Биологический каталог




Основы биохимии

Автор Ю.Б.Филиппович

нутых полисахаридов с учетом конформации составляющих их остатков D-глюкозы. Установлено, что P-D-глюкопираноза в составе клетчатки находится в креслообразной конформации:

Это исключает возможность спирализации полигликозидной цепи, и молекула целлюлозы сохраняет строго линейное строение.

Раствор клетчатки в медно-аммиачном реактиве обнаруживает небольшую оптическую активность ([а]в=3,21°).

324

Как и у других полисахаридов, в молекулах клетчатки остается свободным большое число спиртовых гидроксилов (при 2, 3 и 6-м углеродных атомах каждого остатка P-D-глюкопиранозы). По этим ОН-группам возможны соответствующие химические реакции. Среди них особенно важны те, что ведут к получению производных, широко применяемых в ионообменной хроматографии для разделения аминокислот, пептидов, белков, нуклеотидов и нуклеиновых кислот. К их числу относятся карбоксиметилцеллюлоза (КМ-целлю-лоза) и диэтиламиноэтилцеллюлоза (ДЕАЕ-целлюлоза).

КМ-целлюлозу получают, обрабатывая щелочную целлюлозу монохлор-уксусной кислотой:

HO[C6H904(ONa)]xH+xClCH2CC)OH—»Н0[С6Н9О4(0СН2С00Н)]хН+хКаа

Целлюлоза Монохлоруксусная Карбоксиметил-

кислота целлюлоза

В результате целлюлоза обогащается СООН-группами, придающими ей свойства катионообменника.

ДЕАЕ-целлюлозу синтезируют, действуя на целлюлозу Р-хлорэтилдиэтил-аммоний хлоридом в щелочной среде:

НО[С6Н904(ОН)]хН+х[С1СН2СН2—NH(CH2CH3)2]Cl+2xNaOH-»

Целлюлоза Хлорид р-хлорэтапдиэтиламмония

НО [С 6Н904—О—СН2—СН 2—NH(СН 2СН 3)2],Н+2xNaCl+2хН 20

t

Диэтиламиноэтилцеллюлоза

Диэтиламиноэтил-группировки придают ДЕАЕ-целлюлозе свойства ани-онообменника.

. Декстран—полисахарид, продуцируемый некоторыми видами бактерий. Молекулярная масса его огромна: различные препараты декстрана обнаруживают значения М от 12 млн. до 1 млрд. Молекула декстрана состоит из сравнительно коротких полигликозидных цепочек по 10—12 остатков oc-D-глюкопиранозы в каждой. Остатки a-D-глюкозы в них (см. с. 31) соединены а-1,6-гликозидными связями, а между собой цепи соединяются дополнительными 1,4-гликозидньгми связями. При обработке декстрана эпихлоргидрином получают сефадексы—материалы, отличающиеся сетчатой структурой, прекрасно набухающие и используемые в качестве молекулярных сит.

Хитин—главная составная часть покровных тканей насекомых и ракообразных. Этот полисахарид широко распространен в природе; подсчитано, что только крабы ежегодно синтезируют 1 млн. т хитина. Будучи освобожден от белков или СаСО 3, в комплексе с которыми он участвует в построении покровных тканей упомянутых животных, хитин представляет белое вещество, напоминающее бумажную массу. Хитин отличается очень плохой растворимостью, и только муравьиная кислота и насыщенные растворы некоторых солей способны перевести его в частично растворенное состояние. Видимо, поэтому до сих пор не получено точных данных о молекулярной массе хитина.

Элементарной структурной единицей хитина является N-ацетил-Р-О-глюкозамин, соединенный Р-1,4-гликозидными связями в линейную молекулу:

325

СН2ОН

Н NH I

сосн,

СН2ОН^ СНгОН

Н NH

СОСН3 Хитин

Н NH I

СОСН3

Структура хитина, как можно видеть из приведенной выше формулы, весьма напоминает таковую целлюлозы. Рентгенограммы этих двух полисахаридов очень похожи.

