที่เชื่อมโยงด้วยพันธะβ-1,4 ซึ่งเชื่อมโยงกับα-D-xylopyranose ที่ตกค้างผ่านคาร์บอนที่ตำแหน่ง 6

โพลีแซ็กคาไรด์เหล่านี้จับตัวแน่นกับไมโครไฟเบอร์เซลลูโลสของผนังเซลล์ผ่านพันธะไฮโดรเจนซึ่งมีส่วนทำให้เครือข่ายเซลลูโลไซต์มีเสถียรภาพ

การสังเคราะห์

โพลีแซ็กคาไรด์แบบเมมเบรนส่วนใหญ่สังเคราะห์จากน้ำตาลนิวคลีโอไทด์ที่เปิดใช้งานที่เฉพาะเจาะจงมาก

น้ำตาลเหล่านี้ถูกใช้โดยเอนไซม์ไกลโคซิลทรานสเฟอเรสใน Golgi complex ซึ่งรับผิดชอบในการสร้างพันธะไกลโคซิดิกระหว่างโมโนเมอร์และการสังเคราะห์พอลิเมอร์ที่เป็นปัญหา

โครงกระดูกเซลลูโลสของ xyloglycans ถูกสังเคราะห์โดยสมาชิกในครอบครัวของโปรตีนที่รับผิดชอบในการสังเคราะห์เซลลูโลสซึ่งเข้ารหัสโดยตระกูลพันธุกรรม CSLC

คุณสมบัติ

เช่นเดียวกับองค์ประกอบของมันที่แตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับพันธุ์ไม้ที่ศึกษาหน้าที่ของเฮมิเซลลูโลสก็เช่นกัน หลัก ๆ คือ:

หน้าที่ทางชีวภาพ

ในการก่อตัวของผนังเซลล์ของพืชและสิ่งมีชีวิตอื่น ๆ ที่มีเซลล์คล้ายกับเซลล์พืชเฮมิเซลลูโลสชั้นต่างๆจะทำหน้าที่สำคัญในโครงสร้างด้วยความสามารถในการเชื่อมโยงที่ไม่ใช่โควาเลนต์กับเซลลูโลส

ไซแลนหนึ่งในเฮมิเซลลูโลสมีความสำคัญอย่างยิ่งในการแข็งตัวของผนังเซลล์ทุติยภูมิที่พัฒนาโดยพืชบางชนิด

ในพืชบางชนิดเช่นมะขามเมล็ดแทนที่จะเป็นแป้งเก็บไซโลกลูแคนที่ถูกเคลื่อนย้ายเนื่องจากการกระทำของเอนไซม์ที่มีอยู่ในผนังเซลล์และสิ่งนี้เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการงอกซึ่งพลังงานจะถูกส่งไปยังตัวอ่อนที่มีอยู่ใน เมล็ดพันธุ์.

หน้าที่และความสำคัญทางการค้า

เฮมิเซลลูโลสที่เก็บไว้ในเมล็ดเช่นมะขามถูกนำไปใช้ประโยชน์ในเชิงพาณิชย์สำหรับการผลิตสารเติมแต่งที่ใช้ในอุตสาหกรรมอาหาร

ตัวอย่างของสารเติมแต่งเหล่านี้ ได้แก่ "หมากฝรั่งมะขาม" และ "กัม" กัวร์ "หรือ" กัวรัน "(สกัดจากพืชตระกูลถั่วชนิดหนึ่ง)

ในอุตสาหกรรมเบเกอรี่การปรากฏตัวของอาราบิโนซิแลนอาจส่งผลต่อคุณภาพของผลิตภัณฑ์ที่ได้รับในลักษณะเดียวกับที่มีลักษณะความหนืดจึงส่งผลต่อการผลิตเบียร์ด้วย

การมีเซลลูโลสบางชนิดในเนื้อเยื่อของพืชบางชนิดอาจส่งผลต่อการใช้เนื้อเยื่อเหล่านี้ในการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพอย่างมาก

โดยปกติแล้วการเติมเอนไซม์เฮมิเซลลูโลสเป็นแนวทางปฏิบัติทั่วไปเพื่อเอาชนะข้อบกพร่องเหล่านี้ แต่ด้วยการถือกำเนิดของอณูชีววิทยาและเทคนิคที่มีประโยชน์สูงอื่น ๆ นักวิจัยบางคนกำลังดำเนินการออกแบบพืชดัดแปลงพันธุกรรมที่ผลิตเฮมิเซลลูโลสชนิดเฉพาะ

อ้างอิง

1. Ebringerová, A. , Hromádková, Z. , & Heinze, T. (2005). เฮมิเซลลูโลส Adv Polym วิทย์, 186, 1–67
2. Pauly, M. , Gille, S. , Liu, L. , Mansoori, N. , de Souza, A. , Schultink, A. , & Xiong, G. (2013) การสังเคราะห์ด้วยเฮมิเซลลูโลส แผน 1–16
3. สหพ. ศ. (2546). การแปรทางชีวภาพของเฮมิเซลลูโลส J Ind Microbiol Biotechnol, 30, 279-291
4. Scheller, HV, และ Ulvskov, P. (2010). เฮมิเซลลูโลส Annu โรงงาน Rev. Physiol , 61, 263–289
5. Wyman, CE, Decker, SR, Himmel, ME, Brady, JW, & Skopec, CE (2005) ไฮโดรไลซิสของเซลลูโลสและเฮมิเซลลูโลส
6. Yang, H. , Yan, R. , Chen, H. , Ho Lee, D. , & Zheng, C. (2007). ลักษณะของเฮมิเซลลูโลสเซลลูโลสและลิกนินไพโรไลซิส เชื้อเพลิง 86, 1781–1788