Декстраны: строение и биосинтез¶

Декстраны — группа природных и синтетических полисахаридов, построенных из остатков α-D-глюкозы, соединённых преимущественно α-(1→6)-гликозидными связями, с разветвлениями по положениям 2, 3 или 4. Относятся к классу гомополисахаридов (глюканов) микробного происхождения. Образуют вязкие растворы и гели, широко применяются в медицине, пищевой и нефтедобывающей промышленности.

¶Строение

Молекула декстрана состоит из линейной основной цепи с α-(1→6)-связями и боковых ответвлений, присоединённых α-(1→2), α-(1→3) или α-(1→4)-связями. Доля разветвлений и их тип зависят от источника и определяют физико-химические свойства полимера.

Основные характеристики:

• мономер — D-глюкоза;
• преобладающая связь — α-(1→6);
• степень полимеризации — от нескольких тысяч до миллионов остатков;
• молекулярная масса — от 10⁴ до 10⁸ Да;
• наличие трёх свободных гидроксильных групп в каждом звене обусловливает высокую гидрофильность.

Различают три типа строения:

Классический пример — декстран, продуцируемый Leuconostoc mesenteroides штамма B-512F: около 95 % связей α-(1→6), ветвления через α-(1→3). Такой полимер даёт характерные сине-фиолетовые комплексы с иодом и оптически активен (вращает плоскость поляризации вправо).

¶Биосинтез

Декстраны синтезируются микроорганизмами, главным образом молочнокислыми и некоторыми почвенными бактериями. Ключевой фермент — декстрансахараза (глюкозилтрансфераза), относящаяся к классу гликозилтрансфераз.

Механизм включает стадии:

1. Субстрат — сахароза расщепляется ферментом с разрывом гликозидной связи.
2. Образовавшийся глюкозный остаток переносится на растущую цепь полимера.
3. Освобождается фруктоза как побочный продукт.
4. Цепь удлиняется за счёт последовательного присоединения глюкозных звеньев.
5. Ветвления формируются дополнительными ферментами (ветвящими гликозилтрансферазами).

Реакция не требует затрат АТФ: энергия гликозидной связи сахарозы используется напрямую. Фермент может работать как по процессному (последовательному), так и по неупорядоченному механизму, что объясняет разброс в структуре продукта.

¶Продуценты

Основные микроорганизмы-продуценты:

• Leuconostoc mesenteroides — классический источник медицинского декстрана;
• Streptococcus mutans — образует декстран зубного налёта;
• Lactobacillus spp.;
• Acetobacter и Gluconobacter — в процессах брожения.

У Streptococcus mutans декстрансахараза участвует в формировании зубной бляшки: полимер скрепляет бактерии на поверхности эмали.

¶Свойства и применение

Декстран хорошо растворим в воде, образует вязкие растворы, стабилен в широком диапазоне pH. Используется:

• в медицине — как плазмозамещающий раствор (например, декстран 40 и 70) для восполнения объёма крови;
• для получения сефадексов — гелей для хроматографии;
• в пищевой промышленности — как загуститель и стабилизатор;
• в нефтедобыче — для регулирования вязкости буровых растворов.

Химическая модификация (карбоксиметилирование, сульфатирование) расширяет области применения, в частности для создания антикоагулянтов и носителей лекарств.

¶Регуляция и особенности

Активность декстрансахаразы зависит от pH, температуры, концентрации сахарозы и наличия акцепторов глюкозы. Оптимум для большинства ферментов — pH 5–7 и температура 25–40 °C. При избытке акцепторов синтезируется низкомолекулярный декстран, что используют для направленного получения препаратов заданной массы.