Dextrán és poliszacharidok Áttekintés

Vicki Caligur

BioFiles 2008, 3.10, 17

Dextrán

A dextránt régóta ismerték a cukorfeldolgozás és más élelmiszeripari termékek előállítása során keletkező szennyeződésként. A borban a dextrán képződését Pasteur mutatta ki, hogy az a mikrobák tevékenységének köszönhető.¹ A dextrán nevet 1874-ben Scheibler alkotta meg, aki kimutatta, hogy a dextrán egy szénhidrát, amelynek képlete (C₆H₁₀O₆)n és pozitív optikai forgása van.²

A dextrannak ≥1 000 Dalton molekulatömegű poliszacharidok, amelyek lineáris gerincét α-kötött d-glükopiranozil ismétlődő egységek alkotják. A dextrannak három osztálya különböztethető meg szerkezeti jellemzőik alapján. A piranóz gyűrűszerkezet öt szénatomot és egy oxigénatomot tartalmaz. Az 1. osztályba tartozó dextrannak α(1→6)-kötött d-glükopiranozil gerincét α(1→2), α(1→3) és α(1→4)-kötött d-glükóz ágak kis oldalláncai módosítják (lásd 1. ábra). Az 1. osztályú dextrannak molekulatömege, térbeli elrendeződése, az elágazás típusa és mértéke, valamint az elágazó láncok hossza,^3-5 a mikrobiális termelő törzsektől és a tenyésztési körülményektől függően változik.^6,7 Az izomaltóz és az izomaltotrióz az 1. osztályú dextrán gerincszerkezetű oligoszacharidok. A 2. osztályú dextrannak (alternánok) gerincszerkezete α(1→3)- és α(1→6)-kötött d-glükopiranozil egységekből áll, α(1→3)-kötött elágazásokkal váltakozva. A 3. osztályba tartozó dextránsok (mutánsok) gerincszerkezete egymást követő α(1→3)-kötött d-glükopiranozil egységekből áll, α(1→6)-kötött elágazásokkal. A dextrannak szerkezeti elemzéséhez egy- és kétdimenziós NMR spektroszkópiai technikákat használtak.⁸

1. ábra. Az 1. osztályú dextránsok általános szerkezete, amelyek α(1→6)-kötött d-glükopiranozil ismétlődő egységek lineáris gerincéből állnak. A dextrannak lehetnek a gerinchez α(1→2)- , α(1→3)- vagy α(1→4)- glikozidos kötésekkel kapcsolódó kisebb d-glükózláncokból álló elágazásai.

A dextránsok kiválasztása lehetőséget biztosít a baktériumok számára az adhézió modulálására, például a fogszuvasodásban, azáltal, hogy a poliszacharidtól, a pH-tól és az ionerősségtől függően lágyabb vagy merevebb baktériumsejt-felszínt kapnak. Alacsony baktériumadhézió alacsony sókoncentráció mellett merevebb poliszacharidok és lágyabb felület esetén, míg magas baktériumadhézió rugalmasabb poliszacharidokkal és merev baktériumfelülettel érhető el. A polimer rugalmassága fontos a szerkezeti integritás szempontjából. és a piranózgyűrű a poliszacharid rugalmasságát szabályozó szerkezeti egység. Ez a rugalmasság a gyűrűszerkezet erő által kiváltott megnyúlásából és a glükopiranózgyűrű székszerűből csónakszerű konformációba való végső átmenetéből ered, amely fontos szerepet játszik a mechanikai feszültségek befogadásában és a ligandumkötés modulálásában a biológiai rendszerekben.⁹ Laboratóriumi kísérletek kimutatták, hogy a dextrán, az amilóz és a pullulán piranózgyűrűinek hasadása ezeket a különböző poliszacharidláncokat hasonló szerkezetűvé alakítja át, ahol a polimer gerincoszlop minden kötése forogni és igazodni tud az erő hatására. A gyűrűk felhasítása után a dextrán, az amilóz és a pullulán egyes molekulái atomi erőmikroszkópiával mérve azonos rugalmas viselkedést mutatnak.

A dextrannak baktériumok extracelluláris poliszacharidjaiként fordulnak elő. Szacharózból szintetizálják őket jótékony tejsavbaktériumok, mint például Leuconostoc mesenteroides és Lactobacillus brevis, de a foglepedékképző Streptococcus mutans faj is. A baktériumok a dextránt a biofilmképzésben10 vagy védőbevonatként alkalmazzák, például a kórokozó baktériumok esetében a gazdaszervezet fagocitáinak kikerülésére.¹¹

A tisztított dextrannak fizikai és kémiai tulajdonságai attól függően változnak, hogy milyen mikrobatörzsekből és milyen előállítási módszerrel állítják elő, de mindegyik fehér és íztelen szilárd anyag. A dextrannak nagy a vízoldékonysága, és az oldatok newtoni folyadékként viselkednek. Az oldat viszkozitása a koncentrációtól, a hőmérséklettől és a molekulatömegtől függ, amelyeknek jellegzetes eloszlása van.

