Skrobia: strukturalna tajemnica Understand article

Tłumaczenie Anna Bartosik. Łańcuszek cząsteczek glukozy – skrobia. Wydaje się całkiem proste, ale wcale takim nie jest. Dominique Cornuéjols i Serge Pérez postanowili zbadać zawiłości struktury skrobi i pokazać, że zagadka nie jest jeszcze rozwiązana.

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Dietmar Klement / iStockphoto

Weź garść makaronu spaghetti i wrzuć do gotującej wody. Sztywne pałeczki szybko zmiękną i łagodnie się zakrzywią w miarę pęcznienia. Przyjmujemy to zachowanie makaronu w gorącej wodzie za oczywiste, ale co dokładnie dzieje się z precyzyjna strukturą spaghetti by skutkować taką dramatyczną metamorfozą?

Po pierwsze makaron – podobnie jak ryż, ziemniaki czy chleb – zawiera duże ilości skrobi. Ale co to jest skrobia? Granule skrobi, produkowane w roślinach poprzez absorbcję dwutlenku węgla w procesie fotosyntezy, są zbudowane z polimerów glukozy i służą jako magazyn energii. Pod koniec sezonu wegetacyjnego, skrobia gromadzi się w gałązkach drzew, w okolicy pąków. Jest także obecna w owocach, nasionach, kłączach i bulwach. Granule skrobi są bardzo odpowiednie do długo-terminowego przechowywania, z uwagi na ich upakowanie, względną suchość i wysoką stabilność.

Rycina 1: Podstawowe
motywy strukturalne amylozy
(a) i amylopektyny (b). Kliknij
na obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Serge Pérez, ESRF

Jednak, to niezbędne źródło energii stało się dostępne dla człowieka dopiero, kiedy ujarzmił ogień, ponieważ surowa skrobia jest tak gęsta, że jest trudna do strawienia. Aby zwiększyć jej strawność, skrobia musi być gotowana, tylko po podgrzaniu staje się rozpuszczalna w wodzie i jadalna.
Przemiana surowej skrobi w gorącej wodzie nazywa się żelowaniem: granulki pęcznieją i pękają tworząc pastę. Podczas chłodzenia albo długotrwałego przechowywania, skrobiowa pasta często gęstnieje ze względu na zjawisko zwane retrogradacją. Żelowanie i retrogradacja, które odpowiadają za strukturalne przekształcenia granulek, mają wpływ na systemy zawierające skrobię.

A zatem skrobia jest idealna do modyfikowania struktury wielu przetworzonych i gotowanych w domu produktów żywnościowych (na przykład mąka albo mąka kukurydziana do zagęszczania sosów), i była także przez stulecia wykorzystywana do innych celów, między innymi produkcji papieru, klejów czy usztywniaczy tkanin. Dzisiaj, ujawniają się nowe zastosowania skrobi, łącznie z dietetycznym błonnikiem, biodegradowalnymi materiałami do pakowania, cienkimi filmami czy materiałami termoplastycznymi.

Nauka: krok po kroku

Rycina 2: a) Czysta granulka
skrobi obserwowana w
skaningowym mikroskopie
elektronowym microscopy b)
Ta sama granulka w świetle
spolaryzowanym

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Serge Pérez, ESRF

Skrobia jest wiec szeroko wykorzystywana w przemyśle – tak jak przez tysiące lat. Naukowe badania skrobi rozpoczęły się w 1833 roku, kiedy to francuski chemik Anselme Payen określił, że skrobia zbudowana jest z jednostek glukozy. Jednak, nawet dzisiaj jej biochemia i szczegółowa struktura nie są jeszcze dobrze zrozumiane. Na poziomie molekularnym, wiemy, że natywna skrobia (czyli taka jaka występuje naturalnie) jest zbudowana z osobnych składników: amylozy i amylopektyny, które mogą być wyizolowane poprzez frakcjonowanie i badane oddzielnie.

