ליגין: מבנה, פונקציות, מיצוי, השפלה, שימושים - ביולוגיה - 2025

ליגנין (מ Lignum המונח הלטיני, כלומר עץ או עץ) הוא פולימר עצמה וסקולריים צמחים מימדי, אמורפי לבין מבנה מורכב. בצמחים הוא משמש "מלט" המעניק כוח והתנגדות לגבעולים צמחיים, גזעים ומבנים אחרים.

הוא ממוקם בעיקר בדופן התא ומגן עליו מפני כוחות מכניים ופתוגנים, נמצא גם בחלק קטן בתוך התא. מבחינה כימית יש בה מגוון רחב של מרכזים פעילים המאפשרים להם אינטראקציה עם תרכובות אחרות. בתוך קבוצות תפקודיות נפוצות אלה יש לנו, בין השאר, הידרוקסילים פנוולים, אליפטיים.

דגם אפשרי של ליגנין. מקור: שם אמיתי: Karol Głąbpl.wiki: Karol007commons: Karol007e-mail: kamikaze007 (at) tlen.pl

מכיוון שליגנין היא רשת מורכבת ומגוונת מאוד בתלת מימד, מבנה המולקולה לא הוברר בוודאות. עם זאת, ידוע כי מדובר בפולימר הנוצר מאלכוהול קוניפאריל ומתרכובות פניל-פרופנואיד אחרות הנגזרות מחומצות האמינו הארומטיות פנילאלנין וטירוזין.

הפילמור של המונומרים המרכיבים אותו משתנה בהתאם למין, ואינו עושה זאת באופן חוזר וצפוי כמו פולימרים אחרים בשפע של ירקות (עמילן או תאית).

עד כה קיימים רק מודלים היפותטיים של מולקולת הליגנין, ולמחקריו במעבדה הם משתמשים בדרך כלל בגרסאות סינתטיות.

דרך מיצוי הליגנין היא מורכבת, מכיוון שהיא קשורה לרכיבים אחרים בקיר והיא הטרוגנית מאוד.

תַגלִית

האדם הראשון שדיווח על נוכחותו של ליגנין היה המדען יליד שוויץ, AP de Candolle, שתיאר את תכונותיו הכימיות והפיזיות הבסיסיות וטבע את המונח "ליגנין".

מאפיינים ומבנים עיקריים

ליגנין היא המולקולה האורגנית השנייה בשפע בצמחים לאחר תאית, המרכיב העיקרי בדפנות התא הצמחיות. בכל שנה מייצרים הצמחים 20 × 10 ⁹ טון ליגנין. עם זאת, למרות השפע, המחקר שלה היה מוגבל למדי.

חלק ניכר מכל הליגנין (כ 75%) נמצא בדופן התא, לאחר שמבנה התאית הגיע לשיאו (מבחינה מרחבית). המיקום של ליגנין נקרא ליגניזציה וזה עולה בקנה אחד עם אירועי המוות של התאים.

זהו פולימר לא פעיל באופן בלתי-מסיס בתמיסות חומצות אך מסיס בבסיסים חזקים, כמו נתרן הידרוקסיד ותרכובות כימיות דומות.

קשיים במיצוי ואפיון הליגנין

מחברים שונים טוענים כי ישנם סדרה של קשיים טכניים הקשורים למיצוי ליגנין, עובדה המסבכת את חקר מבנהו.

בנוסף לקשיים טכניים, המולקולה קשורה קוולנטית לתאית ולשאר הפוליסכרידים המרכיבים את דופן התא. לדוגמה, בעץ ובמבנים אחרים המאושרים (כמו גבעולים), ליגנין קשור מאוד לתאית ולהמיסלולוזה.

לבסוף, הפולימר משתנה ביותר בין צמחים. מסיבות אלה שהוזכרו, מקובל להשתמש בליגנין סינטטי לחקר המולקולה במעבדות.

שיטות ההפקה הנפוצות ביותר

הרוב המכריע של שיטות מיצוי ליגנין משנה את המבנה שלה, ומונע את המחקר שלה. מבין כל המתודולוגיות הקיימות, נראה שהחשובה ביותר היא קראפט. במהלך ההליך מופרד הליגנין מהפחמימות בתמיסה בסיסית של נתרן הידרוקסיד ונתרן גופרתי בפרופורציות 3: 1.

