Polysaccharide

Wie keine andere Substanzklasse zeichnen sich Polysaccharide dadurch aus, daß die große Zahl dieser Verbindungen aus nur relativ wenigen Strukturelementen aufgebaut ist. Der großen heute bekannten Vielfalt von Polysacchariden im Bereich der Pflanzen liegt ein breites Spektrum von Hexosen, Pentosen und Uronsäuren zugrunde, die durch unterschiedliche Ausbildung der glycosidischen Verknüpfungen mit den verschiedenen Kohlenstoffatomen der einzelnen Zuckerbausteine eine fast unübersehbare Anzahl von verschiedenartigsten Polysacchariden ergeben.

Cellulose ist die Gerüstsubstanz aller Pflanzenzellen und damit das mengenmäßig wichtigste Naturprodukt überhaupt. Dieser Zellwandbestandteil entsteht tagtäglich in großen Mengen durch Photosynthese. In der Biosphäre sind rd. 27 · 10¹⁰ t Kohlenstoff in Lebewesen festgelegt, davon mehr als 99% in Pflanzen. Etwa 40% dieses Kohlenstoffs ist in Cellulose gebunden. Damit berechnet sich die Menge der Cellulose im Pflanzenreich zu 26, 5 · 10¹⁰ t.

Polysaccharide als Polyole haben die Fähigkeit, starke Wechselwirkungen mit Wasser einzugehen und Wasserstoffbrücken auszubilden. Während die Cellulose als Strukturpolysaccharid Wasserstoffbrückenbindungen intra — aber vor allem intermolekular ausbildet und als native Faser (Cellulose I) auch ohne Wasser kristallisiert, stellt Wasser für Stärke einen integralen Bestandteil dar. Völlig getrocknete Stärke liefert ein amorphes Röntgenbeugungsdiagramm. Das zeigt sich bereits an den Dimeren, ß-Cellobiose kristallisiert ohne Wasser, ß-Maltose nur als Monohydrat.

Die Hauptbestandteile der verholzten Zellwand sind Cellulose, Polyosen (= Hemicellulosen) und Lignin. Cellulose und Polyosen gehören zur Gruppe der Polysaccharide, während das Lignin ein Polymer aus aromatischen Bausteinen (p-Hydroxyzimtalkohol-Einheiten) ist (Fengel, Wegener 1984). Um zu verstehen, auf welche Weise diese unterschiedlichen Komponenten ein festgefügtes System bilden, aus dem Zellwände und das als Holz bezeichnete pflanzliche Gewebe bestehen, bedarf es einer weitergehenden Betrachtung als es dem molekularen Aufbau und den chemischen Eigenschaften dieser Verbindungen entspricht.

In jüngster Zeit hat die pflanzliche Biomasse weltweit sehr großes Interesse als regenerierbare Rohstoffquelle gefunden (Sahm, 1979, Ghose, 1981). Jährlich werden auf der Erde etwa 2x10¹¹ to pflanzliche Biomasse mit Hilfe der Photosynthese aus Sonnenenergie, Kohlendioxid und Wasser neu gebildet. Zur Zeit werden davon etwa nur 1–2% zur Nahrungs- und Futtermittelproduktion und etwa die gleiche Menge zur Papier- und Fasergewinnung verwendet. Der größte Teil des Pflanzenmaterials bleibt somit bis heute primär wegen der Ernte- und Transportkosten wirtschaftlich ungenutzt. Ferner fallen bei der Ernte und Verarbeitung der pflanzlichen Biomasse wiederum große Mengen als Abfälle bzw. Rückstände an. In der Bundesrepublik Deutschland haben wir z.B. einen Überschuß an Stroh von etwa 8 Millionen Tonnen pro Jahr. Es wurde deshalb weltweit mit Arbeiten begonnen, die zum Ziel haben, pflanzliche Biomasse, insbesondere billige Lignocellulose-haltige Rückstände als Substrate für Mikroorganismen zur Gewinnung von organischen Rohstoffen einzusetzen.

