»
БИООРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ, 2001, том 27, № 6, с. 444-448
УДК 547.458.7+582.272
ПОЛИСАХАРИДЫ ВОДОРОСЛЕЙ. 55. ПОЛИСАХАРИДНЫЙ СОСТАВ НЕКОТОРЫХ БУРЫХ ВОДОРОСЛЕЙ КАМЧАТКИ © 2001 г. А. И. Усов*#, Г. П. Смирнова*, Н. Г. Клочкона**
* Институт органической химии им. И.Д. Зелинского РАИ, 119991, Москва, ГСП-1, Ленинский просп., 47;
**Камчатский институт экологии и природопользования РАН, Петрогшвловск-Камчатский Поступила в редакцию 19.01.2001 г. Принята к печати 12.02.2001 г.
С помощью специально разработанной методики спектрофотометрического анализа экстрактов биомассы определено содержание фукоидана и альгината в 17 видах бурых водорослей, собранных на побережье полуострова Камчатка. Кроме того, проведен количественный анализ нейтральных моносахаридов и маннита в гидролизатах биомассы исследованных образцов водорослей. Показано, что полисахаридный состав биомассы существенно зависит от вида водоросли. Наибольшее содержание альгинатов отмечено в Alaria margínala; удобными источниками этих полисахаридов могут служить также все другие представители порядка Laminariales. В то же время водоросли этого порядка характеризуются низким содержанием фукоиданов. Наибольшее количество фукоидана найдено в Saundersella simplex, однако с практической точки зрения более удобными источниками фукоиданов являются Chordaria flagelliformis и Fucus evanescens; последняя водоросль благодаря ее доступности и углеводному составу наиболее пригодна для комплексной переработки с целью получения маннита, фукоидана и альгиновой кислоты.
Ключевые слова: бурые водоросли; алъгиновые кислоты; фукоиданы; ламинараны.
ВВЕДЕНИЕ
Бурые водоросли существенно отличаются по структуре веществ углеводной природы от водорослей других отделов и от наземных растений [2]. Резервным материалом в них служат маннит и сравнительно низкомолекулярные (3-1,3-1,6-глю-каны - ламинараны. В клеточных стенках и межклеточном пространстве содержатся соли альгино-вых кислот - альгинаты - и сложные сульфатиро-ванные полисахариды, называемые фукоиданами, поскольку их главным моносахаридным компонентом обычно является ¿-фукоза.
Альгиновые кислоты представляют собой линейные полимеры, молекулы которых построены из 1,4-связанных остатков (З-О-маннуроновой и а-/.-гулуроновой кислот. Альгинаты разного происхождения могут существенно различаться как соотношением этих двух мономеров, так и распределением их вдоль полимерной цепи. Оба эти параметра оказывают определяющее влияние на свойства полисахаридов, особенно на важную в практическом отношении способность к ге-леобразованию и на избирательное взаимодействие с двухвалентными катионами. Альгиновые кислоты и альгинаты находят широкое примене-
Сообщение 54 см. [1]. # Автор для переписки (тел.: (095) 137-67-91; факс: (095) 135-53-28; эл. почта: usov@ioc.ac.ru).
ние в пищевой промышленности, биотехнологии и медицине. Химическая переработка бурых водорослей, направленная на получение этих полисахаридов, - одно из главных направлений их практического использования, которое осуществляется в широком масштабе [3]. В отдельных случаях при этом получают одновременно и маннит - также для медицинских целей [4].
Ламинараны и фукоиданы пока не нашли широкого практического использования. Из этих полисахаридов наибольший интерес представляют фукоиданы, которые проявляют многочисленные важные биологические эффекты, связанные с их способностью модифицировать свойства клеточной поверхности. Считается, что они могут найти применение при разработке новых медицинских препаратов противовирусного, противовоспалительного, противоопухолевого, иммуномодули-рующего, контрацептивного и антикоагулянтного действия [5-8]. Биологическую активность фукоиданов относят в первую очередь к высокой степени сульфатирования их молекул, хотя очевидно, что тонкие детали структуры и молекулярно-мас-совое распределение также существенно влияют на биологические свойства препаратов [5, 9, 10]. Однако большие трудности, с которыми сопряжено установление строения этих разветвленных и высокосульфатированных полисахаридов, не
позволяют пока непосредственно связать проявление той или иной активности с определенными деталями структуры их молекул.
Прибрежные воды Камчатки могли бы служить практически неисчерпаемым источником бурых водорослей для промышленной переработки. К сожалению, в настоящее время эти ресурсы не используются и с химической точки зрения изучены недостаточно. В одной из предыдущих статей 111] мы привели сведения о содержании маннита в 25 образцах бурых водорослей Камчатки (17 видов). Целью данной работы является оценка содержания фукоидана и альгината в тех же образцах водорослей.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Для анализа полисахаридного состава биомассы применяют несколько различных подходов. Например, можно использовать методику фракционной экстракции с последующим гравиметрическим определением отдельных фракций. Недостаток способа - большая длительность и трудоемкость процесса. Другим приемом является кислотный гидролиз биомассы с последующим хроматографическим определением отдельных моносахаридов. Такой подход позволяет оценить содержание ламинарана по выходу глюкозы, фукоидана - по выходу фукозы, одновременно определить маннит, но, к сожалению, не дает надежных сведений о содержании альгиновых кислот вследствие их устойчивости к гидролизу [12]. Оба эти метода были применены нами ранее для характеристики полисахаридного состава некоторых бурых водорослей Японского моря [13]. Гидролиз биомассы и определение нейтральных моносахаридов с помощью ГЖХ проводились и в
данной работе (таблица)*, однако необходимость получения сведений о содержании альгинатов заставила нас обратиться к разработке более универсальной методики анализа.
