Ксилан

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.

Структура ксилану в листяних породах деревини.

Клітинна стінка рослин складається з целюлози, геміцелюлози, пектину та глікопротеїнів. Геміцелюлози (гетерогенна група полісахаридів) з'єднують глікани, що з'єднують волокна целюлози і утворюють сітчасту структуру для відкладення інших полісахаридів.

Композиція

Ксилани — полісахариди, що складаються із залишків ксилози (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. На основі заміщених груп ксилан можна поділити на три класи: i) глюкуроноксилан (GX) ii) нейтральний арабіноксилан (AX) та iii) глюкуроноарабіноксилан (GAX).

Біосинтез

Дослідження мутацій на Arabidopsis (різушка) показали, що у біосинтезі ксиланів беруть участь декілька глікозилтрансфераз. Глікозилтрансферази (ГТ) каталізують утворення глікозидних зв'язків між молекулами цукру, використовуючи нуклеотидний цукор як молекулу-донор. В евкаріотів ГТ складають від 1 % до 2 % генних продуктів. 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. Мутант Arabidopsis irx9 (At2g37090), irx14 (At4g36890), irx10/gut2 (At1g27440), irx10-L/gut1 (At5g61840) показав дефект біосинтезу основи ксилану. Мутанти irx7, irx8, і parvus, як вважають, пов'язані зі зниженням біосинтезу олігосахаридів. Таким чином, багато генів були пов'язані з біосинтезом ксилану, але їхній біохімічний механізм досі невідомий.

Катаболізм

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

Роль у структурі клітин рослин

Ксилани відіграють важливу роль у цілісності клітинної стінки рослин і збільшують стійкість клітинної стінки до ферментативного каталізу ; 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.

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 які можуть дати рішення у біоінженерії, наприклад, у виробництві біопалива з кукурудзи, рису та проса.

Комерційне застосування

Ксилан використовується в різних частинах нашого повсякденного життя. Наприклад, на якість зернового борошна та твердість тіста значною мірою впливає кількість ксилану, 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. Деякі водорості, наприклад зелені, містять ксилан (власне гомоксилан), зокрема придставники родів в Codium^[en] і Bryopsis, 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 через їх потенційні пребіотичні властивості. Ксилан може бути перетворений на ксилоолігосахариди шляхом хімічного гідролізу з використанням кислот або ферментативного гідролізу з використанням ендо-ксиланаз. Деякі ферменти з дріжджів можуть виключно перетворювати ксилан лише на ксилоолігосахариди-DP-3 до 7.

Ксилан є основним компонентом вторинних клітинних стінок рослин, що є основним джерелом відновлюваної енергії, особливо для біопалива другого покоління. 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.

Примітки

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. 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. 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. 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. 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. . 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.