Гиалуроновая кислота—важнейшая составная часть межклеточного вещества тканей животных. Особенно высоко ее содержание в коже, стекловидном теле глаза, сухожилиях и т. п. Гиалуроновую кислоту можно получить из указанных тканей путем экстракции разбавленными щелочами, трихлоруксус-ной кислотой или фенолом. После осаждения из экстракта спиртом гиалуроновую кислоту освобождают от прочно связанного с ней белка перевариванием последнего ферментами.

Молекулярная масса гиалуроново-белкового комплекса достигает нескольких миллионов. Однако препараты гиалуроновой кислоты отличаются сравнительно низкими значениями молекулярных масс (270000—500000). Видимо, в процессе выделения происходит деградация молекул гиалуроновой кислоты.

Являясь гетерополисахаридом, гиалуроновая кислота содержит в своем составе две различные структурные единицы—Ы-ацетил-Р-О-глюкозамин и Р-D-глюкуроновую кислоту в отношении 1:1. Они соединены друг с другом попеременно Р-1,3- и Р-1,4-гликозидными связями:

соон

сн2он

N.

Н NH

СОСН3 L

СОСН3 Jx

ОН

Гиалуроновая кислота

Гиалуроновой кислоте в тканях животных присущи не только структурные функции. Пронизывая ткани в качестве межклеточного вещества, гиалуроновая кислота регулирует поступление в клетки тех соединений, которые или нужны для жизнедеятельности клетки, или являются ее продуктом. Эта функция гиалуроновой кислоты в значительной степени осуществляется при участии фермента—гиалуронидазы, свойства которой интенсивно изучаются.

Хондроитинсульфат—непременная составная часть хряща, костной ткани, сухожилий, сердечных клапанов и других подобных тканей животных. Содержание его, например, в хряще носовой перегородки составляет 20—40%.

Хондроитинсульфат выделить в чистом виде трудно, так как он прочно связан с белком—коллагеном. Вероятно, при выделении идет сильная деградация молекул хондроитинсульфата, так как молекулярная масса его препаратов не превышает 50 000, тогда как М его комплекса с белком составляет от 4 до 50 млн.

В виде очищенного препарата хондроитинсульфат представляет собой белое вещество, распадающееся при гидролизе до глюкуроновой кислоты

326

и N-ацетилгалактозаминсульфата, которые соединены друг с другом Р-1,3-и Р-1,4-гликозидными связями, аналогичными связям в гиалуроновой кислоте:

Хонлроитинсульфат

Сульфогруппа, связанная с остатком N-ацетилгалактозамина в хондро-итинсульфате, может занимать также 4-е положение. Эту разновидность хонд-роитинсульфата обозначают как хондроитинсульфат А. Есть и другие виды хондроитинсульфатов, отличающиеся от указанных выше форм некоторыми деталями строения.

Гепарин—специфический гетерополисахарид, препятствующий свертыванию крови у животных и человека. Он обладает также антилипемическим, антимитотическим и регуляторным по отношению к ряду ферментов действием. Гепарин содержится в печени (до 100 мг/кг ткани), легких, селезенке, щитовидной железе, крови и, вероятно, в других тканях и органах; он получен в кристаллическом состоянии. Молекулярная масса гепарина, выделенного из разных объектов, колеблется от 4000 до 20000. Определения молекулярной массы гепарина из разных объектов гравиметрическим, вискозометрическим и гельфильтрационным методами дали более узкие ее пределы: 11 000—12900. Молекула гепарина состоит из остатков глюкуроновой кислоты и ос-глюкоза-мина в виде двойного производного серной кислоты:

н он н nhsoah н OS03h н NHS03h

Гепарин

Под действием ряда ферментов (гепариназа, дисахаридсульфоэстераза, сульфамидаза, сульфоэстераза и др.) гепарин распадается до составляющих его структурных элементов и продуктов их деградации, т. е. в конечном счете до глюкуроновой кислоты и глюкозамина. Период полураспада гепарина в организме кроликов составляет 17,5 + 6,5 мин, собак—34+13,5 мин.