Obie składowe zawierają łańcuchy będące polimerami jednostek glukozy, ale łańcuchy te są powiązane w różny sposób. Amyloza jest linearna (jednostki glukozy łączą się wiązaniami (1-4)) (rycina 1a), a amylopektyna jest mocno rozgałęziona i posiada gęsto upakowaną strukturę, ze względu na obecność wiązań (1-6) (rycina 1b). Amylopektyna może zawierać nawet do stu tysięcy reszt glukozy i jest największą znaną cząsteczką biologiczną.

Granule natywnej glukozy różnią się znacznie w kształcie i wielkości (od 0,1 do 200 mm), ale wszystkie mają wspólną cechę: pod mikroskopem i oświetlone światłem spolaryzowanym, ziarna skrobi wybarwione jodyną ukazują się jako charakterystyczny „krzyż maltański” (pokazane na pomarańczowo na rycinie 2b), wskazując na obecność jakiegoś wspólnego wewnętrznego uporządkowania. Kiedy granulki są podgrzewane w nadmiarze wody (jak spaghetti w trakcie gotowania), krzyż polaryzacyjny zaczyna znikać, dowodząc, że ta struktura molekularna zostaje zaburzona.

Rycina 3: Struktura
podwójnej helisy w
amylopektynie

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Serge Pérez, ESRF

Fizyczne właściwości skrobi – jej stabilność i przejścia fazowe, na przykład z granulek skrobi do żelu, albo z łamliwego surowego makaronu do miękkiego ugotowanego – są wprost powiązane ze strukturą molekularną. Jednak, zrozumienie szczegółowej struktury skrobi wymaga bardzo zaawansowanych narzędzi badawczych i technik, takich jak krystalografia rentgenowska, mikroskopia elektronowa, magnetyczny rezonans jądrowy i modelowanie komputerowe.

Prze pomocy tych narzędzi, naukowcy powoli zaczynają budować obraz tego jak skrobia – coś powszechnie znanego nam wszystkim – jest zbudowana.

Zaczynając od nanoskali: podwójne helisy, blaszki i superhelisy

Badania przy pomocy dyfrakcji rentgenowskiej na poziomie nanoskali wykazały iż:

  • Skrobia składa się z cienkich blaszkowatych domen (około 4,5 nm grubości),
  • Każda blaszka jest zbudowana z około 100 podwójnych helis, każdej składającej się z około 20 jednostek glukozy (rycina 3),
  • Podwójne helisy są bardzo gęsto upakowane, o wysokim stopniu regularności, tak jak w krysztale (patrz słowniczek dla wszystkich terminów zaznaczonych kursywą).

(Po wyjaśnienie jak dyfrakcja rentgenowska jest wykorzystywana do analizy struktur krystalicznych, zobacz Cornuéjols, 2009.)

Rycina 4: a) Model klastrowy
amylopektyny pokazujący
trzy blaszki (zaznaczone
strzałkami)
b) Możliwe powiązania
pomiędzy łańcuchami
amylozy (czerwone) i
podwójnych helis
amylopektyny (zielone i
żółte)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Serge Pérez, ESRF
Rycina 5: Możliwy model
struktury superhelikalnej

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Serge Pérez, ESRF

Studia przy użyciu promieni rentgenowskich potwierdzają analizy biochemiczne cząsteczek amylopektyny, które pokazały, że ta olbrzymia cząsteczka jest zorganizowana w krystaliczne klastry podwójnych helis: blaszki uwidocznione przy pomocy dyfrakcji rentgenowskiej składają się z klasterów podwójnych helis pokazanych w studiach biochemicznych. W tym modelu, miejsca rozgałęzienia (wiązania (1-6)) w cząsteczkach amylopektyny znajdują się w mniej zorganizowanych (albo bardziej amorficznych) regionach pomiędzy klastrami. Amyloza jest poprzeplatana z amylopektyną (Rycina 4b), ale jak na razie nikt nie wie w jaki sposób.

