Selüloz, polisakkaritler kategorisine ait, yüzlerce ve hatta bazen binlerce karbon, hidrojen ve oksijen atomundan oluşan organik bir bileşiktir. Bitkilerin, alglerin ve bakterilerin hücre duvarında ve ayrıca tunikatların kabuğunda bulunur. Bitkilerin sağlam ve dik kalmasına yardımcı olur, mukavemetlerinde önemli bir rol oynar. Endüstri veya sanayide de selülozun önemi büyüktür. Bu yazıda selülozun yapısı, özellikleri ve sentezi incelenecektir. Ayrıca bitkilerdeki oluşumu, önemi ve endüstriyel kullanımlarından bahsedilecektir.
Selülozun Yapısı![Selülozun Yapısı, Özellikleri ve Önemi]()
Bir zincir olarak selülozun kimyasal formülü (C6H10O5)n’dir. Aslında oksijen, karbon ve hidrojenden oluşan karmaşık bir karbonhidrattır. Kokusuz, kiral (ayna görüntüsü oluşturabilen), tatsız bir bileşiktir. İlk olarak 1838 yılında Fransız kimyager Anselme Payen tarafından keşfedilmiştir. 1890 yılında, selüloit olarak adlandırılan ilk termoplastiği üretmek için kullanılmıştır. Selülozun en saf hali, yaklaşık %98 selüloz içeren pamuktur. Ayrıca odunda bulunan selüloz miktarı %40-45, kuru kenevirde ise %57’dir.
Selüloz, doğal bir polimer örneğidir. Bir polimer, birbirine yapışmış aynı molekülün uzun ve tekrar eden bir zinciridir. Selüloz, binlerce D-glikoz alt biriminden oluşan uzun, düz zincirli bir polimerdir. Selüloz polimerizasyonu bitki büyüdükçe ve yeni hücreler oluşturdukça gerçekleşir. Selülozdaki glikoz alt birimleri, beta 1-4 glikozidik bağlarla bağlanır. Polimere bir glikoz molekülü eklendiğinde bir molekül su açığa çıkar.
Diğer polisakkaritlerin aksine, glikoz moleküllerinin selülozdaki yönelimi terstir. Anomerik karbonun hidroksil grubunun veya bir numaralı karbonun glikoz halkasının düzleminin üzerine yönlendirildiği beta yönelimine sahiptirler. Karbon atomlarının geri kalanının hidroksil grupları, halka düzleminin altına yönlendirilir. Beta 1-4 glikozidik bağlar yapmak için selülozdaki her alternatif glikoz molekülü ters çevrilir. Karbon 1’in hidroksil grubu yukarı doğru, karbon 4’ünki ise aşağı doğru yönlendirilir. Bir beta 1-4 glikozidik bağ yapmak için, bu moleküllerden birinin ters çevrilmesi gerekir, böylece her iki hidroksil grubu da aynı düzleme gelir. Selülozdaki her alternatif glikoz molekülünün ters çevrilmesinin nedeni budur. Selüloz dallanmamış bir moleküldür. Glikozun polimerik zincirleri doğrusal bir düzende düzenlenmiştir. Nişasta veya glikojenden farklı olarak, bu zincirler herhangi bir kıvrılma, sarmal oluşumu veya dallanma yapmazlar. Aksine, bu zincirler birbirine paralel olarak düzenlenmiştir. Bu zincirler arasında hidrojen atomları ve zincirleri sıkıca bir arada tutan hidroksil grupları nedeniyle hidrojen bağları oluşur. Bu, sağlam ve güçlü olan selüloz mikrofibrillerinin oluşumu ile sonuçlanır. Selüloz, bitki hücrelerinde selüloz mikrofibrilleri şeklinde bulunur. Bu mikrofibriller birlikte polisakkarit veya selüloz matrisi oluşturur.
Selülozun Özellikleri
Selüloz, özellikleri bakımından diğer polisakkaritlerden farklıdır. Selülozun benzersiz özellikleri, benzersiz yapısından kaynaklanmaktadır. Özelikleri aynı zamanda selülozda bulunan glikoz alt birimlerinin sayısına da bağlıdırlar. Selüloz aşağıdaki özelliklere sahiptir;
-Doğada en bol bulunan karbonhidrattır.