לפיכך, מוצר הבידוד הוא אבקה בצבע חום כהה עקב נוכחות של תרכובות פנוליות, שהצפיפות הממוצעת שלה היא 1.3 עד 1.4 גרם / ס"מ ³ .

מונונרים שמקורם בפניל-פרופנואידים

למרות קונפליקטים מתודולוגיים אלה, ידוע כי פולימר הליגנין מורכב בעיקר משלוש נגזרות פניל-פרופנואידים: אלכוהולים מחטניים, קומאריים וסינפיליים. תרכובות אלה מסונתזות החל מחומצות האמינו הארומטיות הנקראות פנילאלנין וטירוזין.

ההרכב הכולל של מסגרת הליגנין נשלט כמעט לחלוטין על ידי התרכובות שהוזכרו, מכיוון שנמצאו ריכוזי התחלה של חלבונים.

חלקם של שלוש יחידות פניל-פרופנואידים אלה משתנה ותלוי בסוג הצמח הנחקר. ניתן גם למצוא וריאציות בפרופורציות של מונומרים בתוך האיברים של אותו אינדיבידואל או בשכבות שונות של דופן התא.

מבנה תלת ממדי של ליגנין

היחס הגבוה של קשרי פחמן-פחמן וקשרי פחמן-חמצן-פחמן מייצר מבנה תלת ממדי מסועף מאוד.

בניגוד לפולימרים אחרים שאנו מוצאים בשפע בירקות (כמו עמילן או תאית), מונומרים ליגנין אינם מפולימרים באופן חוזר וצפוי.

אף כי נראה כי הכריכה של אבני הבניין מונעת על ידי כוחות סטוכסטיים, אך מחקרים עדכניים מצאו כי נראה כי חלבון מתווך בפילמור ויוצר יחידה חוזרת ונשנית גדולה.

מאפיינים

למרות שהלינין אינו מרכיב בכל מקום בכל הצמחים, הוא ממלא תפקידים חשובים מאוד הקשורים להגנה וצמיחה.

ראשית, היא אחראית על הגנה על המרכיבים ההידרופיליים (תאית והמיסלולוזה) שאין להם את היציבות והקשיחות האופיינית של ליגנין.

מכיוון שהוא נמצא אך ורק מבחוץ, הוא משמש נדן מגן מפני עיוות ודחיסה, ומשאיר את התאית אחראית על חוזק המתיחה.

כאשר רכיבי הקיר נרטבים הם מאבדים חוזק מכני. מסיבה זו יש צורך בנוכחות הליגנין עם המרכיב העמיד למים. הוכח כי הפחתה הניסיונית של אחוז הליגנין בעץ קשורה להפחתת התכונות המכניות של אותו.

ההגנה על הליגנין משתרעת גם על חומרים ביולוגיים ומיקרואורגניזמים אפשריים. פולימר זה מונע חדירת אנזימים העלולים לבזות רכיבים תאיים חיוניים.

זה גם ממלא תפקיד מהותי במודולציה של הובלת נוזלים לכל מבני הצמח.

סִינתֶזָה

היווצרות ליגנין מתחילה בתגובת דימינציה של חומצות האמינו פנילאלנין או טירוזין. הזהות הכימית של חומצת האמינו אינה רלוונטית במיוחד, שכן עיבוד שניהם מוביל לאותה תרכובת: 4-הידרוקסיצינמט.

תרכובת זו נתונה לסדרת תגובות כימיות של הידרוקסילציה, העברת קבוצות מתיל והפחתה של קבוצת הקרבוקסיל עד לקבלת אלכוהול.

כאשר נוצרו שלושת מבשרי הלינין שהוזכרו בסעיף הקודם, יש להניח שהם מתחמצנים לרדיקלים חופשיים, על מנת ליצור מרכזים פעילים לקידום תהליך הפילמור.

ללא קשר לכוח שמקדם את האיחוד, המונומרים זה לזה באמצעות קשרים קוולנטים ויוצרים רשת מורכבת.

