پکتین چیست؟ – به زبان ساده + ساختار و وظیفه

پکتین پلی‌ساکاریدی پیچیده است که در ساختار دیواره سلولی گیاهان وجود دارد. ساختار اصلی این پلیمر از زیرواحدهای اسیدی تشکیل شده است که پس از برهم کنش با یون کلسیم، ژل تشکیل می‌دهند. از ویژگی ژلی شدن این پلیمر طبیعی در صنایع غذایی و داروسازی استفاده می‌شود. در این مطلب به زبان ساده توضیح می‌دهیم پکتین چیست و چه ساختار و کاربردی دارد.

پکتین چیست ؟

پکتین ها گروهی از پلی‌ساکاریدهای نامحلول در آب هستند که در ساختار دیواره سلولی گیاهان خشکی به ویژه تیغه میانی شرکت می‌کنند. وزن مولکولی، درصد کربوهیدرات‌های خنثی و کونفیگوراسیون شیمیایی در انواع مختلف این پلیمر متفاوت است. پکتین موجود در ساختار دیواره سلولی، در افزایش نفوذپذیری دیواره، اتصال بین سلول‌ها، برهم‌کنش با فاکتورهای رشد و ریزش برگ‌ها نقش دارد. پروپکتین (انحلال‌پذیری بیشتر در آب) شکل اولیه این پلیمر در گیاهان نابالغ است که پس از رشد گیاه تبدیل پکتین می‌شود. به علاوه در فرایند رسیدن میوه، این پلیمر به زیرواحدهای کربوهیدراتی شکسته می‌شود. به همین دلیل میوه‌های رسیده نرم‌تر هستند.

فیلم آموزش علوم تجربی پایه نهم – بخش زیست و زمین شناسی در فرادرس

کلیک کنید

ساختار پکتین

پکتین‌ها مجموعه‌ای از پلی‌ساکاریدها هستند که از زیرواحدهای گالاکتورونیک‌اسید ($$C_6H_{10}O_7$$) تشکیل می‌شود. این قند اسیدی از اکسیداسیون D-گالاکتوز ایجاد می‌شود و در ساختار باز، یک گروه آلدهیدی به کربن شماره ۱ ($$C_1$$) و گروه کربوکسیلی در کربن شماره ۶ ($$C_6$$) متصل شده است. پکتین‌های مختلف از اضافه شدن گروه‌های متیل و استر به این کربوهیدرات اسیدی تشکیل می‌شود. بعضی از انواع این پلیمر از زیرواحدهای یکسان (هوموپلی‌ساکارید) و بعضی از آن‌ها از چند زیرواحد مختلف (هتروپلی‌ساکارید) تشکیل می‌شوند.

• هوموگالاکتورونان‌ها پکتین‌های خطی هستند که با اتصال آلفا-۱-۴-گلیکوزیدی بین زیرواحدهای دی گالاکتورونیک‌اسید (GalA) به وجود می‌آیند که در $$C_6$$ متیله و در $$O_2$$ یا $$O_3$$ استیله می‌شود. اضافه شدن زیرواحدهای زایلوز و آپیوز به زنجیره‌های جانبی انواع مختلف این نوع پکتین (زایلوگالاکتوران و آپیوگالاکتوران) را می‌سازد.
• زنجیره اصلی پکتین‌های رامنوگالاکتورونان 1 (RG-I) از دی‌ساکاریدهای ۴-آلفا-D-گالاکتورونیک‌اسید-(۱،۲)-آلفا-L-رامنوز تشکیل و زنجیره‌های جانبی قندهای خنثی (حداقل ۱۲ نوع کربوهیدرات) به زیر واحدهای رامنوز (D-گالاکتوز، L-آرابینوز و D-زایلوز) متصل می‌شوند.
• رامنوگالاکتورونان ۲ (RGII) یکی دیگر از پکتین‌های ساختاری و پلی‌ساکاریدی بسیار منشعب است که فراوانی کمتری نسبت به دو نوع قبلی دارد. زنجیره اصلی این پلی‌ساکارید مثل گالاکتورونان‌ها از کنار هم قرار گرفتن زیرواحدهای دی گالاکتورونیک‌اسید تشکیل شده است.

نقش پکتین در گیاهان

پکتین یکی از پلیمرهای اصلی موجود در دیواره اولیه گیاهان دولپه‌ای است که درصد کمی از ترکیبات دیواره سلولی ثانویه در این گیاهان و گیاهان تک‌لپه‌ای را به خود اختصای می‌دهد. برای درک بهتر نقش پکتین در دیواره سلولی، بهتر است ابتدا ساختار این بخش از گیاه را بررسی کنیم.

