ЛИГНИН: СТРУКТУРА, ФУНКЦИИ, ИЗВЛИЧАНЕ, РАЗГРАЖДАНЕ, ПРИЛОЖЕНИЯ - БИОЛОГИЯ - 2025

На лигнина (от латински термин Lignum, което означава, дърво или дървен материал) е самият полимер висши растения двумерен аморфен и сложна структура. В растенията той служи като "цимент", който придава здравина и устойчивост на стъбла, стволове и други структури на растението.

Той се намира главно в клетъчната стена и го предпазва от механични сили и патогени, като се намира и в малка част вътре в клетката. Химически той има голямо разнообразие от активни центрове, които им позволяват да взаимодействат с други съединения. В рамките на тези общи функционални групи имаме фенолни, алифатни, метокси хидроксили, наред с други.

Възможен модел на лигнин. Източник: истинско име: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Тъй като лигнинът е изключително сложна и разнообразна триизмерна мрежа, структурата на молекулата не е изяснена със сигурност. Известно е обаче, че е полимер, образуван от кониферилов алкохол и други фенилпропаноидни съединения, получени от ароматните аминокиселини фенилаланин и тирозин.

Полимеризацията на мономерите, които го съставят, варира в зависимост от вида и не го прави по повтарящ се и предсказуем начин като други изобилни полимери на зеленчуци (нишесте или целулоза).

Засега са достъпни само хипотетични модели на молекулата на лигнин и за изследването му в лабораторията обикновено използват синтетични варианти.

Начинът на екстракция на лигнин е сложен, тъй като той е свързан с други компоненти на стената и е много разнороден.

откритие

Първият човек, който съобщи за наличието на лигнин, беше роденият в Швейцария учен AP de Candolle, който описа основните му химични и физични свойства и въведе термина „лигнин“.

Основни характеристики и структура

Лигнинът е втората най-разпространена органична молекула в растенията след целулозата, основният компонент на растителните клетъчни стени. Всяка година растенията произвеждат 20 × 10 ⁹ тона лигнин. Въпреки изобилието си, изследването му е доста ограничено.

Значителна част от целия лигнин (приблизително 75%) се намира в клетъчната стена, след като целулозната структура кулминира (пространствено казано). Поставянето на лигнин се нарича лигнификация и това съвпада със събитията от смъртта на клетките.

Това е оптически неактивен полимер, неразтворим в кисели разтвори, но разтворим в силни основи, като натриев хидроксид и подобни химически съединения.

Трудности при извличането и характеризирането на лигнин

Различни автори твърдят, че има поредица от технически трудности, свързани с извличането на лигнин, факт, който усложнява изследването на неговата структура.

В допълнение към техническите трудности, молекулата е ковалентно свързана с целулозата и останалите полизахариди, които съставляват клетъчната стена. Например, в дървесината и други лигнифицирани структури (като стъбла) лигнинът е силно свързан с целулозата и хемицелулозата.

И накрая, полимерът е изключително променлив между растенията. Поради посочените причини, обикновено е синтетичният лигнин да се използва за изследване на молекулата в лаборатории.

Повечето използвани методи за екстракция

По-голямата част от методите за извличане на лигнин променят структурата му, предотвратявайки изследването му. От всички съществуващи методологии изглежда най-важният крафт. По време на процедурата лигнинът се отделя от въглехидратите с основен разтвор на натриев хидроксид и натриев сулфид в пропорции 3: 1.

Така изолационния продукт е тъмно кафяв прах поради наличието на фенолни съединения, чиято средна плътност е 1,3 до 1,4 грама / cm ³.

Мономери, получени от фенилпропаноиди

Въпреки тези методологични конфликти е известно, че лигниновият полимер се състои главно от три фенилпропаноидни производни: иглолистни, кумаринови и синапилни алкохоли. Тези съединения се синтезират, като се започне от ароматните аминокиселини, наречени фенилаланин и тирозин.

Общият състав на лигниновата рамка е почти изцяло доминиран от споменатите съединения, тъй като са открити начални концентрации на протеини.

Делът на тези три фенилпропаноидни единици е променлив и зависи от изследваните растителни видове. Възможно е също да се открият вариации в пропорциите на мономерите в органите на един и същ индивид или в различни слоеве на клетъчната стена.

Триизмерна структура на лигнин

Високото съотношение въглерод-въглерод и въглерод-кислород-въглеродни връзки генерира силно разклонена триизмерна структура.

За разлика от други полимери, които откриваме в изобилие в зеленчуците (като нишесте или целулоза), лигнин мономерите не се полимеризират по повтарящ се и предсказуем начин.

Въпреки че изглежда, че свързването на тези градивни елементи се движи от стохастични сили, последните изследвания установяват, че протеинът изглежда медиира полимеризация и образува голяма повтаряща се единица.