הַשׁפָּלָה

השפלה כימית

בשל המאפיינים הכימיים של המולקולה, ליגנין מסיס בתמיסות של בסיסים מימיים וביסולפיט חם.

השפלה אנזימטית בתיווך פטרייתי

השפלת הליגנין המתווכת על ידי נוכחות פטריות נחקרה בהרחבה על ידי ביוטכנולוגיה להלבנה וטיפול בשרידים המיוצרים לאחר ייצור הנייר, בין שימושים אחרים.

הפטריות המסוגלות להשפיל ליגנין נקראות פטריות ריקבון לבן, שבניגוד לפטריות ריקבון חום שתוקפות מולקולות תאיות וכדומה. פטריות אלה הן קבוצה הטרוגנית והנציגות הבולטת שלהן היא מין הכריסוספוריון Phanarochaete.

באמצעות תגובות חמצון - עקיפות ואקראיות - נשברים בהדרגה הקשרים המחזיקים את המונומרים.

פעולת הפטריות התוקפות ליגנין מותירה אחריה מגוון גדול של תרכובות פנוליות, חומצות ואלכוהולים ארומטיים. שאריות מסוימות יכולות למינרליזציה, בעוד שאחרות מייצרות חומרים הומיים.

האנזימים המבצעים תהליך השפלה זה חייבים להיות חוץ תאיים, מכיוון שהליגנין אינו מחויב בקשרים הידרוליזים.

ליגין בעיכול

עבור אוכלי עשב, ליגנין הוא מרכיב סיבי בצמחים שאינו ניתן לעיכול. כלומר, הוא לא מותקף על ידי אנזימי העיכול האופייניים או על ידי המיקרואורגניזמים החיים במעי הגס.

מבחינת התזונה, זה לא תורם שום דבר לגוף הצורך אותו. למעשה, זה יכול להוריד את אחוז העיכול של חומרים מזינים אחרים.

יישומים

על פי חלק מהמחברים, למרות שאפשר להשיג שאריות חקלאיות בכמויות כמעט בלתי נדלות, עד כה אין יישום חשוב לפולימר המדובר.

למרות שנחקר ליגנין מאז סוף המאה ה -19, סיבוכים הקשורים לעיבודו הקשו על הטיפול. עם זאת, מקורות אחרים מציעים שניתן לנצל ליגנין ולהציע מספר שימושים פוטנציאליים, בהתבסס על תכונות הנוקשות והחוזק שדנו בהן.

נכון לעכשיו, מפתחת סדרה של חומרים משמרים מעץ המבוססים על ליגנין בשילוב סדרה של תרכובות כדי להגן עליו מפני נזק הנגרם כתוצאה מגורמים ביוטיים ואביוטיים.

זה יכול להיות גם חומר אידיאלי לבניית מבודדים, תרמיים ואקוסטיים כאחד.

היתרון בשילוב הליגנין בתעשייה הוא עלותו הנמוכה והשימוש האפשרי בה כתחליף לחומר גלם שפותח מדלקים מאובנים או משאבים פטרוכימיים אחרים. לפיכך, ליגנין הוא פולימר בעל פוטנציאל גדול המבקש לנצל אותו.

הפניות

1. Alberts, B., & Bray, D. (2006). מבוא לביולוגיה של התא. פנמריקנית רפואית אד.
2. בראבו, LHE (2001). מדריך למעבדות מורפולוגיה של הצומח. ביב. אורטון IICA / CATIE.
3. קרטיס, ח., ושנק, א '(2006). הזמנה לביולוגיה. פנמריקנית רפואית אד.
4. גוטיירז, תואר שני (2000). ביומכניקה: פיזיקה ופיזיולוגיה (מס '30). עיתונות CSIC-CSIC.
5. Raven, PH, Evert, RF, and Eichhorn, SE (1992). ביולוגיה צמחית (כרך ב '). התהפכתי.
6. רודריגז, EV (2001). פיזיולוגיה של ייצור גידולים טרופיים. אוניברסיטת עריכה בקוסטה ריקה.
7. Taiz, L., & Zeiger, E. (2007). פיזיולוגיית הצמח. אוניברסיטת Jaume I.