Dodatkowe badania przy pomocy promieni rentgena, wykorzystując techniki rozpraszania (scattering) pod małym-kątem (small-angel) i szerokim kątem (wide-angel) (SAXS i WAXS) do analizy nawodnionej skrobi, pokazują, że blaszki podwójnych helis są prawdopodobnie zorganizowane w heliakalną super strukturę albo superhelisę (rycina 5). (Po wyjaśnienie SAXS, zobacz Stanley, 2009.)

DMikroskala: pierścienie wzrostu i bloczki

Rycina 6: Pierścienie wzrostu
składające się z
naprzemiennych warstw
regionów amorficznych i
półkrystalicznych. Kliknij na
obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Serge Pérez, ESRF

Blaszki i struktury superhelikalne amylopektyny to jednak tylko mała części całego obrazka. Na większej (mikroskopowej) skali, wiadomo, że granulki skrobi składają się z naprzemiennych amorficznych i półkrystalicznych powłok, o grubości od 100 do 8000 nm. Te struktury są nazywane pierścieniami wzrostu.

Prawie nic nie wiemy o amorficznych częściach pierścieni wzrostu. Bardziej krystaliczne regiony mogą być jednak badane przy pomocy dyfrakcji rentgenowskiej. Niedawne eksperymenty wykorzysujące niezwykle zogniskowane wiązki promieniowania X w synchrotronie (patrz ramka) wykazały, że w obrębie regionów półkrystalicznych, nanoskopowe blaszki są równoległe do powierzchni granulki skrobi (rycina 7). To pozwoliło naukowcom powiązać małe (mikroskala np. granulki skrobi) i bardzo, bardzo małe (nanoskala np. blaszki) – powiązanie, które jest wyjątkowo trudne do uzyskania w takich badaniach strukturalnych.

Rycina 7: a) Seria zdjęć
dyfrakcyjnych zrobionych w
różnych miejscach granuli
(„mapowanie” granuli)
b) Orientacja blaszki
vis-à-vis powierzchni
granuli. Kliknij na obrazek
aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Serge Pérez, ESRF

Kolejne niedawne badania, przy wykorzystaniu mikroskopii sił atomowych, aby spojrzeć na powierzchnię granulek skrobi, wykazały obecność bloczków w obrębie pierścieni wzrostu. Te bloczki są mniej lub bardziej sferyczne i mają wielkość od 20 do 100 nm. Jednak jak dotąd nic więcej o nich nie wiadomo.

Podsumowując wszystkie te badania, możemy być dość pewni struktury na poziomie nanoskali (podwójne helisy tworzące blaszki) i pierścienie wzrostu (naprzemienne powłoki amorficzne i półkrystaliczne), jednak dowody na struktury pośrednie (superhelisy i bloczki) są mniej solidne. Ponadto w dalszym ciągu nie wiadomo jak superhelisy, bloczki i pierścienie wzrostu mają się do siebie. Rycina 8 podsumowuje różne poziomy strukturalne (jednostki glukozy, helisy, blaszki, superhelisy, bloczki i pierścienie wzrostu) od poziomu molekularnego (10-9 m) do mikroskopowego (10-5 m).

Już w 1858 roku, szwajcarski botanik Carl von Nägeli wykazał się genialną intuicją mówiąc, że „Ziarno skrobi… otwiera drzwi do ustanowienia nowej dziedziny… mechaniki molekularnej ciał zorganizowanych”. Bez wątpienia byłby zdumiony, że ponad 150 lat później dalej zmagamy się ze zrozumieniem skomplikowanej architektury granulek skrobi.

