Ксилани (англ. Xylan) (номер CAS: 9014-63-5) — група геміцелюлоз, третій найпоширеніший біополімер на Землі. Міститься в рослинах, у вторинних клітинних стінках дводольних та у всіх клітинних стінках трав.[3]

Структура ксилану в листяних породах деревини.[1]
Клітинна стінка рослин складається з целюлози, геміцелюлози, пектину та глікопротеїнів.[2] Геміцелюлози (гетерогенна група полісахаридів) з'єднують глікани, що з'єднують волокна целюлози і утворюють сітчасту структуру для відкладення інших полісахаридів.

КомпозиціяРедагувати

Ксилани — полісахариди, що складаються із залишківксилози (пентозного цукру) β-1,4, з бічними гілками α-арабінофуранози та/або α-глюкуронової кислоти, які в деяких випадках сприяють поєднанняю мікрофібрил целюлози та лігніну через залишки ферулової кислоти.[4] На основі заміщених груп ксилан можна поділити на три класи: i) глюкуроноксилан (GX) ii) нейтральний арабіноксилан (AX) та iii) глюкуроноарабіноксилан (GAX).[5]

БіосинтезРедагувати

Дослідження мутацій на Arabidopsis (різушка) показали, що у біосинтезі ксиланів беруть участь декілька глікозилтрансфераз.[6][7][8] Глікозилтрансферази (ГТ) каталізують утворення глікозидних зв'язків між молекулами цукру, використовуючи нуклеотидний цукор як молекулу-донор.[7] В евкаріотів ГТ складають від 1 % до 2 % генних продуктів.[9] ГТ збираються в комплекси, що існують в апараті Гольджі. Однак з тканин різушки не виділено жодного комплексу ксилансинтази. Перший ген, що бере участь у біосинтезі ксилану, був виявлений на мутантах ксилеми (irx) у Arabidopsis thaliana через деякі мутації, що впливають на гени біосинтезу ксилану. В результаті цього спостерігався аномальний ріст рослин через витончення та ослаблення вторинних клітинних стінок ксилеми.[8] Мутант Arabidopsis irx9 (At2g37090), irx14 (At4g36890), irx10/gut2 (At1g27440), irx10-L/gut1 (At5g61840) показав дефект біосинтезу основи ксилану.[8] Мутанти irx7, irx8, і parvus, як вважають, пов'язані зі зниженням біосинтезу олігосахаридів.[10] Таким чином, багато генів були пов'язані з біосинтезом ксилану, але їхній біохімічний механізм досі невідомий.

КатаболізмРедагувати

Ксиланаза каталізує катаболізм ксилану на ксилозу . Враховуючи, що рослини містять багато ксилану, ксиланаза, таким чином, важлива для кругообігу поживних речовин.

Роль у структурі клітин рослинРедагувати

Ксилани відіграють важливу роль у цілісності клітинної стінки рослин і збільшують стійкість клітинної стінки до ферментативного каталізу ;[11] таким чином, вони допомагають рослинам захищатися від травоїдних і патогенних мікроорганізмів (біотичний стрес). Ксилан також відіграє значну роль у рості та розвитку рослин. Як правило, вміст ксиланів у листяних деревах становить 10-35 %, тоді як у хвойних деревах вони складають 10-15 %. Основним компонентом ксилану в твердих деревних порід є О-ацетил-4-О-метилглюкуроноксилан, тоді як арабіно-4-О-метилглюкуроноксилани є основним компонентом у хвойних деревах. В цілому ксилани хвойних порід відрізняються від ксиланів листяних порід відсутністю ацетильних груп та наявністю одиниць арабінози, пов'язаних α-(1,3)-глікозидними зв'язками із ксилановою основою.[12]

Гістологія, молекулярна фізіологія та фізична хімія взаємодій між трьома основними структурними біополімерами ксиланом, целюлозою та лігніном для забезпечення жорсткості клітинних стінок рослин є темами сучасних досліджень[13][14] які можуть дати рішення у біоінженерії, наприклад, у виробництві біопалива з кукурудзи, рису та проса.[14]

Комерційне застосуванняРедагувати

Ксилан використовується в різних частинах нашого повсякденного життя. Наприклад, на якість зернового борошна та твердість тіста значною мірою впливає кількість ксилану[5], що відіграє значну роль у хлібній промисловості. Основна складова ксилану може бути перетворена в ксиліт, який використовується як натуральний підсолоджувач їжі, що зменшує ризик карієсу і діє як замінник цукру для хворих на цукровий діабет. Він має набагато більше застосувань у тваринницькій промисловості, оскільки корм для птиці містить високий відсоток ксилану.[5] Деякі водорості, наприклад зелені, містять ксилан (власне гомоксилан[15]), зокрема придставники родів в Codium і Bryopsis[16], де він замінює целюлозу в клітинній стінці матриці. Так само він замінює внутрішній фібрилярний шар клітинної стінки целюлози у деяких червоних водоростей.