Наиболее простым и надежным способом определения фукоиданов может служить спектрофото-метрия, основанная на специфической цветной реакции фукозы с L-цистеином и серной кислотой. Эту реакцию дают и другие 6-дезоксигексозы, но в биомассе бурых водорослей они, как правило, отсутствуют, а влияние прочих Сахаров можно исключить, проводя измерение при двух длинах волн [14]. Именно такая процедура рекомендована в известном практическом руководстве по биохимии водорослей [15], хотя, как правило, ее применению препятствует сильная собственная окра-
* Необходимо иметь в виду, что в работе [13] результаты выражены в % от биомассы, из которой предварительно были удалены низкомолекулярные вещества, тогда как в данной статье, как и в работе [11], водоросли подвергались только высушиванию и измельчению.
ска кислых водных экстрактов биомассы, содержащих фукоидан. Чтобы исключить влияние окраски, в цитируемой методике предлагается проводить фракционное осаждение фукоидана этанолом в присутствии солей магния, что сильно усложняет анализ и часто неэффективно. Аналогично альгинаты удобнее всего было бы определять спектрофотометрически по одной из цветных реакций, характерных для уроновых кислот, но щелочные экстракты биомассы, содержащие альгинаты, обычно окрашены имеющимися в водоросли пигментами еще более интенсивно, чем кислые экстракты, содержащие фукоидан.
Мы показали, что помехи для спектрофотоме-трического анализа, связанные с собственной окраской экстрактов, можно устранить, применив обесцвечивание кислых экстрактов действием небольших добавок хлорита натрия, а щелочных экстрактов - действием брома [16]. Полученные бесцветные растворы после удаления неорганических солей диализом пригодны для спектрофо-тометрического определения фукоидана и альгината. С помощью этой методики были получены количественные данные, приведенные в таблице (разработка методики анализа описана в отдельной статье [17]).
Анализируя данные таблицы, рассмотрим вначале информацию, полученную с помощью гидролиза биомассы. Количественное определение маннита в кислотном гидролизате методом ГЖХ дало результаты, в большинстве случаев весьма близкие к данным с использованием предварительной исчерпывающей экстракции маннита из биомассы [11]. Существенное завышение отмечено только для образца 4, что объясняется большим содержанием фукоидана в этой водоросли (ранее уже отмечалось [11], что при дериватиза-ции фукозы образуется неидентифицированное соединение, пик которого на хроматограмме может частично накладываться на пик гексаацетата маннита). Содержание ламинаранов следует из выхода глюкозы при гидролизе. Как видно из таблицы, в большинстве образцов этот полисахарид содержится в количестве около 1%. Заметным исключением служит только Alaria margina-ta, где содержание ламинарана превышает 6% в спорофиллах и 10% в черешках. Содержание фукоиданов следует из выхода фукозы. Наиболее богатым источником фукоидана является Saun-dersella simplex (4), далее идут Chordariaflagellifor-mis (2), С. gracilis (3), Dictyosiphon foeniculaceus (5) и Fucus evanescens (25). Представители порядка ламинариевых весьма бедны фукоиданами, однако интересным исключением являются спорофиллы A. marginata (20), содержащие в несколько раз больше фукозы, чем другие части этого растения (образцы 19,21,22). Выход прочих нейтральных моносахаридов (ксилозы, маннозы и галактозы) при гидролизе биомассы всех исследованных водорослей
Углеводный состав биомассы бурых водорослей Камчатки (% от сухого веса)
Номер образца Вид водоросли Часть растения Полисахариды (по данным спект-рофотометрии) Моносахариды в гидролизате биомассы (по данным ГЖХ)
альгинат фукои-дан Ху1 Fue Man Glc Gal Man-ol
Класс Phaeosporophyceae
Порядок Ectocarpales
Сем. Ectocarpaceae
1 Pylayella littoralis (L.) Kjellm. Весь таллом 9.2 1.2 1.7 1.4 0.7 1.3 2.0 1.4
Порядок Chordariales
Сем. Chordariaceae
2 Chordaria flagelliformis (Mull.) Ag. » 17.1 14.3 0.3 10.7 0.9 0.9 1.9 0.7
3 C. gracilis Setch. et Gardn. » 19.0 9.0 0.3 8.3 1.1 1.0 2.9 1.1
4 Saundersella simplex (Saund.) Kylin » 11.0 20.4 1.5 12.8 0.9 1.7 1.8 2.4
Порядок Dictyosiphonales
Сем. Dictyosiphonaceae
5 Dictyosiphonfoeniculaceus (Huds.) » 10.2 6.0 1.6 5.4 0.8 0.9 1.5 1.4
Grev.
Порядок Scytos
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.