 

Rycina 8: Poziomy organizacji skrobi:
a) jednostka glukozy
b) podwójna helisa
Góra: dyfrakcja rentgenowska demonstrująca strukturę podwójnej helisy (uprzejmość Imberty et al., 1988)
Dół: model struktury podwójnej helisy
c) blaszka
Góra: zdjęcie z transmisyjnego mikroskopu elektronowego zhydrolizowanej skrobi przedstawiające kształt krystalicznej blaszki (uprzejmość Angellier-Coussy et al., 2009)
Dół: model krystalicznej blaszki zbudowanej z około 100 podwójnych helis
d) superhelisa
Góra: obrazy dyfrakcyjne uzyskane metodami SAXS i WAXS wskazują na obecność struktury superhelikalnej (uprzejmość Waigh et al., 2000)
Dół: model superhelisy o skoku 9 nm i średnicy 18 nm
e) e) bloczki
Góra: zdjęcie z mikroskopu sił atomowych reprezentuje typową powierzchnię granuli skrobi (uprzejmość Gallant et al., 1997). Guzy widoczne na powierzchni wskazują na obecność bloczków.
Dół: model bloczków. Uważa się ze bloczki są mniejsze w rejonach amorficznych (region centralny) niż w rejonach o strukturze półkrytstalicznej (ponad i poniżej)
f) pierścienie wzrostu
Zdjęcie z transmisyjnego mikroskopu elektronowego ultracienkiej sekcji zhydrolizowanej granuli skrobi, pokazuje pierścienie wzrostu jako naprzemienne warstwy regionów amorficznych i półkrystalicznych (uprzejmość I. Paintrand, CERMAV, Grenoble, Francja)
g) granule
Góra: Granule skrobi obserwowane w skaningowym mikroskopie elektronowym (większe zdjęcie) i ta sama granula w świetle spolaryzowanym (wstawka)
Środek: zestaw wzorów dyfrakcji rentgenowskiej odnotowany na granuli skrobi pokazuje rozmieszczenie i orientację domen krystalicznych w granuli skrobi. Każdy wzór dyfrakcyjny odpowiada obszarom o około 3 μm2 powierzchni próbki oddzielonymi o około 7 μm (uprzejmość Buleon et al., 2009)
Dół: Sekcja granuli skrobi pokazująca promienistą orientację domen krystalicznych (blaszek) w granuli skrobi
Kliknij na obrazek aby powiększyć

Zdjęcie dzięki uprzejmości Serge Pérez, ESRF

 

Słownik

Amorficzny: opisuje materiał (albo część materiału) pozbawionego organizacji i ładu.

Kryształ: idealny kryształ jest stałym materiałem, którego atomy składowe, cząsteczki albo jony są ułożone w uporządkowany, powtarzalny wzór rozszerzający się we wszystkich trzech wymiarach.

Krystaliczny: posiadający właściwości kryształu, poprzez rozbudowę, charakteryzuje części materiału, które są zorganizowane (na przykład klaster podwójnych helis o takiej samej orientacji osi helisy).

Półkrystaliczny: opisuje materiał (zazwyczaj biopolimer) o częściach amorficznych i krystalicznych.

 

ESRF

The European Synchrotron Radiation Facility (ESRF)w1 w Grenoble, Francja, jest dobrym przykładem dużego ośrodka pracującego dzień i noc dla korzyści tysięcy użytkowników z całego świata. „Użytkownikiem” jest naukowiec, zazwyczaj członek większego zespołu, który okazjonalnie potrzebuje silnego narzędzia aby uzyskać informacje na temat interesującej go próbki (na przykład: polimeru, kryształu białkowego, skamieliny albo reakcji katalitycznej).

ESRF produkuje niezwykle intensywne promienie X, nazywane promieniowaniem synchrotronowym. Te wiązki promieni X są emitowane przez elektrony o wysokiej energii, które krążą w olbrzymim pierścieniu magazynującym o 844 metrach w obwodzie. Wiązki promieni X są kierowane w kierunku linii eksperymentalnych, które otaczają pierścień magazynujący w hali eksperymentalnej. Każda z 42 linii eksperymentalnych w ESRF jest wyspecjalizowana w określonej technice albo rodzaju badań. Dla około pół tuzina z nich tą specjalizacją są polimery.