Ксилан є одним з провідних факторів боротьби зі зниженням поживності загальновживаної кормової сировини. Ксилоолігосахариди, вироблені з ксилану, вважаються «функціональною їжею» або харчовими волокнами[17] через їх потенційні пребіотичні властивості.[18] Ксилан може бути перетворений на ксилоолігосахариди шляхом хімічного гідролізу з використанням кислот[19] або ферментативного гідролізу з використанням ендо-ксиланаз.[20] Деякі ферменти з дріжджів можуть виключно перетворювати ксилан лише на ксилоолігосахариди-DP-3 до 7.[21]

Ксилан є основним компонентом вторинних клітинних стінок рослин, що є основним джерелом відновлюваної енергії, особливо для біопалива другого покоління.[22] Однак ксилоза (кістяк ксилану) — це пентозний цукор, який важко збродити під час перетворення біопалива, оскільки такі мікроорганізми, як дріжджі, не можуть переробляти пентозу природним шляхом.[23]

ПриміткиРедагувати

  1. Horst H. Nimz, Uwe Schmitt, Eckart Schwab, Otto Wittmann, Franz Wolf «Wood» in Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2005, Wiley-VCH, Weinheim. DOI:10.1002/14356007.a28_305
  2. Carpita, Nicholas C. (1 січня 2011). Update on Mechanisms of Plant Cell Wall Biosynthesis: How Plants Make Cellulose and Other (1→4)-β-d-Glycans. Plant Physiology (англ.) 155 (1): 171–184. ISSN 0032-0889. PMC 3075763. PMID 21051553. doi:10.1104/pp.110.163360. 
  3. Mellerowicz, E. J.; Gorshkova, T. A. (16 листопада 2011). Tensional stress generation in gelatinous fibres: a review and possible mechanism based on cell-wall structure and composition. Journal of Experimental Botany (англ.) 63 (2): 551–565. ISSN 0022-0957. PMID 22090441. doi:10.1093/jxb/err339. 
  4. Balakshin, Mikhail; Capanema, Ewellyn; Gracz, Hanna; Chang, Hou-min; Jameel, Hasan (5 лютого 2011). Quantification of lignin–carbohydrate linkages with high-resolution NMR spectroscopy. Planta (англ.) 233 (6): 1097–1110. ISSN 0032-0935. PMID 21298285. doi:10.1007/s00425-011-1359-2. 
  5. а б в Faik, Ahmed (1 червня 2010). Xylan Biosynthesis: News from the Grass. Plant Physiology (англ.) 153 (2): 396–402. ISSN 0032-0889. PMC 2879768. PMID 20375115. doi:10.1104/pp.110.154237. 
  6. Brown, David M.; Zhang, Zhinong; Stephens, Elaine; Dupree, Paul; Turner, Simon R. (29 січня 2009). Characterization of IRX10 and IRX10-like reveals an essential role in glucuronoxylan biosynthesis in Arabidopsis. The Plant Journal (англ.) 57 (4): 732–746. ISSN 0960-7412. PMID 18980662. doi:10.1111/j.1365-313x.2008.03729.x. 
  7. а б Keegstra, Kenneth; Raikhel, Natasha (1 червня 2001). Plant glycosyltransferases. Current Opinion in Plant Biology (англ.) 4 (3): 219–224. ISSN 1369-5266. PMID 11312132. doi:10.1016/S1369-5266(00)00164-3. 
  8. а б в Wu, Ai-Min; Hörnblad, Emma; Voxeur, Aline; Gerber, Lorenz; Rihouey, Christophe; Lerouge, Patrice; Marchant, Alan (1 червня 2010). Analysis of the Arabidopsis IRX9/IRX9-L and IRX14/IRX14-L Pairs of Glycosyltransferase Genes Reveals Critical Contributions to Biosynthesis of the Hemicellulose Glucuronoxylan. Plant Physiology (англ.) 153 (2): 542–554. ISSN 0032-0889. PMC 2879767. PMID 20424005. doi:10.1104/pp.110.154971. 
  9. Lairson, L.L.; Henrissat, B.; Davies, G.J.; Withers, S.G. (2 червня 2008). Glycosyltransferases: Structures, Functions, and Mechanisms. Annual Review of Biochemistry (англ.) 77 (1): 521–555. ISSN 0066-4154. PMID 18518825. doi:10.1146/annurev.biochem.76.061005.092322. 
