Luennon 8 oppimistavoitteet I Puun hemiselluloosien rakenne ja ominaisuudet Puu-9.20 Puun rakenne ja kemia Ymmärrät, että hemiselluloosat muodostuvat joukosta heteropolysakkarideja. Ymmärrät, että hemiselluloosapitoisuus ja koostumus riippuu puulajeista. Tunnet kotimaisissa puulajeissa esiintyvät päähemiselluloosatyypit. saat listata ja tunnistaa havupuissa esiintyvät hemiselluloosat ja näiden pitoisuudet. Luennon 8 oppimistavoitteet II Puun koostumus saat listata ja tunnistaa lehtipuissa esiintyvät hemiselluloosat sekä näiden pitoisuudet. Tunnet hemiselluloosien perusominaisuudet (koko, liukoisuus, tehtävät soluseinässä). Ja ymmärrät, kuinka hemiselluloosat poikkeavat selluloosasta. Tiedät, että puussa on hemiselluloosien lisäksi myös muita polysakkarideja, kuten tärkkelystä ja pektiiniainesta. saat kertoa, millaista on pektiiniaines ja missä sitä esiintyy. Ligniini (20-30%) Hemiselluloosat (25-35%) Uuteaineet (2-5%) Selluloosa (40-45%)
HEMISELLULSAT Hemiselluloosapitoisuus on tyypillisesti 20-35% puun kuivapainosta. Hemiselluloosat säätelevät ligniinin ohella puun soluseinien vesipitoisuutta. Niiden rakenne on hyvin samankaltainen selluloosan rakenteen kanssa, ja näin ollen hemiselluloosat voivat kiinnittyä selluloosan pintaan. Useimpien hemiselluloosien polymeroitumisaste on 200. Epäsäännöllisesti ketjurakenteestaan johtuen hemiselluloosat ovat vesiliukoisia ja amorfisia (eikiteisiä). Soluseinän ja kuitujen elastisuus riippuu paljolti hemiselluloosien kyvystä sitoa vettä. HEMISELLULSAT Hemiselluloosat ovat heteropolysakkarideja. Niiden rakenneyksiköitä ovat: Heksoosit (D-glukoosi, D-mannoosi, D-galaktoosi). Pentoosit (D-ksyloosi, L-arabinoosi, D-arabinoosi). Deoksiheksoosit (L-ramnoosi (6-deoksi-L-mannoosi), L-fukoosi (6-deoksi-L-galaktoosi). Uronihapot, joita tosin on vain pieni määrä suhteessa muihin rakenneyksiköihin (4--metyyli-Dglukuronihappo, D-galakturonihappo, D- glukuronihappo). H H H H 2 C H β-d-glukopyranoosi () β-d-ksylopyranoosi (β-d-xylp) H Puun monomeerejä H H 2 C H β-d-mannopyranoosi (β-d-manp) α-l-arabinopyranoosi (α-l-arap) Heksoosit CH 2 H H 2 C α-d-galaktopyranoosi (α-d-galp) Pentoosit α-l-arabinofuranoosi (α-l-araf) CH 2 H 2 C H β-l-arabinofuranoosi (β-l-araf) β-d-galaktopyranoosi (β-d-galp) CH 2 α-d-arabinofuranoosi (α-d-araf) H H H 2 C β-d-glukuronihappo (A) H H 3 C Puun monomeerejä H Deoksiheksoosit α-l-ramnopyranoosi (α-l-rhamp) H H 2 C β-d-galakturonihappo (β-d-galpa) H 3 C H α-l-fukopyranoosi (α-l-fucp) Uronihapot H H 2 C α-d-galakturonihappo (α-d-galpa) Me H H 2 C 4--metyyli-D-glukuronihappo (4--Me-α-D-GlcpA)
HEMISELLULSAT Monet hemiselluloosat ovat rakenteeltaan haaroittuneita tai niillä on ainakin muutamia sivuryhmiä. sittain tästä johtuen ne ovat liukoisia emäkseen tai jopa veteen. Glukomannaani ja ksylaani ovat puussa esiintyvien hemiselluloosien päätyypit. Näiden pääkomponentit ovat glukoosi, ksyloosi, mannoosi ja galaktoosi. H CH 2 H β-d-xylp H CH 2 H β-d-manp CH 2 H α-d-galp Selluloosa Glukomannaani Ksylaani HEMISELLULSAT Muut polysakkaridit Ligniini Uuteaineet jne. Havu- ja lehtipuiden hemiselluloosan koostumus ja rakenne poikkeavat toisistaan monilla tavoin: Hemiselluloosapitoisuus. Yksittäisten