-Beyaz toz görünümünde olan kristalimsi bir katıdır.
-Mikrofibrillerindeki tek tek zincirler arasında bulunan sağlam hidrojen bağları nedeniyle yüksek gerilme mukavemetine sahiptir. Selüloz mikrofibrillerinin gerilme mukavemeti mukavemeti, çeliğinkine çok benzer.
-Selülozdaki glikoz moleküllerinin alternatif düzenlemesi de selülozun yüksek gerilme mukavemetine katkıda bulunur.
-Organik çözücüler içinde çözünür, suda çözünmez.
-Molar kütlesi mol başına 162.1406 gramdır.
-Yoğunluğu cm küp başına 1,5 gramdır.
-Erime noktası 260-270 santigrat derecedir.
-Kendine ve başta su olmak üzere hidroksil içeren maddelere karşı güçlü bir afiniteye sahiptir.
-Suya karşı çok reaktiftir. Su moleküler küçüklüğü, bu reaksiyonları selüloz zincirleri ile teşvik eder ve sonuç olarak hemen hidrojen bağları oluşturur.
-Yüksek sıcaklıkta, konsantre mineral asitlerle muamele edilerek glikoza ayrılabilir.
-Nişastaya kıyasla doğada daha kristaldir.
Canlılarda Selüloz Sentezi
Selüloz hayvanlarda sentezlenmez. Sentezi esas olarak bazı spesifik hayvanlarla birlikte bitkiler ve bakterilerle sınırlıdır.
Bitkilerde selüloz sentezi: Bitkilerde selüloz sentezi hücre zarında bulunan, rozet terminal kompleksler adı verilen hücre zarında bulunan özel kompleksler üzerinde gerçekleşir. Bu kompleksler, plazma zarında serbest yüzebilme yeteneğine sahip heksamerik transmembran proteinleridir ve en az üç selüloz sentaz enzimi içerirler. Bu transmembran rozetler iki işlevi yerine getirir:
-Selüloz zincirinin oluşumu veya polimerizasyon.
-Selüloz mikrofibrillerinin birleştirilmesi.
*Polimerizasyon: Selüloz zincir sentezi süreci, rozet terminal komplekslerinin sitoplazmik ucunda başlar. Selüloz sentaz enzimleri, UDP-glikoz tarafından sağlanan glikoz kalıntılarını kullanır. İlk aşamada, glikoz-6-fosfat, bitki hücrelerinin sitoplâzmasında fosfoglukomutaz enzimi tarafından glikoz-1-fosfata dönüştürülür. Bu adım nişasta, glikojen ve selüloz sentezinde yaygındır. Bir sonraki adımda, UTP ve glukoz-1-fosfat, UDP-glukoz oluşturmak üzere reaksiyona girer ve bir pirofosfat molekülü salınır. Pirofosfatın hidrolizi bu adımı geri döndürülemez hale getirir. Aynı zamanda selüloz sentezinde hız sınırlayıcı adımdır. Selülaz sentaz, selüloz zincirlerinin sentezi için bir ateşleme fitili, başlatıcı gerektirir. Steroid molekülü sitosterol-beta-glukozit, selüloz sentezinde başlatıcı işlevi görür. Selüloz sentaz, UDP-glukoz molekülleri tarafından sağlanan glikoz kalıntılarını kullanarak başlatıcı üzerinde bir selüloz zinciri oluşturmaya başlar. Uzun bir selüloz salan UDP molekülleri zinciri oluşturmak için beta 1-4 glikosidik bağlar yoluyla glikoz kalıntılarını birleştirir. UDP molekülleri daha sonra belirli kinazlar tarafından UTP’ye dönüştürülebilir.