دیواره سلولی گیاهی، یک لایه محافظتی نیمه‌تراوا روی غشای پلاسمایی سلول‌های گیاهی است که از ترکیب انواع پلیمرهای مختلف تشکیل می‌شود. این دیواره از سه لایه تیغه میانی، دیواره اولیه و ثانویه تشکیل می‌شود.

• تیغه میانی: این لایه خارجی‌ترین بخش دیواره سلولی است و ترکیبی ژلی از پلیمر پکتین است. تیغه میانی در تمام سلول‌های گیاهی وجود دارد و وظیفه اصلی اتصال دو سلول گیاهی کنار هم است.
• دیواره اولیه: این لایه بین غشای پلاسمایی و تیغه میانی ایجاد می‌شود. ترکیب این لایه از میکروفلامنت‌های سلولزی تشکیل شده است که در ماترکیس ژلی پکتین و همی‌سلولز قرار گرفته‌اند. این دیواره استحکام و انعطاف‌پذیری لازم برای رشد سلول گیاهی را به وجود می‌آورد.
• دیواره ثانویه: این دیواره پس از توقف تولید و ترشح دیواره اولیه در گیاهان چوبی ایجاد می‌شود. انعطاف‌پذیری این لایه از دیواره اولیه کمتر و استحکام آن بیشتر است. ترکیب این لایه علاوه بر سلولز و همی‌سلولز، از پلیمر لیگنین تشکیل شده است که به حرکت آب در آوندهای چوبی کمک می‌کند.

دیواره سلولی گیاهی نقش‌های متفاوتی در فرایندهای مکانیکی و زیستی سلول گیاهی بر عهده دارد.

• دیواره سلولی از سلول گیاهی در برابر فشارهای مکانیک محافظت و جهت رشد سلول را کنترل می‌کند.
• ورود آب به سیتوپلاسم سلول گیاهی فشار ترگر یا هیدروستاتیک داخل سلول را افزایش می‌دهد. تغییر آرایش فییلامنت‌های دیواره سلولی از پاره شدن غشای پلاسمایی در برابر این فشار جلوگیری می‌کند.
• پیام‌های دیواره سلولی، مسیرهای میتوز و رشد سلول را فعال می‌کند.
• منافذ دیواره سلولی، اجازه عبور به بعضی مواد ازجمله پروتئین‌ها را می‌دهد و از ورود سایر مواد به سلول جلوگیری می‌کند.
• سلول‌های گیاهی مجاور از راه پلاسمودسمای (منافذ موجود در دیواره سلولی برای عبور مولکول‌های پیام‌رسان و یون‌ها) دیواره سلولی با هم ارتباط برقرار می‌کنند.
• ترکیبات دیواره سلولی و یکپارچگی آن از ورود پاتوژن‌های ویروسی و باکتریایی به سیتوپلاسم سلول و تبخیر آب جلوگیری می‌کند.
• کربوهیدرات‌های لازم برای رشد سلول (به ویژه دانه) در دیواره سلولی ذخیره می‌شود.

سنتز پکتین در سلول گیاهی

پکتین در دستگاه گلژی سلول‌های گیاهی و همراه گلیکوپروتئین‌ها، پروتئوگلایکان‌ها و سایر پلی‌ساکاریدهای پیچیده سنتز و سپس به‌وسیله سیستم ترشحی از سیتوپلاسم سلول خارج و وارد فضای آپوپلاست (فضای بین دو سلول گیاهی و محل تشکیل دیواره سلولی) می‌شود. برای سنتز این پلیمر، آنزیم‌های متصل به غشای گلژي و گلیکوزیل ترانسفرازهای موجود در لومن، زیرواحدهای کربوهیدراتی را به هسته اولیگوساکاریدی متصل می‌کنند. همزمان با اضافه شدن زیرواحدهای جدید به زنجیره اصلی، متیل و استیل ترانسفرازها گروه‌های متیل و استیل به کمک مولکول‌های اس-آدنوزیل-متیونین‌ (SAM)، استیل کوآ و فرولوئیل کوآ به بخش‌های مختلف زیرواحدهای GalA متصل می‌کنند. حدود ۶۷ نوع آنزیم متیل، استیل و گلیکوزیل تراسفراز در تشکیل این پلی‌ساکارید شرکت می‌کنند. پکتین ترشحی دارای گروه‌های متیل و استر بسیار زیادی است.