Характеристика

Въпреки че лигнинът не е повсеместен компонент на всички растения, той изпълнява много важни функции, свързани със защитата и растежа.

На първо място, той е отговорен за защитата на хидрофилните компоненти (целулоза и хемицелулоза), които нямат типичната стабилност и твърдост на лигнин.

Тъй като се намира изключително от външната страна, тя служи като защитна обвивка срещу изкривяване и компресия, като оставя целулозата да отговаря за силата на опън.

Когато компонентите на стената се намокрят, те губят механична здравина. Поради тази причина е необходимо наличието на лигнин с водоустойчивия компонент. Доказано е, че експерименталното намаляване на процента лигнин в дървесината е свързано с намаляването на механичните свойства на същия.

Защитата на лигнин се простира и до възможни биологични агенти и микроорганизми. Този полимер предотвратява проникването на ензими, които биха могли да разграждат жизненоважни клетъчни компоненти.

Той също така играе основна роля за модулиране на транспортирането на течност до всички структури на централата.

синтез

Образуването на лигнин започва с реакция на дезаминиране на аминокиселините фенилаланин или тирозин. Химическата идентичност на аминокиселината не е много важна, тъй като преработката и на двете води до едно и също съединение: 4-хидроксицинамат.

Това съединение се подлага на серия от химични реакции на хидроксилиране, трансфер на метилови групи и редукция на карбоксилната група, докато се получи алкохол.

Когато са образувани трите прекурсори на лигнин, споменати в предишния раздел, се предполага, че те се окисляват до свободни радикали, за да се създадат активни центрове за насърчаване на процеса на полимеризация.

Независимо от силата, която насърчава съединението, мономерите един към друг чрез ковалентни връзки и създават сложна мрежа.

Деградация

Химическо разграждане

Поради химичните характеристики на молекулата лигнинът е разтворим в разтвори на водни основи и горещ бисулфит.

Гъбично-медиирано ензимно разграждане

Разграждането на лигнин, медиирано от присъствието на гъби, е било подробно проучено от биотехнологиите за избелване и обработка на останките, получени след производството на хартия, наред с други приложения.

Гъбичките, които са способни да разграждат лигнин, се наричат ​​гъбички с бяло гниене, които са в контраст с гъбички от кафяво гниене, които атакуват целулозни молекули и други подобни. Тези гъби са хетерогенна група и най-видният им представител е видовете Phanarochaete chrysosporium.

Чрез реакции на окисляване - косвени и случайни - връзките, които държат мономерите заедно, постепенно се разрушават.

Действието на гъбичките, които атакуват лигнин, оставя след себе си голямо разнообразие от фенолни съединения, киселини и ароматни алкохоли. Някои остатъци могат да минерализират, докато други произвеждат хуминови вещества.

Ензимите, които извършват този процес на разграждане, трябва да бъдат извънклетъчни, тъй като лигнинът не е свързан от хидролизиращи се връзки.

Лигнин в храносмилането

За тревопасните животни лигнинът е влакнест компонент на растенията, който не е смилаем. Тоест, не се атакува от типичните ензими за храносмилане или от микроорганизмите, които живеят в дебелото черво.

По отношение на храненето, тя не допринася с нищо за организма, който го консумира. Всъщност може да намали процента на усвояемост на други хранителни вещества.

Приложения

Според някои автори, въпреки че селскостопанските остатъци могат да се получат в почти неизчерпаеми количества, засега няма важно приложение за въпросния полимер.

Въпреки че лигнинът е изследван от края на 19 век, усложненията, свързани с неговата обработка, затрудняват боравенето. Други източници обаче предполагат, че лигнинът може да бъде експлоатиран и предлагат няколко потенциални приложения въз основа на свойствата на твърдост и якост, които обсъдихме.

В момента се разработват серия консерванти за дървесина на базата на лигнин, комбинирани с поредица от съединения, за да се предпазят от увреждане, причинено от биотични и абиотични агенти.

Освен това може да бъде идеално вещество за строителни изолатори, както термични, така и звукови.

Предимството на включването на лигнин в индустрията е ниската му цена и възможното му използване като заместител на суровината, разработена от изкопаеми горива или други нефтохимични ресурси. По този начин лигнинът е полимер с голям потенциал, който се стреми да бъде използван.

Препратки

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). Въведение в клетъчната биология. Panamerican Medical Ed.
2. Браво, LHE (2001). Ръководство за лаборатория по морфология на растенията. Bib. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Покана за биология. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Биомеханика: физика и физиология (№ 30). Редакция на CSIC-CSIC Press.
5. Raven, PH, Evert, RF, и Eichhorn, SE (1992). Растителна биология (том 2). Обърнах се.
6. Родригес, EV (2001). Физиология на производството на тропически култури. Редакционен университет в Коста Рика.
7. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Физиология на растенията. Университет Jaume I.