содержание      ..       1      2      3      ..

СТРОЕНИЕ, СВОЙСТВА, БИОЛОГИЧЕСКАЯ РОЛЬ ГОМО – И  ГЕТЕРОПОЛИСАХАРИДОВ(СТАТИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ)

Полисахариды – это природные высокомолекулярные вещества, состоящие из большого количества остатков моносахаридов (рис.2.1). Полисахариды, в составе которых присутствуют остатки только одного моносахарида, называют гомополисахаридами. Если остатки моносахаридов разные, такие полисахариды называют гетерополисахаридами.

Полисахариды в различных организмах выполняют несколько важных биологических функций:

1) структурная у растений (целлюлоза);

2) защитная у членистоногих (хитин);

3) запасающая (крахмал – у растений; гликоген – у животных и грибов).

Рис. 2.1. Структура гомо- и гетерополисахаридов

Поскольку наиболее распространенными представителями полисахаридов являются крахмал, гликоген и целлюлоза, рассмотрим строение этих веществ подробнее.

Крахмал, широко распространенный резервный полисахарид растений, является наиболее важным углеводным компонентом пищевого рациона. Он содержится в хлоропластах листьев, плодах, семенах и клубнях. Оcoбeнно высоко содержание крахмала в зерновых культурах (до 75% от сухой массы), клубнях картофеля (примерно 65%) и других запасающих частях растений. Крахмал откладывается в форме микроскопических гранул в специальных органеллах – амилопластах. При продолжительном кипячении примерно 15-25% крахмала переходит в раствор в виде коллоида. Этот «растворимый крахмал» носит название «амилоза». Ocтальная часть, амилопектин, нe растворяется даже при очень длительном кипячении. И крахмал, и амилоза построены из остатков α-D-глюкозы, связанных α-(1,4`)-глюкозидными связями. Цепочки молекул крахмала имеют большую молекулярную массу. Молекулярная масса амилозы достигает 160000, а молекулярная масса амилопектина может составлять более 1000000.

Молекулы амилозы имеют вид нитей, а молекулы амилопектина имеют боковые ответвления, расположенные через 24 – 30 глюкозных остатков. Эти ответвления образуются по типу (1 – 6) глюкозидных связей:

Пространственные взаимоотношения между амилозой и амилопектином в растительных гранулах крахмала можно представить следующим образом, см. рис. 2.2.

Рис. 2.2. Пространственные взаимоотношения между амилозой и амилопектином в растительных гранулах крахмала

Гликоген – запасающий полисахарид животных и человека. Цепочки гликогена, как и крахмала, построены из остатков α-D-глюкозы, связанных α-(1,4)-глюкозидными связями. Но ветвление гликогена более частое, в среднем приходится на каждые 8 – 12 остатков глюкозы. Вследствие этого гликоген представляет собой более компактную массу, чем крахмал. Особенно много гликогена содержится в печени, где его количество может достигать 7% от массы всего органа. В гепатоцитах гликоген находится в гранулах большого размера, которые представляют собой кластеры, состоящие из более мелких гранул, являющихся единичными молекулами гликогена и имеющих среднюю молекулярную массу несколько миллионов. Эти гранулы содержат также ферменты, способные катализировать реакции синтеза и реакции распада гликогена.

Поскольку каждое ответвление гликогена оканчивается невосстанавливающим остатком глюкозы, молекула гликогена имеет столько же невосстанавливающих концов, сколько ответвлений, и только один восстанавливающий конец. Ферменты деградации гликогена воздействуют только на невосстанавливающие концы и могут одновременно функционировать на многих ветвях молекулы. Это значительно увеличивает суммарную скорость распада молекулы гликогена на моносахариды.

Для чего необходимо сохранять глюкозу в форме полисахарида? Рассчитано, что гепатоциты содержат столько гликогена, что если бы содержащаяся в нем глюкоза находилась в свободной форме, ее концентрация в клетке составила бы 0,4 М. Это бы обусловило очень высокое осмотическое давление среды, при котором клетка не смогла бы существовать. Концентрация глюкозы в крови обычно составляет 5 мМ. Таким образом, между кровью и цитоплазмой гепатоцита возник бы очень большой градиент концентрации глюкозы, вода из крови стала бы входить внутрь клетки, что привело бы к ее раздутию и разрыву плазматической мембраны. Таким образом, синтез гликогена позволяет не допустить чрезмерного изменения осмотических свойств клетки при хранении значительных количеств глюкозы.

Цeллюлoзa состоит из остатков глюкозы, связанных, в отличие от крахмала и гликогена, в положении β(1→4). Она является самым распространенным органическим соединением в живой природе. Молекулярная масса целлюлозы может составлять 1000000 и более. Природная целлюлоза обладает высокой механической прочностью, устойчива к химическому и ферментативному гидролизу. Эти свойства связаны с конформацией молекул и особенностями надмолекулярной организации. Неразветвленные связи типа β(1→4) приводят к oбpaзoвaнию линейных цепей, которые стабилизированы внутри- и межцепочечными водородными мостиками, образованными гидроксильными группами, см. рис.2.3.

Рис. 2.3. Образование водородных связей в молекуле целлюлозы

Отдельные представители полисахаридов

Муреин входит в состав клеточных стенок бактерий в качестве структурного полисахарида. В нем чередуются остатки двух различных моносахаридов, связанных в положении β(1→4): N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты.

Декстраны – это полисахариды бактерий и дрожжей, представляющие собой полимеры глюкозы, связанной преимущественно в положении α(1→6), а также в точках ветвления в положении α(1→3) и иногда в положениях α(1→2) или α(1→4). В воде декстран образует гели. Синтетические декстраны используются в ряде коммерческих продуктов (например, Sеphadex), которые применяются в хроматографии для разделения макромолекул. В таких продуктах декстраны химически модифицированы путем введения поперечных сшивок, делающих их непроницаемыми для молекул определенных размеров. Растворимый декстран применяется при создании заменителей плазмы крови, а также используется как пищевой продукт.

Хитин, гомополимер из N-ацетилглюкозамина, связанного в положении β(1→4), является основным компонентом наружного скелета насекомых и панциря ракообразных. Кроме того, он входит в состав клеточных стенок мицелия грибов:

                                                             Хитин

Полисахариды из водорослей например, агароза, применяются как желирующие вещества. Агарозы более 100 лет используются в микробиологии как гелевая основа питательных сред (агар-агар).

Для того чтобы запись структуры олиго- и полисахаридов не занимала слишком много места, при отображении остатков моносахаридов используют латинскую трехбуквенную символику. Обозначения, принятые для важнейших моносахаридов и их производных представлены в табл. 2.1.

Таблица 2.1

Сокращенная форма записи наиболее распространенных моносахаридов и их производных

Таким образом, молекулу целлюлозы можно записать как [βGlc(1→4)—]_n ,

а молекулу хитина как [—βGlcNAc(1→4)—]_n.

содержание      ..       1      2      3      ..