آنزیم‌ها و یون‌های موجود در فضای پروپلاست، ساختار این پلیمر را تغییر می‌دهند. برای مثال گروه‌های متیل پکتین به‌وسیله آنزیم متیل‌ترانسفراز هیدرولیز می‌شود یا بین باقی‌مانده‌های GalA با واسطه یون‌های کلسیم، اتصال عرضی برقرار شود. به علاوه ترکیبات بورات استر آپوپلاست، بین زیرواحدهای آپیوز موجود در رامنوگالاکتورونان ۲ قرا می‌گیرد و سبب دیمری شدن این مولکول‌ها به‌وسیله اتصال عرضی می‌شود. اتصال عرضی بین این مولکول‌ها استحکام دیواره سلولی را افزایش می‌دهد.

پکتین تازه سنتز شده به دلیل وجود گروه‌های متیل-استر انحلال‌پذیری بسیار بیشتری در سیتوپلاسم دارد. آنزیم پکتین متیل استراز (PME) آنزیمی است که با جدا کردن گروه‌های متیل این پلیمر، انحلال‌پذیری آن را کاهش داده و امکان تشکیل کمپلکس با کلسیم را فراهم می‌کند. فعالیت این آنزیم و «پروتئین‌های مهارکننده» (Pectin Methyl-Esterase Inhibitors | PMEI) آن‌ها با تغییر آرایش پکتین‌ها، ویژگی‌های مکانیکی دیواره سلولی گیاهان را تغییر می‌دهند.

نقش پکتین در اتصال بین سلولی

اتصال بین‌سلولی یکی از ویژگی‌های مهم در سلول‌های گیاهی و جانوری است که مورفولوژی و عملکرد سلول را تحت تاثیر قرار می‌دهد. در گیاهان تیغه میانی وظیفه برقراری این اتصال را برعهده دارد. این تیغه، دیواره‌ای یکپارچه بین دو سلول گیاهی تشکیل می‌دهد و تشخیص تیغه میانی دو سلول گیاهی از هم دشوار است. این لایه، اولین لایه‌ای است که در سیتوکینز سلول گیاهی تشکیل می‌شود. درصد دقیق انواع ترکیبات پکتینی در این دیواره مشخص نیست اما برخی تحقیقات نشان می‌دهد بیشتر ترکیب پکتین تیغه میانی از رامنوگالاکتورونان 1 تشکیل شده است. اتصالات عرضی بین پلیمرهای پکتین بین دو سلول، در به‌ هم چسبیدن دو دیواره سلولی مجاور کمک می‌کند. علاوه بر اتصال بین‌سلولی، تجزیه پکتین به‌وسیله آنزیم‌های مختلف ازجمله پلی‌گالاکتورونازها، جدا شدن سلول‌ها در بافت‌های مختلف برای تقسیم سلولی و رشد گیاه را کنترل می‌کند.

تغییر شکل سلول به وسیله پکتین

تغییر فشار هیدروستاتیک یا «ترگر» (Turgor Pressure) در سیتوپلاسم سلول‌های گیاهی یکی از عواملی است که سبب تغییر شکل این سلول‌ها می‌شود. افزایش فشار هیدروستاتیک داخل سیتوپلاسم به دلیل ورود آب، باز شدن دیواره سلولی و افزایش حجم سلول را به دنبال دارد. پس از کاهش فشار، اندازه سلول به حالت اولیه برمی‌گردد. علاوه بر تغییر فشار، متیله و دمتیله شدن پلیمر پکتین هوموگالاکتورونان در دیواره سلولی و تغییر در آرایش فیلامنت‌ها، نیروی لازم برای افزایش حجم و تغییر شکل سلول را فراهم می‌کند. هوموگالاکتورونان متیله، در ساختارهای فشرده شش‌وجهی قرار دارد. اما در حالت دمتیله آرایش مستطیلی می‌گیرد. در نتیجه دمتیلاسیون این پلیمر سبب باز شدن آرایش و رشد دیواره سلولی خواهد شد. پروتئین‌های محلول و یون کلسیم موجود در آپوپلاست، سیگنال این تغییر آرایش هستند.