  10. Peña, Maria J.; Zhong, Ruiqin; Zhou, Gong-Ke; Richardson, Elizabeth A.; O'Neill, Malcolm A.; Darvill, Alan G.; York, William S.; Ye, Zheng-Hua (1 лютого 2007). Arabidopsis irregular xylem8 and irregular xylem9: Implications for the Complexity of Glucuronoxylan Biosynthesis. The Plant Cell (англ.) 19 (2): 549–563. ISSN 1040-4651. PMC 1867335. PMID 17322407. doi:10.1105/tpc.106.049320. 
  11. Faik, Ahmed (2013). "Plant Cell Wall Structure-Pretreatment" the Critical Relationship in Biomass Conversion to Fermentable Sugars. SpringerBriefs in Molecular Science (англ.). Springer Netherlands. с. 1–30. ISBN 9789400760516. doi:10.1007/978-94-007-6052-3_1. 
  12. Sixta, Herbert, ред. (2006). Handbook of pulp 1. Weinheim, Germany: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. с. 28–30. ISBN 978-3-527-30999-3. 
  13. Simmons, TJ; Mortimer, JC; Bernardinelli, OD; Pöppler, AC (2016). Folding of xylan onto cellulose fibrils in plant cell walls revealed by solid-state NMR. Nature Communications 7: 13902. Bibcode:2016NatCo...713902S. PMC 5187587. PMID 28000667. doi:10.1038/ncomms13902. 
  14. а б Kang, X; Kirui, A; Dickwella Widanage, MC; Mentink-Vigier, F (2019). Lignin-polysaccharide interactions in plant secondary cell walls revealed by solid-state NMR. Nature Communications 10 (1): 347. Bibcode:2019NatCo..10..347K. PMC 6341099. PMID 30664653. doi:10.1038/s41467-018-08252-0. 
  15. Ebringerová, Anna; Hromádková, Zdenka; Heinze, Thomas (1 січня 2005). У Heinze, Thomas. Hemicellulose. Advances in Polymer Science (англ.). Springer Berlin Heidelberg. с. 1–67. ISBN 9783540261124. doi:10.1007/b136816. 
  16. Xylan Glycoproducts for life sciences - Engineering and production. www.elicityl-oligotech.com. Архів оригіналу за 29 квітня 2015. Процитовано 20 квітня 2016. 
  17. Alonso, JL; Dominguez, H; Garrote, G; Parajo, JC; Vazques, MJ (2003). Xylooligosaccharides: properties and production technologies. Electron. J. Environ. Agric. Food Chem 2 (1): 230–232. 
  18. Broekaert, W.F.; Courtin, C.M.; Verbeke, C.; Van de Wiele, T.; Verstraete, W.; Delcour, J.A (2011). Prebiotic and Other Health-Related Effects of Cereal-Derived Arabinoxylans, Arabinoxylan-Oligosaccharides, and Xylooligosaccharides. Critical Reviews in Food Science and Nutrition 51 (2): 178–194. PMID 21328111. doi:10.1080/10408390903044768. 
  19. Akpinar, O; Erdogan, K; Bostanci, S (2009). Production of xylooligosaccharides by controlled acid hydrolysis of lignocellulosic materials. Carbohydrate Research 344 (5): 660–666. PMID 19211099. doi:10.1016/j.carres.2009.01.015. 
  20. Linares-Pastén, J.A.; Aronsson, A.; Nordberg Karlsson, E. (2017). Structural Considerations on the Use of Endo-Xylanases for the Production of prebiotic Xylooligosaccharides from Biomass. Current Protein & Peptide Science 18 (1): 48–67. ISSN 1875-5550. PMC 5738707. PMID 27670134. doi:10.2174/1389203717666160923155209. 
  21. Adsul, MG; Bastawde, KG; Gokhale, GV (2009). Biochemical characterization of two xylanases from yeast Pseudozyma hubeiensis producing only xylooligosaccharides. Bioresource Technology 100 (24): 6488–6495. PMID 19692229. doi:10.1016/j.biortech.2009.07.064. 
  22. Johnson, Kim L.; Gidley, Michael J.; Bacic, Antony; Doblin, Monika S. (1 лютого 2018). Cell wall biomechanics: a tractable challenge in manipulating plant cell walls 'fit for purpose'!. Current Opinion in Biotechnology (англ.) 49: 163–171. ISSN 0958-1669. PMID 28915438. doi:10.1016/j.copbio.2017.08.013. 
  23. Rennie, Emilie A.; Scheller, Henrik Vibe (1 квітня 2014). Xylan biosynthesis. Current Opinion in Biotechnology (англ.) 26: 100–107. ISSN 0958-1669. PMID 24679265. doi:10.1016/j.copbio.2013.11.013.