LIGNĪNS: STRUKTŪRA, FUNKCIJAS, IEGUVE, SADALĪŠANĀS, LIETOJUMI - BIOLOĢIJA - 2025

Lignīnu (no latīņu termina Lignum, kas nozīmē, koka vai koksnes) pats ir polimērs lakstaugi dimensional, amorfs un sarežģīta struktūra. Augos tas kalpo kā "cements", kas dod spēku un izturību pret augu kātiem, stumbriem un citām konstrukcijām.

Tas atrodas galvenokārt šūnas sienā un aizsargā to pret mehāniskiem spēkiem un patogēniem, kas nelielā skaitā atrodams arī šūnas iekšpusē. Ķīmiski tai ir ļoti daudz dažādu aktīvo centru, kas ļauj tiem mijiedarboties ar citiem savienojumiem. Šajās kopīgajās funkcionālajās grupās mums, cita starpā, ir fenola, alifātiskie, metoksi hidroksilgrupas.

Iespējamais lignīna modelis. Avots: īstais vārds: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Tā kā lignīns ir ļoti sarežģīts un daudzveidīgs trīsdimensiju tīkls, molekulas struktūra nav precīzi noskaidrota. Tomēr ir zināms, ka tas ir polimērs, kas izveidots no skujkoku spirta un citiem fenilpropanoīda savienojumiem, kas iegūti no aromātiskajām aminoskābēm fenilalanīna un tirozīna.

To veidojošo monomēru polimerizācija mainās atkarībā no sugas, un to nedara atkārtotā un paredzamā veidā tāpat kā citi bagātīgi dārzeņu polimēri (ciete vai celuloze).

Pagaidām ir pieejami tikai hipotētiski lignīna molekulas modeļi, un pētījumiem laboratorijā tie parasti izmanto sintētiskus variantus.

Lignīna ekstrakcijas veids ir sarežģīts, jo tas ir saistīts ar citām sienas sastāvdaļām un ir ļoti neviendabīgs.

Atklājums

Pirmais cilvēks, kurš ziņoja par lignīna klātbūtni, bija Šveicē dzimis zinātnieks AP de Candolle, kurš aprakstīja tā pamatķīmiskās un fizikālās īpašības un izveidoja terminu "lignīns".

Galvenie raksturlielumi un struktūra

Lignīns ir otrā visbagātākā organiskā molekula augos pēc celulozes, lielākā daļa augu šūnu sienu. Katru gadu augi saražo 20 × 10 ⁹ tonnas lignīna. Tomēr, neskatoties uz pārpilnību, tā pētījums ir bijis diezgan ierobežots.

Pēc celulozes struktūras kulminācijas (telpiski runājot) ievērojama daļa no visiem lignīniem (aptuveni 75%) atrodas šūnas sienā. Lignīna izvietojumu sauc par lignifikāciju, un tas sakrīt ar šūnu nāves gadījumiem.

Tas ir optiski neaktīvs polimērs, nešķīst skābju šķīdumos, bet šķīst stiprās bāzēs, piemēram, nātrija hidroksīdā un līdzīgos ķīmiskos savienojumos.

Lignīna ieguves un raksturojuma grūtības

Vairāki autori apgalvo, ka pastāv virkne tehnisku grūtību, kas saistītas ar lignīna ieguvi, kas sarežģī tā struktūras izpēti.

Papildus tehniskām grūtībām molekula ir kovalenti saistīta ar celulozi un pārējiem polisaharīdiem, kas veido šūnas sienu. Piemēram, koksnē un citās lignificētās struktūrās (piemēram, kātiņos) lignīns ir cieši saistīts ar celulozi un hemicelulozi.

Visbeidzot, polimērs augiem ir ārkārtīgi mainīgs. Šo minēto iemeslu dēļ sintētisko lignīnu parasti izmanto molekulas izpētei laboratorijās.