hemiselluloosien prosentuaalinen osuus Havupuissa on tyypillisesti enemmän mannoosia ja galaktoosia, ja vähemmän ksyloosia ja asetyloituja hydroksyyliryhmiä kuin lehtipuissa HEMISELLULSAT Puun rungon, oksien, juurien ja kuoren hemiselluloosakoostumukset poikkeaa huomattavasti toisistaan. Reaktiopuun polysakkaridit Polysakkaridi Normaali puu (%) Kuusi (Picea abies) Lylypuu (puristuspuu) (%) Rauduskoivu (Betula pendula) Normaali puu (%) Vetopuu (%) Selluloosa 62 50 50 62 Galaktoglukomannaani 22 4 - - Glukomannaani - - 4 Arabinoglukuroniksylaani 3 7 - - Glukuroniksylaani - - 44 24 Muita (pääosin galaktaani) 3 9 2 3 Havupuiden hemiselluloosat Galaktoglukomannaani Galaktoglukomannaanin runko muodostuu β-dglukopyranoosi- ja β-d-mannopyranoosiyksiköistä, jotka ovat liittyneet toisiinsa,4-glykosidisin sidoksin. Galaktoglukomannaanit voidaan karkeasti jakaa kahteen galaktoosipitoisuudeltaan poikkeavaan jakeeseen. Alhaisen galaktoosipitoisuuden jakeessa galaktoosi:glukoosi:mannoosi-suhde on n. 0,::4. Galaktoosirikkaassa jakeessa vastaava suhde on ::3. Galaktoosiköyhä jae tunnetaan myös nimellä glukomannaani. Galaktoglukomannaani
Havupuiden hemiselluloosat Arabinoglukuroniksylaani Arabinoglukuronoksylaani muodostuu β-dksylopyraanoosiyksiköistä, jotka ovat sitoutuneet toisiinsa,4-glykosidisin sidoksin. Pääketju on haaroittunut ja, se sisältää,2-glykosidisin sidoksin liittyneitä 4--metyyli-α-Dglukuronihapporyhmiä (~2/0 ksyloosiryhmää) ja,3- glykosidisin sidoksin liittyneitä α-larabinofuranoosiryhmiä (~,3/0 ksyloosiryhmää). Havupuut voivat sisältää myös pieniä määriä muita polysakkarideja, kuten arabinogalaktaani, tärkkelystä ja pektiiniä. Lehtipuiden hemiselluloosat Glukuronoksylaani Glukuronoksylaanilla (-asetyyli-4--metyyliglukurono-β- D-ksylaani) on sama rakenne kuin havupuiden arabinoglukuronoksylaanilla, mutta se sisältää vähemmän uronihapposubstituentteja (~/0 ksyloosiryhmää). sa pääketjussa olevista C 2 -ja C 3 -asemissa olevista hydroksyyliryhmistä on korvautunut asetyyliryhmillä (~7 per 0). Lisäksi lehtipuuksylaani voi sisältää pieniä määriä L- ramnoosia ja galakturonihapporyhmiä. Arabinoglukuroniksylaani Glukuroniksylaani Lehtipuiden hemiselluloosat Glukomannaani Glukomannaanilla on samanlainen pääketju kuin havupuun glukomannaanilla, mutta lehtipuuglukomannaani ei ole substituoitua eikä asetyloitua ja sen glukoosi:mannoosisuhde on suurempi (~:2 - :). Lehtipuissa on myös pieniä määriä muita polysakkarideja, jotka ovat samankaltaisia kuin havupuiden polysakkaridit. Glukomannaani Tärkeimmät hemiselluloosatyypit (E. Sjöström, Puukemia teoreettiset perusteet ja sovellutukset, 4. painos, takustantamo, 989 Hemiselluloosatyyppi Pitoisuus (% puusta) Galaktoglukomannaani Havupuu 5-8 β-d-manp α-d-galp Acetyl (Galakto)glukomannaani Havupuu 0-5 β-d-manp α-d-galp Acetyl Arabinoglukuronoksylaani Havupuu 7-0 β-d-xylp 4--Me-α-D- GlcpA α-l-araf Arabinogalaktaani Lehtikuusi 5-35 β-d-galp α-l-araf β-l-arap Glukuronoksylaani Lehtipuu 5-30 β-d-xylp 4--Me-α-D- GlcpA Acetyl Glukomannaani Lehtipuu 2-5 β-d-manp Esiintyminen Rakenneyksikkö Moolisuhde 3 4 0, 0 2,3 6 2/3 /3 Little 0 7-2 Sidos 6 6 2 3 3,6 6 3 6 2
