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.

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.

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

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.

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.)

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

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.

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.

References

• Angellier-Coussy H, et al. (2009) The molecular structure of waxy maize starch nanocrystals. Carbohydrate Research 344: 1558-1566. doi: 10.1016/j.carres.2009.04.002
• Buléon A, Véronèse G, Putaux JL (2007) Self-association and crystallization of amylose. Australian Journal of Chemistry 60: 706-718. doi: 10.1071/CH07168
• Cornuéjols D (2009). Biological crystals: at the interface between physics, chemistry and biology. Science in School 11: 70-76. www.scienceinschool.org/2009/issue11/crystallography
• Gallant DJ, Bouchet B, Baldwin PM (1997) Microscopy of starch: evidence of a new level of granule organization. Carbohydrate Polymers 32: 177-191. doi: 10.1016/S0144-8617(97)00008-8
• Imberty A et al. (1988) The double-helical nature of the crystalline part of A-starch. Journal of Molecular Biology 201: 365-378. doi: 10.1016/0022-2836(88)90144-1
• Stanley H (2009) Plasma balls: creating the 4th state of matter with microwaves. Science in School 12: 24-29. www.scienceinschool.org/2009/issue12/fireballs
• Waigh TA et al. (2000) Side-chain liquid-crystalline model for starch. Starch 53: 450-460. doi: 10.1002/1521-379X(200012)52:12<450::AID-STAR450>3.0.CO;2-5

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

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

Download

Download this article as a PDF