Visizplatītākās ekstrakcijas metodes

Lielākā daļa lignīna ekstrakcijas metožu maina tā struktūru, novēršot tā izpēti. No visām esošajām metodoloģijām vissvarīgākais šķiet kraft. Procedūras laikā lignīnu no ogļhidrātiem atdala ar nātrija hidroksīda un nātrija sulfīda bāzes šķīdumu proporcijās 3: 1.

Tādējādi izolācijas produkts ir tumši brūns pulveris fenola savienojumu klātbūtnes dēļ, kuru vidējais blīvums ir no 1,3 līdz 1,4 g / cm ³ .

Monomēri, kas iegūti no fenilpropanoīdiem

Neskatoties uz šiem metodiskajiem konfliktiem, ir zināms, ka lignīna polimērs galvenokārt sastāv no trim fenilpropanoīda atvasinājumiem: skujkoku, kumarārā un sinapila spirtiem. Šie savienojumi tiek sintezēti, sākot no aromātiskajām aminoskābēm, kuras sauc par fenilalanīnu un tirozīnu.

Lignīna karkasa kopējā sastāvā gandrīz pilnībā dominē minētie savienojumi, jo ir konstatētas sākotnējās olbaltumvielu koncentrācijas.

Šo trīs fenilpropanoīda vienību proporcija ir mainīga un atkarīga no pētītajām augu sugām. Ir arī iespējams atrast monomēru proporciju variācijas viena un tā paša indivīda orgānos vai dažādos šūnas sienas slāņos.

Lignīna trīsdimensiju struktūra

Augsta oglekļa-oglekļa un oglekļa-skābekļa-oglekļa saišu attiecība rada ļoti sazarotu trīsdimensiju struktūru.

Atšķirībā no citiem polimēriem, kurus mēs atrodam dārzeņos (piemēram, ciete vai celuloze), lignīna monomēri nepolimerizējas atkārtotā un paredzamā veidā.

Kaut arī šķiet, ka šo veidojošo bloku saistīšanu veicina stohastiskie spēki, jaunākie pētījumi ir atklājuši, ka proteīns, šķiet, mediē polimerizāciju un veido lielu atkārtojošu vienību.

Iespējas

Lai arī lignīns nav visu augu sastāvdaļa, tas pilda ļoti svarīgas funkcijas, kas saistītas ar aizsardzību un augšanu.

Pirmkārt, tā ir atbildīga par hidrofilo komponentu (celulozes un hemicelulozes) aizsardzību, kuriem nav raksturīga lignīna stabilitāte un stingrība.

Tā kā tas ir atrodams tikai ārpusē, tas kalpo kā aizsargājošs apvalks pret kropļojumiem un saspiešanu, atstājot celulozi atbildīgu par stiepes izturību.

Kad sienas detaļas kļūst mitras, tās zaudē mehānisko izturību. Šī iemesla dēļ ir nepieciešama lignīna klātbūtne ar ūdensnecaurlaidīgu sastāvdaļu. Ir pierādīts, ka eksperimentāls lignīna procentuālais samazinājums koksnē ir saistīts ar tā mehānisko īpašību samazināšanu.

Lignīna aizsardzība attiecas arī uz iespējamiem bioloģiskiem aģentiem un mikroorganismiem. Šis polimērs novērš enzīmu iekļūšanu, kas varētu noārdīt dzīvībai svarīgos šūnu komponentus.

Tam ir arī būtiska loma, modulējot šķidruma transportēšanu uz visām auga struktūrām.

Sintēze

Lignīna veidošanās sākas ar aminoskābju fenilalanīna vai tirozīna deaminācijas reakciju. Aminoskābes ķīmiskā identitāte nav ļoti būtiska, jo, apstrādājot abus, tiek iegūts viens un tas pats savienojums: 4-hidroksicinamāts.

Šis savienojums tiek pakļauts virknei ķīmisku hidroksilēšanas, metilgrupu pārvietošanas un karboksilgrupas reducēšanas reakciju, līdz iegūst spirtu.

Kad ir izveidoti trīs iepriekšējā sadaļā minētie lignīna prekursori, tiek uzskatīts, ka tie tiek oksidēti par brīvajiem radikāļiem, lai izveidotu aktīvos centrus, kas veicinātu polimerizācijas procesu.