A dextrannak hosszú ideje tartó biztonságossága lehetővé tette, hogy élelmiszer- és vegyi anyagok adalékanyagaként, valamint a gyógyszer- és kozmetikumgyártásban használják őket.¹² A dextránt vizsgálták gyógyszerek, fehérjék, enzimek és képalkotó szerek célzott és tartós szállítására.¹³ A gyógyászatban a 75-100 kDa molekulatömeg-tartományba eső dextrannak klinikai minőségét vérplazma térfogatnövelőként használták transzfúziókban.14 Más alkalmazások közé tartozik a dextrannak a polietilénglikollal együtt a biokémiai anyagok extrakciójára szolgáló vizes kétfázisú rendszerek összetevőjeként történő felhasználása. A dextránban található hidroxilcsoportok számos helyet kínálnak a derivatizáláshoz, és ezek a funkcionalizált glikokonjugátumok a biokompatibilis és környezetbarát vegyületek egy nagyrészt feltáratlan osztályát képviselik.

A keresztkötésű dextrángyöngyöket széles körben használják kromatográfiához a biokémiai kutatásban és az iparban. A térhálósított dextránok klasszikus alkalmazása a 0,7-200 kDa molekulatömegű biomolekulák elválasztására és tisztítására szolgáló töltött ágyas oszlopokban gélszűrő közegként történik.^15-17 Az ioncserélő kromatográfia olyan dextránt használ, amelyet pozitív vagy negatív töltésű részekkel, például karboximetil (CM), dietil-aminoetil (DEAE), dietil-(2-hidroxipropil)-aminoetil (QAE) és szulfopropil (SP) származékosítottak.

Nagy választékban kínálunk nagy polydiszperzitású dextránt és alacsony polydiszperzitású (M_w/M_n 1,0 közeli értékek) dextrán molekulatömeg-standardokat.

Egyéb poliszacharidok

A pullulánok olyan szerkezeti poliszacharidok, amelyeket elsősorban a gomba Aureobasidium pullulans állít elő keményítőből.^18,19 A pullulánok ismétlődő α(1→6)-kötött maltotrióz (D-glükopiranozil-α(1→4)-D-glükopiranozil-α(1→4)-D-glükóz) egységekből állnak, amelyekbe esetenként maltotetraóz egységek is beépülnek.²⁰ A pullulán molekulatömegének egyszerű becslésére diffúziós rendezett NMR-spektroszkópiát alkalmaztak.²¹ A pullulán vízben való oldási tulajdonságait vizsgálták, és megerősítették, hogy a pullulán molekulák véletlenszerű tekercsekként viselkednek vizes oldatban.²²

Dextrinek D-glükopiranozil egységekből állnak, de rövidebb lánchosszúságúak, mint a dextrinek. Egyetlen α(1→6) kötéssel indulnak, de lineárisan α(1→4)-kötött D-glükopiranozil egységekkel folytatódnak. A dextrinek általában a keményítő hidrolíziséből származó keverékek, és széles körben elterjedt felhasználásra találtak az élelmiszer-, papír-, textil- és gyógyszeriparban.

Dextrán szulfátok a dextránból szulfatálás útján származnak. Számos molekuláris biológiai technika nélkülözhetetlen összetevőjévé váltak, többek között a nagy DNS-fragmentumok agarózgélből történő átviteléhez és a gyors hibridizációhoz,²³ a nagy sűrűségű lipoprotein koleszterin mennyiségi meghatározására szolgáló kicsapási eljárásokhoz,24 és a vírusok CD4+ sejtekhez való kötődésének gátlásához.²⁵

Hivatkozások

1. Pasteur, L 1861 On the viscous fermentation and the butyrous fermentation Bull. Soc. Chim. Paris 11 30-31.

2. Scheibler, C., Z.. 1874. Ver. Dtsch. Zucker-Ind. 24,309-335.

3. Robyt, J.F 1986 Encyclopedia of Polymer Sci. Eng J.I.Kroschwitz (ed.), 4, 752-767 Wiley-VCH..

4. Cheetham NW, Fiala-Beer E, Walker GJ. 1990. Dextran structural details from high-field proton NMR spectroscopy. Carbohydrate Polymers. 14(2):149-158. https://doi.org/10.1016/0144-8617(90)90027-p

5. Naessens M, Cerdobbel A, Soetaert W, Vandamme EJ. 2005. Leuconostoc dextransucrase and dextran: production, properties and applications. J. Chem. Technol. Biotechnol.. 80(8):845-860. https://doi.org/10.1002/jctb.1322

6. Kim D, Robyt JF, Lee S, Lee J, Kim Y. 2003. Dextran molecular size and degree of branching as a function of sucrose concentration, pH, and temperature of reaction of Leuconostoc mesenteroides B-512FMCM dextransucrase. Carbohydrate Research. 338(11):1183-1189. https://doi.org/10.1016/s0008-6215(03)00148-4