کمپلکس پکتین کلسیم در دیواره سلولی

کمپلکس کلسیم-پکتین در فضای آپوپلاستی و بین پکتین‌های با درصد کم متیل و استر ایجاد می‌شود. برای تشکیل این کمپلکس دو بخش یک پلیمر پکتین یا دو زنجیره متفاوت پکتینی با یون کلسیم برهم‌کنش می‌کند و کلسیم پکتات ایجاد می‌شود. آرایش این کمپلکس ژلی شبیه به کلسیم-آلژینات به شکل سبد تخم مرغ است و استحکام دیواره سلولی را افزایش می‌دهد. به همین گیاهانی که کلسیم بیشتری دریافت می‌کنند نسبت به آفت‌ها و پاتوژن‌های محیطی مقاوم‌تر هستند.

تشکیل کمپلکس پکتین-کلسیم، آرایش نانوفیلامنت‌های دیواره سلولی را منظم‌تر می‌کند. به همین دلیل یکپارچگی دیواره سلولی در برابر پاتوژن‌ها افزایش یافته و پاسخ آن‌ها به تغییرات فشار ترگر تغییر شکل سلول را کنترل خواهد کرد. به علاوه حرکت مولکول‌ها از دیواره و غشای سلولی تنها از مسیرهای کانالی مشخص انجام خواهد شد.

آنزیم های تجزیه کننده پکتین

آنزیم‌های تجزیه‌کننده پکتین، مجموعه‌ای از آنزیم‌های هیدرولازی هستند که پیوندهای گلیکوزیدی را بین بخش‌های داخلی این پلیمر، زنجیره جانبی و انتها و ابتدای زنجیره هیدرولیز می‌کنند. به دلیل اختصاصی بودن پیوند هیدرولازی،استفاده از آنزیم‌ها ها اطلاعات بهتری نسبت به روش‌های شیمیایی در اختیار کاربر قرار می‌دهند.

فیلم آموزش زیست شناسی سلولی Cell Biology در فرادرس

کلیک کنید

• اندوپلی‌گالاکتوروناز (Endo-polygalacturonases | EndoPG’s): آنزیم‌هایی هستند که پیوند گلیکوزیدی آلفا-۱-۴ بین زیرواحدهای گالاکورونیک‌اسید زنجیره اصلی را هیدرولیز می‌کند. فعالیت این آنزیم در پلیمرهایی که متیل استرازهای بیشتری دارند، کاهش می‌یابد. ایجاد برشی داخلی در زنجیره اصلی به شکل تصادفی انجام می‌شود.
• اگزوپلی‌گالاکتوروناز (Exopolygalacturonase | ExoPG): این آنزیم‌ها پیوند گلیکوزیدی آخرین گالاکتورونیک‌اسید در انتهای غیراحیاکننده پلیمر (زنجیره اصلی) را هیدرولیز می‌کنند.
• رامونوگالاکتورونان هیدرولاز (Rhamnogalacturonan hydrolase | RGH): این آنزیم‌ها پیوند بین گلاکتورونیک‌اسید و راموناز در ساختار اصلی RGI را هیدرولیز می‌کنند و در انتهای غیر احیاکننده زیرواحد راموناز باقی می‌گذارد. فعالیت این آنزیم مثل اندو و اگزو گالاکتورونازها، با افزایش زیرواحدهای استیل و استر کاهش می‌یابد.
• رامونوگالاکتورونان لیاز (Rhamnogalacturonan lyase | RGL): این آنزیم‌های پیوند گلیکوزیدی بین زیرواحدهای RGI در زنجیره اصلی پلیمر را می‌شکند و در انتهای غیر احیاکننده گالاکتورونیک‌اسید غیراشباع باقی می‌گذارد.
• رامونوگالاکتورونان رامونوهیدرولاز (Rhamnogalacturonan rhamnohydrolase | RGRH): این آنزم یکی از اعضای خانواده اگزوپکتینازها است که باقی‌مانده‌های رامونوزیل که با پیوند آلفا-۱-۴-گلیوکوزیدی به گالاکتورونیک‌اسید متصل است را از انتهای پلیمر جدا می‌کند.
• رامونوگالاکتورونان گالاکتو هیدرولاز (Rhamnogalacturonan galacturono hydrolase | RGGH): این آنزیم‌ها زیرواحدهای گالاکتورونیک‌اسید متصل به راموناز را در انتهای غیر احیاکننده در زنجیره اصلی RGI جدا می‌کنند اما بر GalA پکتین‌های هوموگالاکتورونان‌ها اثری ندارد.
• اندوزایلوگالاکتورونیک هیدرولاز (Endo xylogalacturonan hydrolase | XGH): این آنزیم پیوندهای آلفا-۱-۴ بین زایلوز-گلوکورنیک‌اسید-زایلوز را در زایلوگالاکتوران هیدرولیز می‌کند.