Bis heute verläuft die industrielle Forschung weitgehend empirisch und sucht das optimale Produkt für einen bestimmten Zweck. Die praktische Nutzung könnte zweifellos gezielter sein, wenn manche Aspekte der Struktur des Stärkekorns und besonders des Amylopektins ausreichend geklärt und verstanden wären. Noch immer ist umstritten, welche Komponenten im Stärkekorn die Kristallinität bedingen. French (Kainuma und French 1971; French 1972) und die meisten anderen Autoren halten Amylopektin für die Kristallinität verantwortlich, nur wenige die Amylose. Es ist in der Tat ein Widerspruch, beim Quellen löst sich die Amylose heraus, das Amylopektin bleibt gelartig zurück. Andererseits ist die Amylose in ihrer wässrigen Lösung sehr instabil und fällt dann kristallin aus, während das gelöste Amylopektin ungleich stabiler ist und allenfalls als durchsichtiges Gel erstarrt.

Cellulose ist ein polymerer dreiwertiger Alkohol. Grundsätzlich sollte sie also denselben chemischen Reaktionen zugänglich sein wie die einfachen Alkohole, also Alkoholate, Ester und Ether bilden. Die drei funktioneilen Hydroxylgruppen in jeder Anhydroglucoseeinheit (s. Abb. 1) sind allerdings gegenüber Reaktionspartnern nicht frei zugänglich, da sie durch inter- und intramolekulare Wasserstoffbrückenbindungen blokkiert sind. Diese Wasserstoffbrücken und andere sekundäre Bindungskräfte, vorwiegend van der Waals-Kräfte, vereinigen Anteile der Molekularketten zu übermolekularen Einheiten unterschiedlicher lateraler Ordnung, die sich von der vollständigen geometrischen Packung innerhalb eines Kristallgitters bis zu völlig ungeordneten („amorphen“) Bereichen erstrecken. Diese in sich nicht scharf abgegrenzten Bereiche sind in den morphologischen Einheiten der Elementar- und Mikrofibrillen zusammengefaßt, die wiederum in einer charakteristischen, mikroskopisch erkennbaren Fasertextur die nativen Cellulosefasern aufbauen.

Es ist charakteristisch für alle Zellen, daß sie von einer Kohlenhydrat-reichen Hülle umgeben sind. Bei höheren kernhaltigen (eukaryontischen) Zellen besteht diese Oberflächenschicht aus Glycoproteinen, Proteoglycanen und Glycolipoiden. Bei Bakterien kennt man, bis auf einige Ausnahmen (halophile Bakterien), keine Glycoproteine und Proteoglycane. Auch Glycolipoide kommen bei Bakterien selten vor. Auf bakteriellen Oberflächen finden sich, in verschiedener Weise gebunden, hauptsächlich Polysaccharide [1–3].

Die Anwendung von Polysacchariden in den verschiedensten pharmazeutischen Bereichen hat in den letzten Jahren einen beachtlichen Aufschwung erlebt. Dies gilt nicht nur für das Gebiet der indifferenten Hilfsstoffe, sondern auch für eine Reihe von Polysacchariden, die aufgrund verschiedener chemisch/physikalischer Parameter die Grundlage für eine Anwendung als direkte Pharmaka ergeben haben. In quantitativer Hinsicht sind natürlich Hilfsstoffe vorherrschend, wobei unter dem Begriff ‘Hilfsstoff’ Substanzen zu verstehen sind, die bestimmten Pharmaka aus Gründen der Erzeugung, Verarbeitung oder Anwendung zugesetzt werden, ohne selber Hauptwirkstoff zu sein. Derartige Hilfsstoffe müssen ausgesprochen indifferent sein, sie dürfen im Normalfall nicht durch die Enzyme des Verdauungstraktes angegriffen werden, sie sollen unresorbiert wieder ausgeschieden werden.

Bei der Entwicklung der modernen Lebensmittelverarbeitung sind folgen-de zwei Richtungen in den Vordergrund getreten:

Makromoleküle und ihre Werkstoffe unterscheiden sich wesentlich und auffallend in ihren Eigenschaften von den niedermolekularen Stoffen. Wir verdanken bereits den frühen Arbeiten von Hermann Staudinger und Werner Kuhn die Erkenntnis, daß es die Gestalt und die außergewöhnliche Größe sind, die die besonderen Eigenschaften dieser Moleküle bestimmen. So ist die regellos verknäuelte Gestalt flexibler Kettenmoleküle Ursache für die begehrte Kautschukelastizität, und die vielbeobachtete Kettensteifheit, verbunden mit einer hohen Regelmäßigkeit in der chemischen Struktur, ist Voraussetzung für die Bildung mechanisch hochfester Fasern.