Mannaanit Mannanit ovat yleisiä sekä kasvi- että eliökunnassa, ja ne esiintyvät niin homo- kuin heteropolysakkarideina. Mannaanien sidokset ovat ekvatoriaalisia.,4-sitoutuneet mannoosiyksiköä muodostavat kierteisen mannaanin avaruusrakenteen, mikä poikkeaa selluloosan kiderakenteesta C 2 -hiiliin liittyneiden hydroksyyliryhmien orientaatio johdosta. Perusavaruusrakenteen muodostavat 2 mannoosiyksikköä Ksylaani,4-sitoutunut β-d-ksylaani on tärkeä soluseinien rakenneyksikkö. Rakennne esiintyy harvoin ilman sivuryhmiä (arabinoosi tai 4-metyyliglukuronihappo).,4-sitoutuneen ksylaanin avaruusrakenne muodostuu vasenkierteisestä ksyloosiyksiköiden muodostamasta avaruusrakenteesta. Ksyloosiyksiköiden välimatka on 4,85 Å. Myös ksylaanin sidokset ovat ekvatoriaalisia. 3 vasemmalle kiertyvää ksyloosiyksikköä Polygalakturonirakenteet Polygalakturonihappoja esiintyy monissa hedelmissä ja vihanneksissa Erityisesti sitrushedelmien kuoressa, omenissa ja sokerijuurikkaissa, jne. Polygalaktrunonidit esiintyvät normaalisti osittain metyylialkoholin estereinä. Pektiinihappo on kokonaan demetyloitu galakturonaani. Pektiinihapon muodostuu oikealle kiertyvästä kolmitaiterakenteesta. Pektiinin monomeeriset yksiköt ovat rajoitetumpia kuin selluloosan, ksylaanin ja mannaanin yksiköt. Pektiiniaines Primaarisen soluseinän pääkomponentti. Esiintyy erityisesti välilamellissa. Muodostuu,4-sitoutuneiden α-dgalakturonihappoyksiköistä. Kolme eri pektiinipolysakkaridityyppiä on voitu eristää kasvisolujen primaariseinästä: homogalakturonaani, ramnogalakturonaani I (RG-I) ja ramnogalakturonaani II (RG-II). C 2 CH 3 H α D GalpA
C Me HMGALAKTURNAANI C Me Polysakkaridin runko muodostuu,4-sitoutuneista α-d-galakturonihappoyksiköistä. Jotkin tai kenties kaikki karboksyyliryhmät ovat metyyliesteröityneitä. C RAMNGALAKTURNAANI I (RG-I) Monimutkainen, haaroittunut pektiininen polysakkaridi. H 3 C H H α L Rhap H 3 C α-l-fucp RG I:n glykosyyliyksikköjen %-osuus plataani, douglaskuusi ja maissi. Plataani Arabinoosi (Ara), galaktoosi (Gal), galakturonihappo (GalA) ja ramnoosi (Rha) ovat RG-I:n pääasiallisia monosakkaridikomponentteja. Glykosyyliyksikkö Douglaskuusi Maissi Rha 6 9 20 Fuc 2 4 0 Ara 32 30 32 Xyl 0 4 4 Gal 3 2 20 Glc 0 6 0 GalA 7 26 24 RAMNGALAKTURNAANI I (RG I) RG I:n runko muodostuu vuorottelevista disakkaridiketjuista. 4) 4)-α-D-GalpA-( 2) 2)-α-L-Rhap-( RG-I:n sivuketjut eivät ole jakautuneet tasaisin välein pääketjuun nähden. Noin 50 % ramnoosiyksiköistä sijaitsee C 4 -asemassa neutraalien tai kenties happamien oligosakkarideihin nähden. Sivuketjuja on vähintään seitsemän eri tyyppiä. Alla näkyy muutama näistä. β-d-galp-( 6)-β-D-Galp-()-β-D-Galp-()-Ramnoosi α-l-fucp-( 2)-β-D-Galp-()-β-D-Galp-()-Ramnoosi L-Araf-( 5)-α-L-Araf-( 2)-α-L-Araf-( 3)-β-D-Galp-()-Ramnoosi Araf-[Araf] 0 3 Ramnoosi Galp-[Galp] 0 3 -Ramnoosi RAMNGALAKTURNAANI II (RG II) Polysakkaridi rakentuu,4-sidotuista α-dgalakturonihappo pääketjusta. Sivuketjut, jotka ovat muodostuneet keto- ja aldehydiryhmiä sisältävistä oligosakkarideista, sijaitsevat C 2 ja/tai C 3 asemissa. RG II muodostuu noin 30 glykosyyliyksiköstä ja sen rakenne on erittäin monimutkainen. Esiintyy esim. puukuitujen primaariseinässä. Kompleksein luonnosta löytynyt polysakkaridi.