В настоящее время широко развернулись работы по выделению, очистке и изучению состава, строения и функций ряда других гомо- и гетерополисаха-ридов. К их числу относятся гемицеллюлозы, пектиновые вещества, глюко-маннаны и галактоманнаны высших растений, полисахариды водорослей (агар, каррагинаны, альгиновые кислоты, галактаны, маннаны, ламинарии и др.), внеклеточные (ксантан, пуллулан и др.) и капсулярные полисахариды бактерии и, наконец, полисахариды простейших (парамилон и др.). Как химия, так и особенно биохимия многих из них представляет большой интерес.

327

ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

Нередко функцию углеводов в обмене веществ сводят только к энергетическому обеспечению химических реакций. Это далеко не так. Бесспорно, что при распаде (окислении) углеводов в организме идет высвобождение энергии, которая запасается далее в макроэргических связях АТФ, и что АТФ, синтезированная сопряженно с окислением углеводов, поставляет энергию для осуществления химических процессов и для других нужд организма. Однако углеводы выполняют еще одну важнейшую функцию в процессе обмена веществ—они являются источником большого числа органических соединений, которые служат исходными продуктами для биосинтеза липидов, белков и нуклеиновых кислот. В углеводах, образующихся в процессе первичного биосинтеза органического вещества, связывается углерод и запасается энергия.

Распад углеводов. Пути распада полисахаридов и дисахари-дов. Полисахариды и олигосахариды распадаются до более простых соединений посредством реакций двух типов: гидролиза и фосфоролиза. Классическим примером распада первого типа является гидролиз крахмала, второго—фос-форолиз гликогена.

Ступенчатый характер гидролиза крахмала рассмотрен ранее. Реакция гидролиза крахмала ускоряется амилазами—специфическими ферментами, относящимися к подклассу гидролаз гликозидов (класс гидролаз). В зависимости от характера фермента разрыв гликозидных связей между остатками a-D-глюкопиранозы в молекуле крахмала и присоединение по месту разрыва элементов воды (Н и ОН-группа) может происходить в различных позициях. Соответственно этому конечными продуктами гидролиза крахмала оказываются либо глюкоза, либо мальтоза, либо олигосахариды. Естественно, что в процессе постепенного укорочения молекулы крахмала в результате гидролитического отщепления моносахарид-ных, дисахаридных или олигосахаридных звеньев на какой-то ступени распада в качестве промежуточных продуктов возникают декстрины. Наличие и динамику их образования легко установить, прослеживая изменение окраски крахмала с иодом от синей до красно-бурой в процессе ферментативного гидролиза крахмала.

В природе найдено несколько различных амилаз.

Глюкоамилаза, или у-амилаза (а-1,4-глюкан глюкогидролаза), ускоряет реакцию гидролиза 1,4-связей в молекуле крахмала, олигосахаридов и даже дисахари-дов (например, мальтозы), последовательно отщепляя остатки глюкозы от невос-станавливающегося (не содержащего свободной альдегидной группы или гликозид-ного гидроксила) конца молекулы. Механизм ее действия можно представить следующей схемой:

сн2он

но

Спиртовый гидроксил (иевосстанавливающий конец молекулы)

Глюкоамилаза

СН2ОН

HJr°\H

Кон н/

он

Я ОНА

+НгО и т.д.

Гликозидный гидроксил (восстанавл ивающий конец молекулы)

328

Цифрами /, II, III, IV и т. д. здесь обозначены последовательные реакции гидролиза 1,4-связей в молекуле 1,4-глюкана при каталитическом воздействии глюкоамилазы. Если в молекуле полисахарида есть разветвление, то действие у-амилазы прекращается. Глюкоамилаза ускоряет гидролиз не только крахмала, но и гликогена.