W przyszłości, badania nad polimerami będą odnosiły korzyści z nowo utworzonego Partnership for Soft-Condensed Matter (który uwzględnia polimery). Wprowadzenie nanowiązek (jeszcze bardziej skoncentrowanych, wiązek promieni X o nano-wielkości) niedługo pozwoli na jeszcze dokładniejszą analizę strukturalną, a zatem większy postęp w badaniu polimerów z uwzględnieniem skrobi.


References

Web References

  • w1 – Aby dowiedzieć się więcej o ESRF, zobacz: www.esrf.eu

Resources

  • Po wyczerpującą pracę przeglądową o skrobii, odwiedź stonę naukowców z ESRF, Serge Pérez i Anne Imberty: ‘Starch: structure and morphology’ www.cermav.cnrs.fr/glyco3d/lessons/starch
  • Imberty A, Pérez S (1988) A revisit to the three-dimensional structure of B-type starch. Biopolymers 27: 1205-1221. doi: 10.1002/bip.360270803
  • Pérez S, Baldwin P, Gallant DJ (2009) Structural features of starch. In: Starch-Chemistry and Technology, 3rd edition. BeMiller J, Whistler R (eds.). pp149-192. New York, NY, USA: Academic Press. ISBN: 978-0127462752
  • Chanzy H, et al. (2006) Morphological and structural aspects of the giant starch granules from Phajus grandifolius. Journal of Structural Biology 154(1): 100-120. doi: 10.1016./j.jsb.2005.11.007

Institutions

ESRF

Author(s)

Dominique Cornuéjols, z wykształcenia fizyk, pracuje w ESRF od 1993 roku jako menedżer do spraw komunikacji. Jest szczególnie zaangażowana w powiększanie zasięgu ESRF i programy edukacyjne.

Serge Pérez otrzymał doktorat z krystalografii na Uniwersytecie w Bordeaux, Francja. Następnie spędził kilka lat na prowadzeniu badań w Ameryce, Kanadzie i Francji. W 1987 roku objął swoje pierwsze stanowisko dyrektorskie w Centre de Recherches AgroAlimentaires w Kanadzie. Jako dyrektor badań we Francuskim Narodowym Centrum Badań Naukowych (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS), przeniósł się do Grenoble w latach 90-tych, a 12 lat później został dyrektorem naukowym w ESRF. Od 2003 roku, był także zastępcą dyrektora, a później dyrektorem Doktorskiej Szkoły Chemii i Nauk o Życiu (Doctoral School of Chemistry and Life Sciences) na Uniwersytecie Joseph Fourier w Grenoble.


Review

Ultrastruktura skrobi nie jest często rozważana, ale ten artykuł opisuje jak składowe skrobi – amyloza i amylopektyna – tworzą skomplikowane poziomy struktury w samym polimerze. Artykuł może być wykorzystany jako rozszerzenie pracy na lekcji o trawieniu skrobi lub jej pomiarach. Może być także użyty jako przykład wykorzystania techniki dyfrakcji rentgenowskiej albo polaryzacyjnej mikroskopii świetlnej. Plakaty lub zadania domowe mogą być zrobione na temat wykorzystania skrobi w przemyśle, a każda grupa może się skupić na innym zagadnieniu. Metody produkcji i/ lub oznaczania skrobi w przemyśle mogą być prześledzone. Pytania na zrozumienie mogą zawierać, na przykład:

  1. Skrobia jest zbudowana z 2 składników:
    • Amylazy i amylopektyny
    • Amylozy i amylopektyny
    • Glukozy i amylazy
    • Glukozy i amylozy
  2. Opisz na czym polega proces żelowania.
  3. Co to są pierścienie wzrostu w skrobi
  4. Jaka jest różnica pomiędzy amylozą i amylazą?
  5. Zamień rozmiary różnych poziomów strukturalnych od 10-9 m w mniejsze jednostki. Na przykład: mikrometry albo nanometry.
  6. Dyfrakcja rentgenowska była wykorzystana w 1950 roku do określenia struktury dobrze znanej cząsteczki. Jaka to była cząsteczka?

Shelley Goodman, Wielka Brytania

License

CC-BY-NC-ND