*Selüloz mikrofibrillerin birleştirilmesi: Selüloz zinciri belirli bir uzunluğa ulaştığında, sitoplazmada bulunan selülaz enzimi bu zinciri başlatıcıdan ayırır. Rozet kompleksleri bu zinciri plazma zarından hücre duvarına taşır. Hücre duvarında farklı selüloz zincirleri birbirine paralel dizilir ve aralarında hidrojen bağları oluşur. Bu, yüksek gerilme mukavemetine sahip selüloz mikrofibrillerin oluşumu ile sonuçlanır. Diğer şeker molekülleri bu selüloz mikrofibriller ile etkileşime girdiğinde polisakkarit matrisi oluşur. Bitkilerin birincil hücre duvarında, glukanlar ve arabinoksilanlar, polisakkarit matrisinin iki ana bileşenidir. Bu polisakkaritler birbirleriyle etkileşir ve selüloz mikrofibrilleri arasında bir ağ oluşturur. Bu ağ, çapraz bağlantı oluşumu ile güçlendirilir. Bu çapraz bağlar, arabinoksilan kalıntıları, ferulik asit (FA) ve diferulik asit (DFA) gibi asitlerle reaksiyona girdiğinde oluşur. Bu nedenle polisakkarit matrisinin asidik polisakkaritlerden oluştuğu da söylenir. Selüloz mikrofibrillerine ve polisakarit matrisine ek olarak, birincil hücre duvarı ayrıca çapraz bağlanan polisakaritler içerir. Bu polisakaritler, karmaşık bir ağ oluşturmak için selüloz mikrofibrillerini çapraz bağlar. Bu çapraz bağlanan polisakkaritlerin en önemlisi hemiselülozdur. Selülozun bir türevidir. Kalsiyum ayrıca ağ oluşumunda önemli bir rol oynar. Polisakkarit matrisinde bulunan asidik polisakkaritleri çapraz bağlar.
Bakterilerde selüloz sentezi: Bakteriler, bitkiler tarafından selüloz sentezi için kullanılan aynı enzim ailesini kullanır. Bununla birlikte, bakteriyel enzimler farklı genler tarafından kodlanır. Bir başka hipotez bitkilerin, endosimbiyoz sürecinden sonra selüloz sentez enzimlerini bakterilerden aldığını söyler.
Hayvanlarda selüloz sentezi: Selüloz, tunikat ya da tulumlular adı verilen bazı hayvanlar tarafından da sentezlenir. Tunikatlar denizde bulunan omurgasız hayvanlardır. Hayvanın narin vücudunu saran sert bir kabuk bulunmaktadır. Selüloz bu hayvanların kabuğunda bulunur. Selüloz sentezi süreci de bir şekilde bitkilerde ve bakterilerde olduğu gibidir. Selülozun yapısı temelde aynıdır.
Selüloliz![Selülozun Yapısı, Özellikleri ve Önemi]()
Selüloz bozunma sürecine selüloliz (veya selülolizis) denir. Bitkilerde, hayvanlarda ve ısıya maruz kaldığında olmak üzere üç başlık altında ele alınabilir.
Bitkilerde selüloliz: Selüloz, hastalık koşulları dışında bitkilerde normal olarak bozulmaz. Hastalıkların çoğunda, patojenler bitki hücre duvarını parçaladıktan sonra bitki hücresine nüfuz eder. Hücre duvarının bu bozunması, mikrofibrillerde bulunan selülozu bozan veya parçalayan selülolitik enzimler tarafından gerçekleştirilir. Çeşitli selülolitik enzimler toplu olarak selülaz enzimleri olarak bilinir. Bu enzimler çeşitli bakteriler, mantarlar ve diğer bitki parazitleri tarafından üretilir.
Hayvanlarda selüloliz: Selüloz bozunması ya da parçalanması bazı memelilerin sindirim sisteminde gerçekleşir. Bitkinin hücre duvarındaki lifleri arasında oluşan geniş çapraz bağ nedeniyle selülozu sindirmek genellikle zordur. Bununla birlikte, iyonik çözeltiler vb. gibi bazı polar çözücülerde çözülürse sindirim kolaylaştırılabilir. Selüloz sindirimi, inekler, keçiler, koyunlar gibi otoburlarla sınırlıdır. Bu memeliler, sindirim sistemlerinin içinde simbiyotik bir ilişki içinde yaşayan bakterilere sahiptir. Bunlara Cellulomonas (Selülomonas ) ve Ruminococcus bakteri türleri dahildir. Bu bakteriler, bu memelilerin diyetinde bulunan selülozu parçalayan selülaz enzimi üretir. Selüloz bozunmasının parçalanma ürünleri, bakteriler tarafından kendi büyümeleri ve çoğalmaları için kullanılır. Bakteriler daha sonra memelinin sindirim sisteminin enzimleri tarafından sindirilir. Bu sayede bakterilerde bulunan selüloz, memeli vücudunun bir parçası haline gelir. Bu süreçte iki tür enzim yer alır:
-Selülazlar, zincirde bulunan glikoz kalıntılarına etki eder ve beta 1-4 zincirlerini kırarlar.
