Структурная биохимия - Е. Бессолицына

Запасающие полисахариды животных и грибов

Рисунок 21. Структура гликогена

Гликоген – полисахарид, в виде которого углеводы запасаются в организме животного. Его часто называют животным крахмалом. В наибольшем количестве гликоген содержится в печени, где на его долю приходится до 7% общего веса органа; гликоген имеется также в скелетных мышцах. В клетках печени гликоген присутствует в виде крупных гранул, состоящих в свою очередь из меньших гранул; последние образованы единичными сильно разветвленными молекулами гликогена со средней молекулярной массой в несколько миллионов. С этими же гранулами прочно связаны ферменты, ответственные за синтез и распад гликогена. Гликоген откладывается в виде гранул в цитоплазме клетки.

У грибов гликоген запасается в клетках гифов.

Гликоген – редуцирующий гомополисахарид, образованный остатками α-D-глюкопиранозы. Гликоген характеризуется более разветвленной структурой, чем амилопектин, линейные отрезки цепи включают 11—18 остатков α-D-глюкопиранозы [соединенных α (1—4) -гликозидными связями], в точках ветвления остатки соединены α (1—6) -гликозидными связями (Рисунок 21).

Запасающие полисахариды бактерий

Самый распространенный полисахарид бактерий – гликоген, чья структура была рассмотрена в предыдущем разделе. Но также встречаются и другие типы (Рисунок 22).

Рисунок 22. Структура запасающих полисахаридов бактерий

Декстран. Это линейный редуцирующий гомополисахарид α D-глюкозы, мономеры соединяются 1—6 О-гликозидной связью. Декстран представляет собой линейную или слаборазветвленную молекулу, молекулярная масса которой составляет примерно 106. Данный полимер очень долго привлекал только ученых, но затем было найдено его практическое применение. Продукты частичного гидролиза этого полисахарида используются как добавка в плазмозаменителях, для создания естественного онкотического давления, что сильно улучает свойства искусственных заменителей плазмы при восполнении кровопотерь.

Леван. Запасающий полисахарид Bacillus subtilis. Линейный нередуцирующий гомополисахарид, образованный остатками метилового эфира β D фруктозы, мономеры соединяются 1—6 гликозидной связью. Полимер отличается небольшой длиной 10—12 мономеров.

Запасающие полисахариды растений

Крахмал. Моносахаридные остатки соединены в крахмале α-гликозидными связями (Рисунок 23). Соединение такой структуры, образованное только остатками глюкозы, является гомополимером, его называют глюкозаном или глюканом. Это наиболее важный вид пищевых углеводов; он содержится в злаках, картофеле, бобовых и в других растениях. Двумя главными компонентами крахмала являются амилоза (15—20%), имеющая неразветвленную спиральную структуру, и амилопектин (80—85%), образованный разветвленными цепями, каждая ветвь состоит из 24—30 остатков глюкозы, соединенных (1—4) – связями [в точках ветвления остатки соединены (1—6) – связями]. Благодаря геометрическим особенностям α (1—4) – связей линейные участки полимерных цепей в молекулах гликогена и крахмала стремятся принять скрученную, спиральную конформацию, что способствует образованию плотных гранул, которые и обнаруживаются в большинстве растительных клеток. α (1—4) -связи гликогена и крахмала легко гидролизуются α-амилазой желудочно-кишечного тракта позвоночных, а образующаяся при этом D-глюкоза попадает в кровь и далее используется в энергетическом обмене. Крахмал как и гликоген является редуцирующим полисахаридом.

Декстринами называют вещества, образующиеся при частичном гидролизе крахмала. Название «остаточные декстрины» получили продукты, образующиеся на определенной стадии гидролиза.

Фруктаны. Это линейные, редуцирующие гомополимеры β фруктозы, соединенной β (2—6) гликозидной связью (Рисунок 23). Фруктаны встречаются у различных видов растений: ирисисин в корневищах ириса, аспарогозин в корнях спаржи, секалин – в ржи. Различия фруктанов, выделенных из различных объектов, связаны с вариабельностью молекулярной массы и количества мономеров, входящих в состав полисахарида.