7. Côté GL, Leathers TD. 2005. A method for surveying and classifying Leuconostoc spp. glucansucrases according to strain-dependent acceptor product patterns. J IND MICROBIOL BIOTECHNOL. 32(2):53-60. https://doi.org/10.1007/s10295-004-0194-x

8. Maina NH, Tenkanen M, Maaheimo H, Juvonen R, Virkki L. 2008. NMR spectroscopic analysis of exopolysaccharides produced by Leuconostoc citreum and Weissella confusa. Carbohydrate Research. 343(9):1446-1455. https://doi.org/10.1016/j.carres.2008.04.012

9. Marszalek PE, Oberhauser AF, Pang Y, Fernandez JM. 1998. Polysaccharide elasticity governed by chair?boat transitions of the glucopyranose ring. Nature. 396(6712):661-664. https://doi.org/10.1038/25322

10. Banas J, Vickerman M. 2003. Glucan-binding Proteins of the Oral Streptococci. Critical Reviews in Oral Biology & Medicine. 14(2):89-99. https://doi.org/10.1177/154411130301400203

11. M J Meddens J Thompson P C Leijh R van Furth 1984 Role of granulocytes in the induction of an experimental endocarditis with a dextran-producing Streptococcus sanguis and its dextran-negative mutant Br J Exp Pathol 65(2) 257-65.

12. Kato, I., Fragrance J., 33, 59-64 (2005)..

13. Mehvar R. 2000. Dextrans for targeted and sustained delivery of therapeutic and imaging agents. Journal of Controlled Release. 69(1):1-25. https://doi.org/10.1016/s0168-3659(00)00302-3

14. Terg R, Miguez CD, Castro L, Araldi H, Dominguez S, Rubio M. 1996. Pharmacokinetics of Dextran-70 in patients with cirrhosis and ascites undergoing therapeutic paracentesis. Journal of Hepatology. 25(3):329-333. https://doi.org/10.1016/s0168-8278(96)80119-x

15. Porsch B, Sundelöf L. 1994. Size-exclusion chromatography and dynamic light scattering of dextrans in water: Explanation of ion-exclusion behaviour. Journal of Chromatography A. 669(1-2):21-30. https://doi.org/10.1016/0021-9673(94)80333-1

16. Neyestani TR, Djalali M, Pezeshki M. 2003. Isolation of ?-lactalbumin, ?-lactoglobulin, and bovine serum albumin from cow?s milk using gel filtration and anion-exchange chromatography including evaluation of their antigenicity. Protein Expression and Purification. 29(2):202-208. https://doi.org/10.1016/s1046-5928(03)00015-9

17. Guadalupe Penzol Pilar Armisén Roberto Fernández‐Lafuente Lorenzo Rodés José M. Guisán 1998 Use of dextrans as long and hydrophilic spacer arms to improve the performance of immobilized proteins acting on macromolecules Biotechnol. Bioeng 60 518-523.

18. Gibson L, Coughlin R. 2002. Optimization of High Molecular Weight Pullulan Production by Aureobasidium pullulans in Batch Fermentations. Biotechnol. Prog.. 18(3):675-678. https://doi.org/10.1021/bp0200043

19. Leathers TD. 2003. Biotechnological production and applications of pullulan. Applied Microbiology and Biotechnology. 62(5-6):468-473. https://doi.org/10.1007/s00253-003-1386-4

20. Catley B. 1970. Pullulan, a relationship between molecular weight and fine structure. 10(3):190-193. https://doi.org/10.1016/0014-5793(70)80450-1

21. Viel S, Capitani D, Mannina L, Segre A. 2003. Diffusion-Ordered NMR Spectroscopy:  A Versatile Tool for the Molecular Weight Determination of Uncharged Polysaccharides. Biomacromolecules. 4(6):1843-1847. https://doi.org/10.1021/bm0342638

22. Nishinari K, Kohyama K, Williams PA, Phillips GO, Burchard W, Ogino K. 1991. Solution properties of pullulan. Macromolecules. 24(20):5590-5593. https://doi.org/10.1021/ma00020a017

23. Wahl GM, Stern M, Stark GR. 1979. Efficient transfer of large DNA fragments from agarose gels to diazobenzyloxymethyl-paper and rapid hybridization by using dextran sulfate.. Proceedings of the National Academy of Sciences. 76(8):3683-3687. https://doi.org/10.1073/pnas.76.8.3683

24. Warnick GR, Benderson J, Albers JJ. 1982. Dextran sulfate-Mg2+ precipitation procedure for quantitation of high-density-lipoprotein cholesterol.. 28(6):1379-1388. https://doi.org/10.1093/clinchem/28.6.1379

25. Mitsuya H, Looney D, Kuno S, Ueno R, Wong-Staal F, Broder S. 1988. Dextran sulfate suppression of viruses in the HIV family: inhibition of virion binding to CD4+ cells. Science. 240(4852):646-649. https://doi.org/10.1126/science.2452480