Neatkarīgi no spēka, kas veicina savienību, monomēri viens otram, izmantojot kovalentās saites, izveido sarežģītu tīklu.

Degradācija

Ķīmiskā sadalīšanās

Sakarā ar molekulas ķīmiskajām īpašībām, lignīns šķīst ūdens bāzes un karstā bisulfīta šķīdumos.

Sēnīšu izraisīta fermentatīva noārdīšanās

Lignīna noārdīšanos, ko izraisa sēnītes, plaši pētīja biotehnoloģijas, lai balinātu un apstrādātu paliekas, kas radušās pēc papīra izgatavošanas, cita starpā.

Sēnītes, kas spēj sadalīt lignīnu, sauc par balto puvi sēnītēm, kas ir pretstatā brūnās puves sēnītēm, kuras uzbrūk celulozes molekulām un tamlīdzīgi. Šīs sēnes ir neviendabīga grupa, un to visredzamākais pārstāvis ir Phanarochaete chrysosporium sugas.

Ar netiešu un nejaušu oksidācijas reakciju palīdzību saites, kas satur monomērus kopā, pakāpeniski tiek sadalītas.

Sēnīšu darbība, kas uzbrūk lignīnam, atstāj daudz dažādu fenola savienojumu, skābju un aromātisko spirtu. Daži atlikumi var mineralizēties, bet citi rada humusvielas.

Fermentiem, kas veic šo sadalīšanās procesu, jābūt ārpusšūnu, jo lignīns nav saistīts ar hidrolizējamām saitēm.

Lignīns gremošanā

Zālēdājiem lignīns ir augu šķiedraina sastāvdaļa, kas nav sagremojama. Tas ir, to neuzbrūk tipiski gremošanas fermenti vai mikroorganismi, kas dzīvo resnajā zarnā.

Uzturvērtības ziņā tas neko neveicina ķermeni, kas to patērē. Faktiski tas var samazināt citu barības vielu sagremojamības procentus.

Lietojumprogrammas

Pēc dažu autoru domām, kaut arī lauksaimniecības atliekas var iegūt gandrīz neizsmeļamā daudzumā, līdz šim attiecīgajam polimēram nav būtisku pielietojumu.

Lai arī lignīns ir pētīts kopš 19. gadsimta beigām, ar tā pārstrādi saistītās komplikācijas ir apgrūtinājušas apstrādi. Tomēr citi avoti liecina, ka lignīnu var izmantot, un ierosina vairākus iespējamos lietojumus, pamatojoties uz stingrības un stiprības īpašībām, par kurām mēs runājām.

Pašlaik tiek izstrādāta koksnes konservantu sērija, kuras pamatā ir lignīns, apvienojumā ar virkni savienojumu, lai to aizsargātu no biotisko un abiotisko līdzekļu izraisītajiem bojājumiem.

Tā varētu būt arī ideāla viela gan siltumizolācijas, gan akustiskiem izolatoriem.

Lignīna iekļaušanas rūpniecībā priekšrocība ir zemās izmaksas un iespējamā izmantošana kā izejvielu aizvietotājs, kas izstrādāts no fosilā kurināmā vai citiem petroķīmiskiem resursiem. Tādējādi lignīns ir polimērs ar lielu potenciālu, kuru tiecas izmantot.

Atsauces

1. Alberts, B., un Bray, D. (2006). Ievads šūnu bioloģijā. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Augu morfoloģijas laboratorijas rokasgrāmata. Bib. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Ielūgums uz bioloģiju. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomehānika: fizika un fizioloģija (Nr. 30). Redakcija CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF un Eichhorn, SE (1992). Augu bioloģija (2. sēj.). Es apgriezos.
6. Rodrigess, EV (2001). Tropu kultūru audzēšanas fizioloģija. Kostarikas redakcijas universitāte.
7. Taizs, L., un Zeigers, E. (2007). Augu fizioloģija. Jaume I. universitāte