Das Phänomen der thermischen Gelierung von biologischen Polymeren ist schon seit langer Zeit bekannt und wird bereits seit Jahrhunderten bei der Zubereitung von Speisen angewendet. Über die Anwendung in Pharmazie und Lebensmittelchemie wurde bereits in zwei vorangegangenen Beiträgen berichtet. Trotz der Bedeutung dieser Anwendungen gibt es bis jetzt keine alle Phänomene beschreibende Theorie der thermischen Gelierung

Polysaccharide und ihre Derivate zeigen im Vergleich zu synthetischen Polymeren, aber auch zu anderen natürlichen Makromolekülen wie z.B. den Proteinen, häufig ungewöhnliche Eigenschaften , die bisher noch keine vollständige theoretische Erklärung gefunden haben. Dies gilt in besonderem Maße auch für die Thermodynamik dieser Polymeren. Manches erscheint geradezu auf den Kopf gestellt. Das bekannteste und vielleicht auch älteste Beispiel ist hier die Methylcellulose (Sakar 1973).

Die vergleichende Betrachtung einiger Bakterien-Polysaccharide zeigt, daß jedes Polysaccharid ein eigenes analytisches Problem darstellt und daß es nicht möglich ist, ein generell anwendbares Verfahren zur Strukturaufklärung aufzustellen. Man kann jedoch die Informationen aufzählen, die der Naturstoffchemiker über das zu untersuchende Polysaccharid erhalten möchte. Dazu gehören Natur, Sequenz und Bindungen der Zuckerbausteine, sowie deren anomere Konformationen und Ringgrößen. Außerdem ist auch die Substitution des Polysaccharides (z.B. Acetylierung) interessant.

In diesem Kapitel wird über Anwendungsbereiche berichtet, bei denen die Polysaccharide als poröse, hydrophile Netzwerke zum Einsatz gelangen. Derartige Netzwerke werden aus linearen, löslichen Polysacchari den (neutral oder ionisch) durch Umfällung, Gelierung, ionotrope Gelierung oder kovalente Vernetzung aufgebaut. Anforderungen an eine solche Matrix bestehen hinsichtlich

Setzt man zwei getrennte Lösungen an von (a) Polystyrol (PS) in Dioxan und (b) Polymethylmethacrylat (PMMA) in Dioxan, so erhält man eine gute Auflösung der Polymeren, da Dioxan für beide Makromoleküle ein gutes Lösungsmittel ist. Schüttet man nun die beiden Lösungen zusammen, so tritt spontan eine Phasentrennung ein. Man nennt diese Erscheinung der gegenseitigen Ausfällung bei Polymeren ihre Unverträglichkeit oder Inkompatibilität (Dobry et al. 1947). Die polymere Unverträglichkeit ist keine Besonderheit der beiden bekanntesten synthetischen Polymeren PS und PMMA, sondern sie ist ein so allgemeines Phänomen, daß eher die relativ seltenen Fälle einer Kompatibilität als Ausnahmen bezeichnet werden müssen. Inkompatibilität tritt auch bei Mischungen polymerer Schmelzen auf und ist dort meist stärker ausgeprägt als in Lösungen, da das Lösungsmittel die Wechselwirkungen zwischen den Polymeren abschirmt.

