4.3.1. Общие замечания

Альгинаты являются природными высокомолекулярными полимерами (солями альгиновой кислоты). Степень полимеризации альгинатов после промышленной обработки составляет обычно от 50 до 3000, что соответствует молекулярной массе от 10 до 600 кДа. Альгиновая кислота - это блочный сополимер ᵝ-D-маннуроновой кислоты (М) и его С5-эпимера, а также а-1-гулуроновой кислоты (G), соединенных в линейный полисахарид (1,4)-гликозидными связями (рис. 4.3).

Рис. 4.3. Блочная структура альгината. Сверху вниз: G-, М- и МG-блоки (чередующиеся М- и G-блоки).

4.3.2. Конфигурация

Установлено, что мономерные М- и С-остатки объединены в альгина­тах в участки из rомополимерных М- (-МММММ-) и С-блоков (-GGGGG-) или rетерополимерных блоков из чередующихся М- и С-блоков (MGMGMG). Мономеры в полимерной цепи обладают наиболее энергетически выгодной структурой. Таковой для С-С является 1С4-кресловидная форма, в которой мономеры соединены а-(1,4)- гликозидной связью, а для М-М-блоков - 4С1- кресловидная форма с мономерами, соединенными ᵝ-(1,4)-rликозидной связью. Именно эпимерная конфигурация карбоксильных групп определяет, каким об­разом соединяются остатки сахаров: в блоке М-М rликозидная связь является экваториально-экваториальной, в блоке С-С - аксиально-аксиальной, а в блоке М-С - экваториально-аксиальной. От заряда и объема карбоксильных групп зависит растяжимость и гибкость этих конформаций. Показано, что наиболее гибкой является конформация М-С, а наиболее жесткой - С-С (то есть гиб­кость убывает в последовательности МС> ММ> СС) [37, 38]. Если заряд экра­нировать (например, в 0,1 М растворе NaCl), то эти конформации будут иметь одинаковую растяжимость, что свидетельствует об определяющем влиянии на жесткость электростатических (а не стерических) эффектов [49]..

4.3.3. Биосинтез альгинатов

Распределение блоков в альгинате определяется биосинтезом полимера в во­дорослях, генетическими факторами и внешними условиями. На первых стадиях биосинтеза альгинатов в бурых водорослях образуется полиманнуронат - гомополимер маннуроновой кислоты (М). Затем на полиманнуронатную цепь дей­ствуют мембранно-связанные и внеклеточные альгинатные эпимеразы, переводя М в G в определенных областях полимера [26]. Хотя большая часть исследований биосинтеза проводилась на альгинат-продуцирующих бактериях, такие же пути метаболизма характерны и для водорослей, в том числе механизм действия эпи­меразы [36]. Конечная структура альгината определяется главным образом типом и реакционной способностью эпимеразы. Из бактерий Azotobacter vinelandii были клонированы и изолированы семь бактериальных эпимераз, действие которых при­водит к получению альгинатных цепей разного строения - от чередующихся М-G- последовательностей до длинных G-блоков [14]. В бурых водорослях обнаружены гены, похожие на гены бактериальных эпимераз [32]. Предполагается, что состав альгинатов определяется путями биосинтеза в водорослях. Показано, в частности, что в листьях спорофитов, растущих в зонах с недостаточной освещенностью, после их переноса в более открытые места существенно возрастает доля G-G-блоков [48].

4.3.4. Анализ блоковой структуры

Типовой состав альгинатов из разных видов бурых водорослей. По [48]

Определить блоковую структуру альгината можно несколькими способами, на­пример, химической экстракцией GG-, ММ- и МG-блоков [20, 21], ферментативным методом [33] или, чаще всего, методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) [19]. С помощью ¹H ЯМР-метода можно определить соотношение FMG, GM, FGGG,FGGM и FMGM (буквой F обозначено содержание тех или иных блоков). Полученные средние значения используют для оценки гелеобразующих свойств промышленно выпускаемых альгинатов из различных источников. Значе­ния F полученные методом ЯМР, приведены в табл. 4.1 (за исключением данных поLessonia trabeculata, которые были определены методом химической экстракции).

Таблица 4.1