Рисунок 23. Структурные и запасающие полисахариды растений. А-крахмал; Б-схема организации молекулы крахмала; В-инулин; Г-фруктаны; Д-целлюлоза; Е-ксилоза; Ж– пектины

Инулин – линейный нередуцирующий полисахарид, содержащийся в клубнях и корнях георгинов, артишоков и одуванчиков. При его гидролизе образуется фруктоза, следовательно он представляет собой фруктозан. Гетерополимер одной молекулы глюкозы соединенной с β фруктозой β (1—1) гликозидной связью, остальные мономеры β фруктозы, соединяются β (1—2) гликозидной связью (Рисунок 23). Этот полисахарид в отличие от картофельного крахмала легко растворяется в теплой воде; его используют в физиологических исследованиях для определения скорости клубочковой фильтрации в почках. Также этот полимер, состоящий в основном из фруктозы, привлекает диетологов и врачей как заменитель крахмала для больных сахарным диабетом. У этих больных нарушено поглощение глюкозы клетками, тогда как фруктоза поглощается клетками больных, поэтому может быть использована как замена глюкозе. Эта же причина вызвала большой интерес к растениям запасающим фруктаны. И инулин и другие полимеры фруктозы могут использованы в диете больных сахарным диабетом, как заменители крахмала.

Структурные полисахариды растений

Целлюлоза является линейным, редуцирующим неразветвленным гомополисахаридом, состоящим из 10000 и более остатков D-глюкозы, связанных друг с другом (1—) – гликозидными связями; в этом отношении она сходна с амилозой и линейными участками цепей гликогена. Но между этими полисахаридами существует одно очень важное различие: в целлюлозе (1—4) -связи имеют β-конфигурацию, а в амилозе, амилопектине и гликогене – α-конфигурацию.

Это, казалось бы, незначительное различие в строении целлюлозы и амилозы приводит к весьма существенным различиям в их свойствах. Что касается целлюлозы, то из-за конфигурации связей ее полимерные цепи сильно вытянуты и соединяются друг с другом бок о бок, образуя длинные нерастворимые фибриллы.

Целлюлоза – прочное, волокнистое, водонерастворимое вещество – содержится в стенках клеток растений, главным образом в ветвях, стеблях, а также в стволах и других деревянистых частях растений (Рисунок 23, Д). Древесина состоит в основном из целлюлозы и других полимерных веществ, хлопок – почти целиком из целлюлозы. Если наиболее распространенные внутриклеточные биополимеры – это белки, то целлюлоза, бесспорно, это не только самый распространенный внеклеточный структурный полисахарид в растительном мире, но и вообще самый распространенный в природе биополимер.

Ежегодно огромные количества целлюлозы синтезируются растениями, причем не только растущими в лесах деревьями, но и культурными растениями. Расчеты показывают, что на долю каждого живущего на Земле человека растения ежедневно нарабатывают приблизительно 50 кг целлюлозы. Целлюлоза находит широкое применение в промышленности. Целлюлоза нерастворима в воде, кислотах, и только в концетрированных щелочах при нагревании переходит в полужидкое состояние, что используется при производстве вискозного волокна.

Связи β (1—4) в молекуле целлюлозы не гидролизуются α -амилазами. Поскольку в кишечнике позвоночных нет фермента, способного гидролизовать целлюлозу, она не переваривается, и ее D-глюкозные остатки не могут служить пищей для большинства высших организмов.

Целлюлозу хорошо переваривают термиты, но лишь потому, что в их кишечнике живут паразитические микроорганизмы Trichonympha, секретирующие целлюлазу, гидролизующий целлюлозу фермент, с помощью которого и происходит переваривание древесины у термитов. Целлюлазу синтезируют также некоторые бактерии и грибы, вызывающие гниение древесины.

Среди позвоночных только крупный рогатый скот и другие жвачные (овцы, козы, верблюды, жирафы и т. д.) могут использовать целлюлозу в качестве пищи, однако делают они это весьма необычным способом: большая часть кишечника, составляющая 15% общего веса коровы, приходится на долю четырех последовательно соединенных друг с другом желудков. Первые два из них составляют так называемый рубец. Содержащиеся в нем микроорганизмы секретируют целлюлазу и расщепляют целлюлозу до D-глюкозы, которую далее сбраживают до короткоцепочечных жирных кислот, двуокиси углерода и газообразного метана (СН4). Образовавшиеся жирные кислоты всасываются в кровоток коровы, проникают в ткани и используются как топливо. Метан и СО2, которые вырабатываются со скоростью 2 л/мин, постоянно выводятся посредством непроизвольного процесса, напоминающего едва уловимую на слух отрыжку. В остальных двух желудках жвачных микроорганизмы, сделавшие свое дело, перевариваются ферментами, секретируемыми слизистой желудка; при этом образуются аминокислоты, сахара и другие продукты, которые всасываются и используются в организме коровы в качестве питательных веществ.