LIGNIN: STRUKTURA, FUNKCE, EXTRAKCE, DEGRADACE, POUŽITÍ - BIOLOGIE - 2025

Lignin (z latinského Lignum, což znamená, dřevo nebo dřevo) je polymer sám o sobě cévnatých rostlin rozměrová, amorfní a složitá konstrukce. V rostlinách slouží jako „cement“, který dává rostlinným kmenům, kmenům a jiným strukturám sílu a odolnost.

Nachází se hlavně v buněčné stěně a chrání ji před mechanickými silami a patogeny, přičemž se také nachází v malém poměru uvnitř buňky. Chemicky má celou řadu aktivních center, která jim umožňují interagovat s jinými sloučeninami. V těchto běžných funkčních skupinách máme mimo jiné fenolické, alifatické, methoxyhydroxylové skupiny.

Možný model ligninu. Zdroj: skutečné jméno: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

Protože lignin je vysoce komplexní a rozmanitá trojrozměrná síť, struktura molekuly nebyla s jistotou objasněna. Je však známo, že se jedná o polymer vytvořený z coniferylalkoholu a dalších fenylpropanoidních sloučenin odvozených od aromatických aminokyselin fenylalaninu a tyrosinu.

Polymerace monomerů, které ji tvoří, se liší v závislosti na druhu a nedělá to opakovaným a předvídatelným způsobem jako jiné hojné polymery zeleniny (škrob nebo celulóza).

Doposud jsou k dispozici pouze hypotetické modely molekuly ligninu a pro její studium v ​​laboratoři obvykle používají syntetické varianty.

Způsob extrakce ligninu je složitý, protože se váže na jiné složky stěny a je velmi heterogenní.

Objev

První osoba, která oznámila přítomnost ligninu, byl švýcarský vědec AP de Candolle, který popsal jeho základní chemické a fyzikální vlastnosti a vytvořil termín „lignin“.

Hlavní vlastnosti a struktura

Lignin je druhá nejhojnější organická molekula v rostlinách po celulóze, která je většinou součástí buněčných stěn rostlin. Rostliny každoročně produkují 20 × ¹⁰⁹ tun ligninu. Nicméně, přes jeho hojnost, jeho studie byla docela omezená.

Významný podíl veškerého ligninu (přibližně 75%) je umístěn ve buněčné stěně poté, co vrcholí celulosová struktura (prostorově řečeno). Umístění ligninu se nazývá lignifikace a toto se kryje s událostmi buněčné smrti.

Je to opticky neaktivní polymer, nerozpustný v kyselých roztocích, ale rozpustný v silných zásadách, jako je hydroxid sodný a podobné chemické sloučeniny.

Problémy při extrakci a charakterizaci ligninu

Různí autoři tvrdí, že s extrakcí ligninu existuje řada technických obtíží, což komplikuje studium jeho struktury.

Kromě technických obtíží je molekula kovalentně vázána na celulózu a zbytek polysacharidů, které tvoří buněčnou stěnu. Například u dřeva a dalších lignifikovaných struktur (jako jsou stonky) je lignin silně spojen s celulózou a hemicelulózou.

Konečně, polymer je mezi rostlinami velmi variabilní. Z uvedených důvodů je běžné, že se syntetický lignin používá pro studium molekuly v laboratořích.

Nejpoužívanější metody extrakce

Převážná většina metod extrakce ligninu modifikuje jeho strukturu a brání jejímu studiu. Ze všech existujících metodik se zdá být nejdůležitější kraft. Během postupu se lignin od uhlohydrátů oddělí zásaditým roztokem hydroxidu sodného a sulfidu sodného v poměru 3: 1.

To znamená, že izolace produktu je tmavě hnědý prášek v důsledku přítomnosti fenolických sloučenin, jejichž průměrná hustota je 1,3 až 1,4 g / cm ³.

Monomery odvozené od fenylpropanoidů

Přes tyto metodologické konflikty je známo, že lignínový polymer sestává hlavně ze tří fenylpropanoidových derivátů: jehličnanových, kumarových a synapilických alkoholů. Tyto sloučeniny se syntetizují z aromatických aminokyselin, které se nazývají fenylalanin a tyrosin.

V celkové kompozici lignínové struktury dominují uvedené sloučeniny téměř úplně, protože byly zjištěny počáteční koncentrace proteinů.

Poměr těchto tří fenylpropanoidních jednotek je variabilní a závisí na studovaných druzích rostlin. Je také možné najít variace v poměrech monomerů v orgánech stejného jedince nebo v různých vrstvách buněčné stěny.

Trojrozměrná struktura ligninu

Vysoký poměr vazeb uhlík-uhlík a uhlík-kyslík-uhlík vytváří vysoce rozvětvenou trojrozměrnou strukturu.

Na rozdíl od jiných polymerů, které v hojnosti vyskytujeme v zelenině (jako je škrob nebo celulóza), monomery ligninu nepolymerizují opakovaným a předvídatelným způsobem.

Ačkoli se zdá, že vazba těchto stavebních bloků je řízena stochastickými silami, nedávný výzkum zjistil, že se zdá, že protein zprostředkovává polymeraci a tvoří velkou opakující se jednotku.