کاربرد پکتین در صنعت

پکتین یکی از پلی‌ساکاریدهایی است که به دلیل پیوند هیدروژنی با مولکول‌های آب، می‌تواند ترکیب ژلی تشکیل دهد به همین دلیل در تولید صنعتی ژله، مربا و مارمالاد کاربرد دارد. به علاوه از این ویژگی در صنایع شیرینی‌پزی، داروسازی و تولید پارچه استفاده می‌شود. برای مصارف صنعتی، این پلیمر را از پوست مرکبات و در برخی موارد از تفاله سیب پس از تولید آبمیوه استخراج می‌کنند.

برای استخراج این پلیمر، اسیدهای گرم و رقیق با pH بین ۱٫۵ تا ۳٫۵، در بازه زمانی طولانی به پوست مرکبات یا تفاله سیب اضافه می‌شود. هیدرولیز اسیدی سبب می‌شود، زنجیره‌های جانبی از ساختار اصلی جدا و پکتین وارد محلول استخراج شود. در مرحله بعد محلول استخراج فیلتر و به‌وسیله پمپ خلا تغلیظ خواهد شد. سپس پکتین با اضافه کردن اتانول یا متانول پکتین رسوب می‌کند، شست‌شو داده شده و با اضافه کردن کربوهیدرات‌های دیگر، یون کلسیم یا اسیدهای آلی برای مصرف آماده می‌شود. پکتین استخراج شده به‌وسیله این روش، پیوندهای استری کمی دارد. اگر از آمونیوم هیدروکسید برای جداسازی استفاده کنیم، پکتین آمیدی محصول نهایی فرایند خواهد بود.

مصرف پکتین چه مزایایی دارد ؟

مصرف پکتین موجود در غذاهای گیاهی با کاهش لیپوپروتئین‌های با چگالی پایین (LDL) و در نتیجه کاهش غلظت کلسترول خون، به تنظیم غلظت چربی‌های خون کمک می‌کند. این مولکول به کلسترول‌های موجود در لوله گوارش متصل می‌شود و از جذب آن جلوگیری می‌کند. ازآن‌جایی که آنزیم هیدرولیزکننده این پلیمر در بدن وجود ندارد، کلسترول به همراه آن از روده بزرگ دفع خواهد شد. به علاوه وجود این پلیمر به دلیل اتصال سرعت حرکت غذا در روده باریک را کاهش می‌دهد و از یبوست جلوگیری می‌کند.

تفاوت پکتین و لیگنین چیست ؟

پکتین و لیگنین دو پلیمر مهم در ساختار دیواره سلولی گیاهان هستند. پکتین پلی‌ساکاریدی از زیرواحدهای اصلی گالاکتورونیک‌اسید است که در تیغه میانی، دیواره سلولی اولیه و مقدار کمی در دیواره سلولی ثانویه وجود دارد. اما لیگنین پلیمری از زیرواحدهای پلی فنیل پروپان است که بیشتر ترکیب دیواره ثانویه گیاهان را به خود اختصاص می‌دهد. این پلیمر فضای خالی بین فیلامنت‌های سلولز، همی‌سلولز و پکتین را پر می‌کند و استحکام دیواره سلولی در گیاهان چوبی را افزایش می‌دهد. این پلیمر هیدروفوب، آوند را تبدیل به محفظه ضدآبی می‌کند که به حرکت یک‌طرفه آب از ریشه‌ها به برگ و خلاف نیروی گرانش زمین کمک خواهد کرد. به علاوه خاصیت ضدقارچی این پلیمر، از گیاه در برابر حمله قارچ‌ها محافظت می‌کند.

جمع بندی

در این مطلب توضیح دادیم پکتین یکی از پلی‌ساکاریدهای طبیعی در ساختار دیواره سلولی گیاهان است که از زیرواحدهای گالاکتورونیک‌اسید تشکیل می‌شود. انواع این پلیمر با اضافه شدن زنجیره‌های جانبی قندهای خنثی ازجمله زایلوز ایجاد می‌شود. این پلیمر یکی از ترکیبات دیواره سلولی گیاهان است که به حفظ یکپارچگی دیواره، افزایش استحکام سلول، تغییر مورفولوژی سلول و تنظیم رشد آن نقش دارد.