RAMNGALAKTURNAANI II (RG II) Glykosyyliyksiköiden %-osuus RG-II:ssa Glykosyyli Plataani Riisi Pectinol -yksikkö Rha 2,4 8,2 6, Fuc 2,8 4,9 3,7 2MeFuc 3,5 5,3 4, Ara 0,0 0,0 5,3 2MeXyl 4,8 7,3 4, Apiose 2,2 9,0 0,2 Gal 9,0 2,3 4,5 GlcA 3,2 6,3 6,7 GalA 3,2 26,7 29,3 Aceric acid 3,5 + + KD 3,5 + + DHA 3,5 + + CH 2 H CH 2 C KD (2-keto-3-deoxy- D-manno-octulosonic acid) C H 3 H Apif C 2 H C Aceric acid C H DHA (3-deoxy-D-lyxo- 2-heptulosaric acid) CH 2 H - Pektiinimolekyyli Sileä alue Karvainen alue Arabinaanit ja galaktaanit Puun pektiiniaines sisältää myös galaktoosia ja arabinoosia. Vielä ei tiedetä sijaitseeko primaariseinän arabinaanit ja galaktaanit erillisinä homopolysakkarideina vai ainoastaan kovalenttisesti sidottuina RG-I:n sivuketjuina. Galaktaanit muodostuvat,4-sidotuista β-dgalaktopyranoosi yksiköistä. Galaktaanit ovat siis myös soluseinän hemiselluloosia. Erityisesti reaktiopuu sisältää erityyppisiä galaktaaneja. Galaktaanit,4-sitoutunut galaktaani (lylypuu),4-sitoutunut galaktaani (vetopuu)
Arabinogalaktaanit Arabinogalaktaanit ovat vesiliukoisia. Tämän polysakkaridin pitoisuus on suuri (5-40%) lehtikuusen sydänpuun trakeidien soluonteloissa. Arabinogalaktaani I:n päärunko muodostuu β-,4- sitoutuneista galaktoosiyksiköistä. Arabinosyyli- ja galaktosyylisivuketjut ovat kiinnittyneet C-3- asemaan Arabinogalaktaani II on voimakkaasti haarautunut polysakkaridi. Arabinogalaktaani II ei pidetä primaariseinän rakennekomponenttina vaan enemmänkin uuteaineen kaltaisena yhdisteenä. Arabinogalaktaani (huom. larch wood = lehtikuusi) YHTEENVET Hemiselluloosat säätelevät yhdessä ligniinin kanssa soluseinän vesipitoisuutta. Hemiselluloosien rakenne on samankaltainen selluloosan rakenteen kanssa ja näin ollen hemiselluloosat voivat kiinnittyä selluloosan pintaan. Useimmat hemiselluloosat ovat haaroittuneita tai niillä on ainakin muutamia sivuryhmiä. Puuaineksen kaksi pääasiallista hemiselluloosatyyppiä ovat glukomannaani ja ksylaani. Homogalakturonaani, ramnogalakturonaani I ja ramnogalakturonaani II ovat pektiinisiä polysakkarideja.