Funkce

Přestože lignin není všudypřítomnou součástí všech rostlin, plní velmi důležité funkce související s ochranou a růstem.

Za prvé, je zodpovědný za ochranu hydrofilních složek (celulóza a hemicelulóza), které nemají typickou stabilitu a tuhost ligninu.

Protože se nachází výhradně na vnější straně, slouží jako ochranný plášť proti deformaci a stlačení, takže celulóza je odpovědná za pevnost v tahu.

Když součásti stěny zvlhnou, ztrácejí mechanickou pevnost. Z tohoto důvodu je nutná přítomnost ligninu s vodotěsnou složkou. Ukázalo se, že experimentální snížení procenta ligninu ve dřevě souvisí se snížením jeho mechanických vlastností.

Ochrana ligninu se také vztahuje na možná biologická agens a mikroorganismy. Tento polymer zabraňuje pronikání enzymů, které by mohly degradovat vitální buněčné komponenty.

Hraje také zásadní roli při modulaci transportu kapaliny do všech struktur rostliny.

Syntéza

Tvorba ligninu začíná deaminační reakcí aminokyselin fenylalaninu nebo tyrosinu. Chemická identita aminokyseliny není příliš důležitá, protože zpracování obou vede ke stejné sloučenině: 4-hydroxycinnamátu.

Tato sloučenina je podrobena řadě chemických reakcí hydroxylace, přenosu methylových skupin a redukce karboxylové skupiny, dokud není získán alkohol.

Když byly vytvořeny tři prekurzory ligninu uvedené v předchozí části, předpokládá se, že jsou oxidovány na volné radikály, aby se vytvořila aktivní centra pro podporu polymeračního procesu.

Bez ohledu na sílu, která podporuje spojení, monomery k sobě navzájem prostřednictvím kovalentních vazeb a vytvářejí komplexní síť.

Degradace

Chemická degradace

Vzhledem k chemickým vlastnostem molekuly je lignin rozpustný v roztocích vodných bází a horkého bisulfitu.

Fungálně zprostředkovaná enzymatická degradace

Degradace ligninu zprostředkovaná přítomností plísní byla biotechnologií rozsáhle studována za účelem bělení a zpracování zbytků produkovaných po výrobě papíru, mimo jiné.

Plísně, které jsou schopné degradovat lignin, se nazývají houby bílé hniloby, které jsou na rozdíl od hnědých plísní, které napadají molekuly celulózy a podobně. Tyto houby jsou heterogenní skupinou a jejich nejvýznamnějším zástupcem je druh Phanarochaete chrysosporium.

Prostřednictvím oxidačních reakcí - nepřímých a náhodných - se spoje, které drží monomery pohromadě, postupně rozruší.

Působení hub, které napadají lignin, zanechává velké množství fenolických sloučenin, kyselin a aromatických alkoholů. Některé zbytky mohou mineralizovat, zatímco jiné produkují huminové látky.

Enzymy, které provádějí tento degradační proces, musí být extracelulární, protože lignin není vázán hydrolyzovatelnými vazbami.

Lignin v trávení

U býložravců je lignin vláknitou složkou rostlin, která není stravitelná. To znamená, že není napadena typickými enzymy trávení nebo mikroorganismy, které žijí v tlustém střevě.

Co se týče výživy, nepřispívá k tělu, které ji konzumuje. Ve skutečnosti může snížit procento stravitelnosti jiných živin.

Aplikace

Podle některých autorů, i když zemědělské zbytky lze získat v téměř nevyčerpatelných množstvích, dosud není pro daný polymer důležitá aplikace.

Ačkoli lignin byl studován od konce 19. století, komplikace spojené s jeho zpracováním ztěžovaly jeho zvládnutí. Jiné zdroje však naznačují, že lignin lze využít a navrhnout několik možných použití, na základě vlastností tuhosti a pevnosti, o nichž jsme diskutovali.

V současné době se vyvíjí řada prostředků na ochranu dřeva na bázi ligninu v kombinaci se řadou sloučenin, které jej chrání před poškozením způsobeným biotickými a abiotickými činiteli.

Může to být také ideální látka pro stavební izolátory, tepelné i akustické.

Výhodou začlenění ligninu do průmyslu je jeho nízká cena a jeho možné použití jako náhrada za surovinu získanou z fosilních paliv nebo jiných petrochemických zdrojů. Lignin je tedy polymer s velkým potenciálem, který se snaží být využit.

Reference

1. Alberts, B., a Bray, D. (2006). Úvod do buněčné biologie. Panamerican Medical Ed.
2. Bravo, LHE (2001). Příručka laboratorní morfologie rostlin. Orton IICA / CATIE.
3. Curtis, H., & Schnek, A. (2006). Pozvánka k biologii. Panamerican Medical Ed.
4. Gutiérrez, MA (2000). Biomechanika: Fyzika a fyziologie (č. 30). Redakční tisk CSIC-CSIC.
5. Raven, PH, Evert, RF, a Eichhorn, SE (1992). Plant Biology (Vol. 2). Obrátil jsem se.
6. Rodríguez, EV (2001). Fyziologie produkce tropických plodin. Redakční univerzita v Kostarice.
7. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). Fyziologie rostlin. Univerzita Jaume I.