-Glukosidazlar, zincirin uçlarına etki ederler ve glikozidik bağları kırarak terminal glikoz kalıntılarını uzaklaştırırlar.
Beta 1-4 glikozidik bağları kıran enzimlerin eksikliği nedeniyle selüloz insan sindirim sisteminde sindirilmez.
Termoliz: Termoliz, yüksek sıcaklık veya ısıya maruz kaldığında selülozun parçalanması anlamına gelir. Selülozun termolizi, karbon dioksit ve diğer aerosollerin buharlarına ayrıştığında 350 derecede gerçekleşir. Bu sıcaklığa termolitik sıcaklık veya pirolitik sıcaklık denir. Pirolitik sıcaklıktaki selüloz eriyiği, iki ila yedi alt birimden oluşan kısa zincirler içerir. Bu pirolitik sıcaklıkta ortaya çıkan aerosoller, susuz formda selüloz oligomerleri içerir. Bu susuz moleküller eriyikten türetilir.
Selülozun Önemi![Selülozun Yapısı, Özellikleri ve Önemi]()
Selüloz bitkiler, mikroorganizmalar, hayvanlar ve endüstri için büyük önem taşımaktadır.
Bitkiler için selülozun önemi: Selüloz bitki hücrelerine sağlamlık kazandırır. Bitki hücre duvarında bulunan selüloz liflerinin yüksek gerilme mukavemeti, bitki hücrelerinin şeklini ve sertliğini korumaktan sorumludur. Hücre duvarındaki güçlü selüloz lifleri sayesinde bitki hücreleri, hipotonik bir çözeltiye yerleştirildiğinde hayvan hücreleri gibi patlamaz.
Mikroorganizmalar için selülozun önemi: Selüloz, bakteri ve alglerin hücre duvarlarının bir bileşenidir. Bu hücrelere sağlamlık sağladığı gibi şekil ve yapılarını da korur.
Hayvanlar için selülozun önemi: Keçi, koyun, inek, at gibi otoburlarda önemli bir diyet karbonhidrat kaynağıdır. Bu canlılar selülozu sindirebilirler, ihtiyaç duydukları enerjiyi ve besinleri yedikleri çimlerden alabilirler. Diğer memelilerde ve insanlarda selüloz sindirilemez ancak diyetlerinde lif şeklinde olması önemlidir. Lif, yiyeceklerin bağırsakta hareket etmesini sağlamak, atıkları vücuttan dışarı itmek yoluyla sindirim sistemine yardımcı olur
Endüstriyel önemi:
Selüloz, insanlığın refahı için farklı endüstrilerde kullanılmaktadır. Kullanımlarından bazıları şunlardır:
-Kağıt, mukavva, karton, kalın kartvizit kağıdı ve diğer kağıt ürünlerin yapımında kullanılır.
-Tekstil endüstrisinde giysi yapımında kullanılır. Pamuk ve diğer bitki lifleri kullanılarak t-shirt ve kot pantolon gibi farklı giysiler yapılır. Selülozdan suni ipek de elde edilmektedir.
-Paketlemelerde işe yarayan selofan yapımında kullanılır.
-Elektrik sektöründe elektrik izolasyon kağıdı yapımında kullanılır.
-Biyoyakıt yapmak için kullanılır.
-Patlayıcı yapımında ve nitroselüloz üretiminde faydalıdır.
-Farklı ilaçlarda stabilizatör olarak kullanılır.
-Biyolojik laboratuvarlarda kromatografide sabit (durağan) faz olarak kullanışlıdır.
-Diyette lif takviyesi olarak faydalıdır.
-Çeşitli gıda maddelerinde katkı maddesi olarak yardımcı olur.
-Topaklanma önleyici bir madde rolü oynadığı için peynirde koruyucu olarak faydalıdır.
Kaynakça:
https://alevelbiology.co.uk/notes/cellulose/
https://www.toppr.com/guides/chemistry/polymers/cellulose/
https://sciencealpha.com/tr/cellulose-properties-production-and-application/
Yazar: Müşerref Özdaş