Bei der Charakterisierung des festen Zustands der Materie sind Streumethoden ein außerordentlich hilfreiches Werkzeug, um die Anordnung von Strukturelementen zu ermitteln. Das trifft insbesondere dann zu, wenn sich Bausteine (hier speziell die Segmente von Makromolekülen) mehr oder weniger periodisch als Folge einer Kristallisation in einem Festkörper angeordnet haben. Innerhalb einer Elementarzelle interessiert dabei die relative Lage der Atome sowohl einer einzelnen Kette (Konformation), als auch die Position einzelner Atome verschiedener Ketten (z.B. bei intermolekularen Wasserstoff — Brückenbindungen). Typische Abstände, die bei Untersuchungen zu diesem Problemkreis vorkommen, können wir im Bereich von 0, 1 bis 2 nm erwarten. Das ist auch heute noch unterhalb der bei Polymeren erreichbaren Auflösung abbildender Instrumente (Elektronenmikroskop). Eine weitere Domäne der Streumethoden an Polymeren hat sich bei der Erforschung fastperiodischer Änderungen der Morphologie herausgebildet. Diese sind entweder eine Folge der Kristallisationskinetik (lamellarer Aufbau eines teilkristallinen Polymeren) oder werden durch Inkompatibilität zweier Komponenten verursacht (z. B. Blockcopolymere). Hierbei auftretende typische Abstände liegen zwischen etwa 10 und 100 nm. Dieser Bereich ist auch durch die (abbildende) Elektronenmikroskopie zugänglich, nachdem sehr dünne Schichten des Materials hergestellt und zur Steigerung des Bildkontrasts präpariert worden sind. Abgesehen davon, daß es gerade für die Kontrastierung im Einzelfall nicht immer eine Lösung gibt, sollte man berücksichtigen, daß die Elektronenmikroskopie immer Selektion unter vielen Objektstellen bedeutet, so daß die Anwendung einer Streumethode, die über ein wesentlich größeres Volumen mittelt, wünschenswert ist, wenn Zweifel an der Repräsentativität einer elektronenmikroskopischen Abbildung auftauchen.

Die Konformation und Packung von Makromolekülen sind neben der Morphologie und Dynamik wichtige Kenngrößen für das Verständnis des physikalischen Verhaltens von polymeren Festkörpern. Schon ein Jahr nach der Entdeckung der Beugung von Röntgenstrahlen an Kristallen 1912 wurden erste Beugungsversuche an Cellulose durchgeführt. Mit Hilfe solcher Versuche sollten wesentliche Details der Struktur polymerer Festkörper aufgeklärt werden. Erst die Versuche von Herzog und Jancke (1920) und die Auswertung von Polanyi (1921) führten zur Angabe einer Elementarzelle, einer wichtigen Größe bei der Strukturaufklärung. Sponsler und Dore (1926) folgerten in einer für die makromolekulare Chemie grundlegenden Arbeit, daß die röntgenographisch gefundene Periode in Faserrichtung von c = 10, 25 A sich zwanglos durch Hauptvalenzketten parallel zur Faserachse mit Aneinanderreihung von Glucoseringen deuten läßt, die abwechselnd glucosidisch und etherartig in 1 → 1 , 4 → 4 Stellung gebunden sein sollten. Haworth und Freudenberg (1927/28) fanden keine etherartige Bindung in der Cellulosekette und etablierten die glucosidische 1 → 4 Verknüpfung der Glucoseringe entlang einer Kette. In der Arbeit von Sponsler und Dore aus dem Jahre 1926 findet sich das erste räumliche Cellulosemodell, das aus Kalotten aufgebaut wurde und somit ein Vorläufer der heutigen Konformations- und Packungsanalyse auf der Basis von computersimulierten Modellen darstellt. Die molekulare Struktur der Cellulose war in jenen Jahren Gegenstand eines wissenschaftlichen Disputs und scharfer Polemiken zwischen einem niedermolekularen und hochmolekularen Konzept.

In den Anfängen der makromolekularen Chemie haben die Naturprodukte Kautschuk, Cellulose und Proteine als Vorbild für synthetische Polymere gedient. Während die Entwicklung des künstlichen Kautschuks und der Polyamide außerordentlich erfolgreich verlief, hat das als Kopie für Cellulose vorgesehene Polyoximethylen keine der Cellulose vergleichbaren Anwendungsmöglichkeiten gebracht. Insofern ist der unmittelbare Ersatz der Polysaccharide durch synthetische Polymere nicht gelungen. Die Wasseraufnahmefähigkeit der Cellulosefaser, die Quellbarkeit der Stärke und die Gelbildungstendenz von Pektin und anderen Polysacchariden mit geladenen Gruppen sind Eigenschaften, die auf der für Polysaccharide charakteristischen Affinität zu Wasser beruhen und die durch synthetische Polymere nicht zu ersetzen sind.

Der Naturstoff Holz stellt im Hinblick auf seine Nutzungsmöglichkeiten eine einzigartige Form der Biomasse dar. Dies ist u.a. begründet durch: