Основы биохимии - А. А. Анисимов 1986

Углеводы
Полисахариды II порядка (гликаны)

Основная масса углеводов, встречающихся в природе, представлена высокомолекулярными соединениями — полисахаридами II порядка, или гликанами. При гидролизе они образуют большое число остатков моносахаридов (до нескольких десятков тысяч).

6.4.1. Классификация и номенклатура. Различают гомополисахариды (гомогликаны) и гетерополисахариды (гетерогликаны). Первые состоят из моносахаридных единиц одного типа, вторые содержат единицы двух и более типов. В зависимости от биологической функции гликанов их делят на резервные и структурные. По характеру полигликозидной цепи полисахариды II порядка могут быть линейными и разветвленными. По источнику выделения различают зоогликаны, фитогликаны и полисахариды микробов.

Систематической номенклатуры полисахаридов не существует. Однако часто применяют рациональный принцип: за основу берется название основного моносахарида (или моносахаридов) и окончание -оза заменяется окончанием -ан. Например: D-глюкан (состоит из остатков глюкозы), L-арабино-D-галактаны (состоят из остатков L-арабинозы и D-галактозы). Наряду с этими названиями используют и другие. Так, полимеры уроновых кислот называют полиуронидами, полисахариды, сопровождающие целлюлозу, — гемицеллюлозами. Для многих представителей до сих пор применяют давно возникшие названия: крахмал, гликоген, гепарин, хондроитин и т. д.

В отличие от моносахаридов и олигосахаридов гликаны или нерастворимы в воде, или дают очень вязкие коллоидные растворы; не имеют сладкого вкуса, очень трудно поддаются выделению из тканей и часто в процессе выделения претерпевают различные изменения (деполимеризация, окисление), что сильно затрудняет изучение их строения.

6.4.2. Отдельные представители гомо- и гетерополисахаридов.

Крахмал. Не является химически индивидуальным веществом: на 96,1—97,6% состоит из полисахаридов (амилоза и амилопектин), от 0,2 до 0,7% составляют минеральные вещества, в основном фосфаты. В крахмале найдены жирные кислоты: пальмитиновая, стеариновая и другие, содержание которых достигает 0,6%. Они адсорбированы на полисахаридной фракции крахмала и могут быть удалены экстракцией нейтральными органическими растворителями (например, метанолом).

В растениях крахмал является резервным питательным веществом и находится в них в виде крахмальных зерен, различающихся по форме, размерам, химическому составу и свойствам у различных видов и даже разных органов одного растения.

а-Амилоза представляет собой длинные, как правило, неразветвленные цепи, в которых остатки D-глюкопиранозы соединены а(1→4)-связями. Амилоза легко растворяется в теплой воде и дает растворы со сравнительно невысокой вязкостью. Растворы амилозы нестойкие, при стоянии могут образовывать осадки. Молекулярная масса амилозы картофеля около 400 000, семян кукурузы и риса ∼ 100000—200 000. Раствором иода амилоза окрашивается в синий цвет, обусловленный образованием комплексного химического соединения. При этом молекулы иода располагаются внутри спирально закрученных цепочек амилозы.

Рис. 6.3. Строение молекул амилозы (A), амилопектина (Б) и гликогена (B)

Амилопектин состоит из сильно разветвленных цепей, построенных из а-D-глюкопиранозы. В ней кроме связей а(1→4)-типа есть в точках ветвления а(1→6)-связи, которые расположены примерно через 20 глюкозных остатков (рис. 63). Молекулярная масса амилопектина может достигать 20∙10⁶. Сине-фиолетовое окрашивание иодом, видимо, является результатом образования как комплексных, так и адсорбционных соединений. Вследствие малой прочности соединений углеводных компонентов крахмала с иодом они легко распадаются при нагревании или добавлении щелочи, при этом синяя окраска исчезает.

Соотношение количества амилозы и амилопектина в крахмале различных видов растений различно (табл. 6.1).

Таблица 6.1. Соотношение амилозы и амилопектина в крахмале

При гидролизе крахмала нагреванием в присутствии минеральных кислот в качестве промежуточных продуктов образуются полисахариды разной молекулярной массы — декстрины,

1. Амилодекстрины — дают с иодом фиолетово-синее окрашивание, представляют собой белые порошки, растворимые в 25%-ном этаноле, но осаждаемые 40%-ным этанолом.

2. Эритродекстрины — окрашиваются иодом в красно-бурый цвет, растворяются в 55%-ном этаноле и осаждаются при 65%-ной его концентрации в виде сферокристаллов.

3. Ахродекстрины — иодом не окрашиваются, растворяются в 70%-ном этаноле.

4. Мальтодекстрины — не дают окраски с иодом и не осаждаются этанолом.

Крахмал находит широкое практическое применение в медицине и многих отраслях промышленности: пищевой, текстильной, бумажной, кожевенной, фармацевтической и т. д. В промышленных масштабах крахмал получают в нашей стране из клубней картофеля и зерна кукурузы. Клубни картофеля в среднем содержат 15— 25% крахмала на сырую массу, семена отдельных зерновых культур — 40—60%.

Гликоген. Представляет собой главный энергетический и углеводный резерв человека и животных. Особенно велико его содержание в печени (до 10%) и мышцах (до 4%). Встречается также в грибах, некоторых высших растениях (сахарная кукуруза) и микроорганизмах. Гликоген — это разветвленный полимер, образованный остатками D-глкжопиранозы, которая в линейных участках молекулы соединена а-1,4-связями, a в точках ветвления — а-1,6-связями. В отличие от амилопектина, где число остатков глюкозы на одну точку ветвления в среднем равно 20, у гликогена одна связь а-1,6-тип а приходится на 8—12 остатков D-глюкопиранозы. Большая степень ветвления молекул гликогена по сравнению с амилопектином придает им и большую компактность (см. рис. 6.3). Молекулярная масса гликогена колеблется в пределах от 3∙10⁵ до 1∙10⁸, форма молекулы приближается к сферической. При кислотном гидролизе образуются в основном а-глюкоза, а-мальтоза и а-изомальтоза.

Декстрины играют роль резервных полисахаридов у дрожжей и бактерий. Представляют собой полисахариды с разветвленными, как правило, цепями, состоящими из остатков a-D-глюкопиранозы, связанных (1→6)-связями. Различные декстраны отличаются друг от друга характером связей в точках ветвления, которые могут быть типа 1→2, 1→3 или 1→4. Молекулярные массы декстранов очень велики (M ≈ дo 5∙10⁸). Декстраны и их производные обладают антигенной специфичностью; они нашли широкое применение в качестве кровезаменителей, антикоагулянтов.

Продукты химической модификации декстранов — сефадексы и сефароза — широко используют в биохимических лабораториях при разделении смесей веществ.

Полифруктозаны. Являются резервными полисахаридами, особенно характерны для семейства сложноцветных, заменяя у них крахмал. Наиболее хорошо из них изучен инулин. Он содержится в клубнях земляной груши, георгина, артишока, где его количество достигает 50%. Обнаружен также в корнях одуванчика, коксавыза, цикория.

Целлюлоза (клетчатка). Наиболее широко распространенный структурный полисахарид растительного мира. На ее долю приходится более 50% всего органического углерода биосферы. Содержится также в бактериях и некоторых низших животных.

Рис.. 6.4. Схема водородных связей в сухой (А) и увлажненной (Б) клетчатке

Древесина примерно на 50% состоит из целлюлозы, хлопок — почти на 100%. Целлюлоза представляет собой линейный полисахарид, состоящий из ß-D-глюкопиранозных звеньев, соединенных 1→4-связями. Эти линейные молекулы обычно располагаются параллельно друг другу, между ними возникают водородные связи, образуются микрофибриллы (рис. 6.4).

При кислотном гидролизе образуется β-D-глюкопираноза, а при более мягких условиях — дисахарид целлобиоза. Молекуле целлюлозы свойственна изогнутая («германсовская») конформация, являющаяся ее вторичной структурой. При этом между гидроксилом у С-3 и кислородом кольца соседнего остатка возникает водородная связь, делающая структуру еще более жесткой (рис. 6.5).

Целлюлоза не растворяется в воде, но растворима в аммиачных растворах солей меди.

Молекулярная масса клетчатки точно не установлена, однако можно принять, что она колеблется от 3∙10⁵ до 2∙10⁶, а число глюкозных остатков в молекуле может быть от 2∙10³ до 1,1∙10⁴. Микрофибриллы целлюлозы вместе с сопровождающими веществами: гемицеллюлозами, лигнином, пектиновыми веществами — образуют клеточную стенку растений, имеющую очень сложное, многослойное строение. В каждом из слоев микрофибриллы направлены различно по отношению к оси клетки (взаимно перпендикулярно, под острым углом, спиралеобразно). В результате прочность клеточной стенки укрепляется во всех направлениях. Если учесть, что сами микрофибриллы имеют жесткую структуру, сложная архитектура клеточной стенки в целом обладает исключительной прочностью, которая передается и древесине, состоящей в основном из клеточных оболочек.

Рис. 6.5. «Германсовская» конформация целлюлозы (водородные связи между О и Н изображены пунктиром)

Рентгеноструктурные исследования показали, что в микрофибриллах целлюлозы имеются участки, обладающие кристалличностью, в которых линейные молекулы расположены строго упорядоченно, параллельно оси волокна, образуя мицеллы. В промежутках между кристаллическими мицеллами молекулы целлюлозы менее упорядочены, образуют аморфные участки. Они обладают меньшей прочностью, здесь быстрее проходят реакции гидролиза, окисления.

Целлюлоза имеет очень большое практическое значение. Она составляет основную массу хлопчатобумажных тканей, бумаги, искусственного шелка, некоторых пластмасс и взрывчатых веществ, эмульгаторов, защитных коллоидов и т. д. В практике биохимических лабораторий широко применяют карбоксиметилцеллюлозу и ДЭАЭ-целлюлозу.

Хитин. Широко распространенный в природе структурный полисахарид. Он входит в состав кутикулы или наружного скелета членистоногих и некоторых других беспозвоночных животных, а также клеточных оболочек грибов. Хитин никогда не встречается в свободном состоянии. Он обычно связан с белками, неорганическими солями (СаСО₃ и др.), липидами, пигментами. По своей структуре хитин представляет собой линейный полимер, состоящий из остатков N-ацетилглюкозамина, соединенных ß (1→4) -гликозидными связями. Хитин выполняет механическую, опорную и защитную функции в различных организмах.

Гемицеллюлозы. Это название объединяет большую группу полисахаридов, не растворяющихся в воде, но растворимых в щелочных растворах. Являются главными компонентами матрикса, цементирующего целлюлозные волокна в оболочках растительных клеток. Содержатся в значительном количестве в одревесневших частях растений: древесине, соломе, орехах, семенах, отрубях, кукурузных початках.

Кислотами гидролизуются легче, чем целлюлоза. Образуют при этом маннозу, галактозу, арабинозу, ксилозу, иногда глюкозу. В соответствии с продуктами гидролиза различают несколько групп гемицеллюлоз: маннаны, галактаны, ксиланы и др.

Пектиновые вещества. В растениях присутствуют в виде нерастворимого протопектина в межклеточном веществе и матриксе клеточной стенки, а также в виде растворимого пектина в соке плодов и овощей. Нерастворимый протопектин представляет собой метиловый эфир полигалактуроновой кислоты, соединенный с галактаном и арабаном клеточной стенки. Остатки L-арабинозы, D-галактозы и L-рамнозы участвуют наряду с D-галактуроновой кислотой в построении основной цепи. В образовании протопектина вместе с пектиновыми веществами участвуют целлюлоза, ионы Ca, Mg и Н₃РО₄. Протопектин переходит в растворимый пектин после действия на него разбавленными кислотами или ферментом протопектиназой.

Расщепление протопектина происходит следующим образом;

Превращение протопектина в растворимый пектин наблюдается при созревании плодов, что приводит к уменьшению жесткости плодов, улучшению их вкусовых качеств. Пектиновые вещества играют важную роль при обработке льна, процесс мочки которого основан на гидролизе пектиновых веществ ферментами, выделяемыми особыми микроорганизмами. В результате происходит мацерация стеблей льна и отделение волокон друг от друга. Характерным и важным свойством растворимого пектина является его способность образовывать гели в присутствии сахара (65—70%-ный раствор) и кислоты (pH 3,1—3,5). В образующемся геле содержится 0,2—1,5% пектина. Это свойство широко используют в кондитерской промышленности при производстве желе, мармелада, джема, пастилы, фруктовых карамельных начинок.

Пектиновые вещества для человека весьма полезны. Они регулируют работу кишечника, обладают детоксикационными свойствами (например, при ртутных отравлениях).

Лихенин. Полисахарид лишайников. Особенно много его в исландском мхе (Cetraria islandica), у которого содержание лихенина достигает 45—50% на сухое вещество. Остатки a-D-глюкозы на 73% связаны 1→4-гликозидными связями и на 27% 1→3-связями. Организм человека не усваивает лихенин. Однако северные олени, для которых он является основным кормом, его усваивают благодаря наличию в их пищеварительном тракте соответствующих бактерий.

Агар-агар. Высокомолекулярный полисахарид, содержащийся в некоторых морских водорослях. В СССР его добывают из багряной водоросли анфельции, произрастающей в Белом, Баренцевом и Балтийском морях, а также в водоемах Дальнего Востока.

Агар-агар растворяется в воде при нагревании. Водные растворы его застывают в виде геля, поэтому он широко применяется в бактериологии для приготовления твердых питательных сред, а в кондитерской промышленности для изготовления желе, пастилы, мармелада. Представляет собой смесь агарозы и агаропектина. Агароза состоит из чередующихся остатков D-галактозы и 3,6-ангидро-L-галактозы, соединенных поочередно β(1→4)- и а(1→3)- связями. Агаропектин содержит цепочки, образуемые остатками D-галактопиранозы, часть которых сульфатнрована.

6.4.3. Гликозаминогликаны. Старое название — мукополисахариды. Содержат чередующиеся парные звенья, состоящие из остатков аминосахаров и гексуроновых кислот, реже моносахаридов, обладают большой молекулярной массой. В организме всегда связаны с белками. Образуют основное вещество внеклеточного матрикса соединительной ткани.

Гиалуроновая кислота. Содержится во многих видах соединительной ткани. Наибольшие ее количества найдены в пупочном канатике, стекловидном теле глаза, синовиальной (суставной) жидкости и коже. В тканях и жидкостях гиалуроновая кислота существует в свободном или ассоциированном с белками состоянии, образуя очень вязкие растворы, чем и определяется стойкость ткани к проникновению инфекции. Гиалуроновая кислота служит также смазкой в суставах.

Многие бактерии, особенно грамположительные, вырабатывают защитную капсулу из гиалуроновой кислоты, которая имеет прямое отношение к вирулентности (удаление капсулы у стрептококков группы С уменьшает их вирулентность в 100 000 раз). Повторяющейся единицей гиалуроновой кислоты служит дисахарид, состоящий из остатков ß-D-глюкуроновой кислоты и ß-N-ацетил-D-глюкозамина, соединенных (1→5)-связью. Дисахаридные единицы соединены (1→4)-связью линейно (см. представленный фрагмент молекулы гиалуроновой кислоты).

Хондроитинсульфаты. Служат основными структурными компонентами хрящевой ткани, сухожилий, роговицы глаз; содержатся также в костной ткани, коже. Различают несколько типов: хондроитин-4-сульфат (хондроитинсульфат А), хондроитин-6-сульфат (хондроитинсульфат С) и дерматансульфат (хондроитинсульфат В). Полисахаридные цепи хондроитинсульфатов А и С состоят из повторяющихся звеньев дисахарида ß-D-глюкуронозил-(1→3)-β-D-N-ацетилгалактозамина, соединенных ß(1→4)-гликозидной связью. Хондроитинсульфат А содержит сульфогруппу в С-4 положении N-ацетилгалактозамина, а хондроитинсульфат С сульфатирован при С-6.

В дерматансульфате вместо остатков D-глюкуроновой кислоты присутствуют остатки L-идуроновой кислоты, связанные а(1→3)-гликозидной связью с сульфатированным N-ацетилгалактозамином. О биологической роли дерматансульфата сведений мало: обладает антикоагулянтным действием, стабилизирует волокна коллагена.

Кератансульфаты. Их цепи состоят из чередующихся дисахаридных фрагментов, состоящих из остатков D-галактозы и N-aцeтилглюкозамин-6-сульфата, соединенных ß (1→4) -связью. Дисахаридные единицы соединяются ß(1→3)-связью. Остатки галактозы тоже могут быть сульфатированы. Иногда в молекуле есть сиаловая кислота, фукоза и манноза. Кератансульфаты присутствуют в основном веществе хряща, роговице глаз.

Гепарин и гепарансульфат. Обладают очень сходной структурой с другими типами гликозаминогликанов, однако отличаются от них по локализации и функции в животных тканях. Гепарин обычно присутствует на поверхности многих клеток, но является внутриклеточным веществом тучных клеток, в которых он синтезируется. Обнаружен впервые в печени, что и отражено в его названии. Содержится также в коже, легких, слизистой оболочке желудка.

Гепарин — важнейший естественный антикоагулянт; он принимает участие в обмене липидов, вызывая поступление в кровь липазы, влияет на холестериновый обмен. В медицинской практике его используют при лечении тромбозов, ожоговой болезни, сердечно-сосудистых заболеваний, а также в качестве стабилизатора крови при переливании.

Углеводную структуру этого полисахарида можно представить в виде повторяющегося тетрасахаридного фрагмента, состоящего из двух связанных а(1→4)-связью дисахаридов. Один из них содержит L-идуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин, сульфатированные в положении С-2, а второй — ß-D-глюкуроновую кислоту и N-ацетилглюкозамин, сульфатированный в положении С-6.

Гепарансульфат состоит, по-видимому, из таких же фрагментов с большим количеством N-ацетильных, меньшим — N-сульфатных групп и низкой степенью О-сульфатирования. Присутствует на поверхности тромбоцитов и эндотелиальных клеток, что связано с его функцией антикоагулянта.

6.4.4. Клеточные стенки бактерий, их полисахариды. В состав клеточных стенок бактерий входят смешанные биополимеры, дающие при гидролизе кроме моносахаридов еще и другие вещества. Основным полимером такого рода является пептидогликан — муреин. Он образует каркас клеточных стенок как грамположительных, так и грамотрицательных бактерий. Этот каркас составляет единое целое, поскольку образующий его муреин представляет собой одну гигантскую молекулу (М≈5∙10¹⁰).

Наиболее изучен муреин клеточной стенки Staphylococcus aureus. Основной повторяющейся единицей его полисахаридных цепей служит муропептид — дисахарид, в котором N-ацетил-В-глюкозамин соединен ß(1→4)-связью с N-ацетилмурамовой кислотой. К ОН-группе молочной кислоты присоединена тетрапептидная боковая цепь, состоящая из остатков D- и L-аланина, L-лизина, D-изоглутамина. Концевой остаток D-аланина в боковой пептидной цепи одного полисахарида ковалентно связан с L-лизином боковой цепи другого полисахарида через пентаглициновый мостик. У Е. coli L-лизин заменен мезодиаминопимелиновой кислотой, а связь между пептидами непосредственная.

Наличие сети параллельных полисахаридных цепей, связанных многочисленными пептидными поперечными сшивками, создает замкнутую сеть. У St. aureus и других грамположительных бактерий она плотная и достаточно толстая (до 12 нм), у грамотрицательных — рыхлая и тонкая (2 нм).

Стенки бактериальных клеток помимо муреина содержат и другие компоненты, которые у разных видов бактерий варьируют. Так, для грамположительных бактерий характерны тейхоевые кислоты, полисахариды и полипептиды (или белки), которые сложным образом вплетены в муреиновую сеть. Тейхоевые кислоты представляют собой длинные цепи, состоящие из остатков глицерина или рибита, связанных друг с другом фосфодиэфирной связью. Свободные ОН-группы остова тейхоевых кислот могут быть заняты остатками D-аланина, D-глюкозы, D-галактозы, L-рамнозы, N-ацетил-О-глюкозамина и N-ацетилгалактозамина.

Сопутствующие муреину полисахариды представлены остатками рамнозы, глюкозы и галактозы (или их аминами), а также остатками маннозы. Как тейхоевые кислоты, так и полисахариды клеточных стенок грамположительных бактерий обладают антигенной активностью.

Сопутствующих компонентов, вплетенных в муреиновую сеть грамотрицательных бактерий больше, они представлены полипептидами, липопротеинами и сложными липополисахаридами. Все эти компоненты наделяют клетки грамотрицательных бактерий сложной антигенной специфичностью и акцепторной специфичностью по отношению к вирусам и бактериоцинам. Если клеточная стенка грамположительных бактерий — жесткий, хрупкий корпус клетки (вроде наружного скелета ракообразных), то клеточные стенки грамотрицательных бактерий обладают гладким мягким покрытием, богатым липидами и укрывающим лежащий под ними муреиновый скелет,

6.4.5. Строение полисахаридов и вопросы филогении. Сравнение строения различных полисахаридов у различных представителей живой природы позволяет сделать ряд интересных выводов. Почти все D-глюканы, которые были обнаружены либо в растительных, либо в животных клетках, были также выделены из того или иного представителя одноклеточных. Низшие одноклеточные (бактерии, микоплазма, сине-зеленые водоросли) характеризуются большим разнообразием а-D-глюканов, чем высшие одноклеточные (миксомицеты, грибы, водоросли и простейшие), у которых преобладают ß-D-глюканы. Множество ß-D-глюканов с преобладанием ß(1→3) -связей обнаружено у различных грибов. Обычно ß-D-глюканы относят к структурным или внеклеточным полисахаридам, в то время как а-D-глюканы (гликоген, крахмал) представляют собой внутриклеточные запасные соединения. Однако ß-D-глюканы грибов и ß(1→3)-ламинаран морских водорослей, будучи внеклеточными полимерами, также могут служить источниками углерода и энергии.

Наиболее распространенное в природе и количественно преобладающее у растений органическое вещество — целлюлоза — обнаружено у представителей всех основных форм жизни в качестве структурного или внеклеточного полисахарида. Универсально распространены в живой природе гликоген и галактани. Однако стереоизомерная конфигурация последних варьирует у разных типов. Так, у видов Penicillium — это полимер D-галактофуранозы со связями (1→5), а у высших растений (люпин) — полимер D-галакто-пиранозы с ß(1→5)-связями. Подобно этому другие гомогликаны (маннаны, ксиланы, кетогликаны) и гетерогликаны разных «царств» живой природы отличаются стереоизомерией мономеров и характером связей между ними. Только целлюлоза и гликоген универсальны в этом отношении у всех живых организмов. Некоторые полисахариды обнаружены лишь у высших одноклеточных (галактозаминогликаны, полиглюкуроновая кислота), другие — у низших одноклеточных (полиманнуроновая кислота, V_і-антиген, или поли-N-ацетилгалактозаминуроновая кислота, коламиновая, или поли-N-ацетилнейраминовая кислота).

Поскольку хондроитинсульфат В и гиалуроновая кислота присутствуют как у низших одноклеточных, так и у животных, некоторые авторы высказывают предположение, что данные полисахариды животных произошли от аналогичных полимеров одноклеточных.