Глюкоамилаза распространена повсеместно; она открыта Е. Л. Розенфельд (1959) в тканях животных, где ярко представлена, как, впрочем, и в плесневых грибах. Из ряда источников глюкоамилаза выделена в гомогенном состоянии. Ее молекулярная масса в большинстве случаев близка к 100000 (у-амилаза из почек человека—97000, из печени быка—107000, из печени крысы—114000, из гриба аспергилла—всего 62 000). Для глюкоамилазы из печени быка доказана мультимерная структура молекулы: 4 субъединицы по 26000 каждая. Обнаружено 2 вида глюкоамилаз—кислая (оптимум рН 4,8—5,0, локализована в лизо-сомах, Кы для гликогена—5,45 • Ю-3 М) и нейтральная (оптимум рН6,0—6,5, локализована в микросомальной фракции клетки и в гиалоплазме, Кы для гликогена—16,25 - Ю-3 М). Отсутствие кислой глюкоамилазы у человека связано с тяжелым наследственным заболеванием—гликогенозом; оно состоит в накоплении гликогена в клетках печени, мышц и других органов. Глюкоамилаза иммобилизована и в этом виде применяется в промышленном масштабе для гидролиза крахмала до глюкозы; созданная у нас установка позволяет вести процесс в течение 3 месяцев без заметной потери активности фермента.

Р-Амилаза (а-1,4-глюкан мальтогидролаза) ускоряет реакцию гидролиза крахмала по 1—4 связям," последовательно отщепляя остатки мальтозы, начиная с нередуцирующего конца молекулы крахмала; ее действие, как и у-амилазы, прекращается в точках разветвления в молекуле крахмала:

Р-Амилаза

Мальтоза, освобождающаяся при гидролизе крахмала под действием R-амилазы, получается в р-форме:

а-Форма мальтозы р-Форма мальтозы

Предполагают, что образование Р-формы мальтозы, т. е. изменение пространственной конфигурации молекулы по месту образующегося гликозид-ного гидроксила при 1-м углеродном атоме остатка глюкозы, происходит в момент гидролиза а-гликозидной связи. В соответствии с этим фермент и получил свое название. Р-Амилаза характерна только для высших растений,

329

Глюкоамилаза

Амило -1.S-глюкозиВаза

• Восстанавливающий конец молекилы

крахмала 3

• Невосстанавливающие концы полигмка-зивных цепей молекулы

о-о Связь /-* соо связь 1-6

Точки приложения действия различных амилаз

Рис. 105. Схема ферментативного гидролиза крахмала под действием амилаз разных типов (пояснение в тексте)

из которых она выделена и получена в виде кристаллов. Молекулярная масса Р-амилазы из батата равна 201000(4 x 50000).

а-Амилаза (а-1,4-глюкан 4-глю-каногидролаза) ускоряет гидролиз 1,4-гликозидных связей в молекуле крахмала без какого-либо определенного порядка, в результате чего сначала возникают олигосахариды, которые тоже подвержены действию а-амилазы, если они содержат три или более остатков a-D-глюкозы. Таким образом, a-амилаза является эндоамилазой, так как она атакует внутренние гликозидные связи в молекуле крахмала и для ее действия не имеет значения близость или удаленность нередуцирующих концевых остатков полигликозидных фрагментов молекулы крахмала. В качестве главного конечного продукта гидролиза крахмала при участии а-амилазы образуется мальтоза, так как

в дисахаридах 1,4-связи под действием a-амилазы не гидролизуются.

Если действие a-амилазы распространяется на спирализованный участок молекулы крахмала или молекулы амилозы, то гидролиз 1,4-гликозидных связей осуществляется латерально, вдоль одного бока спирализованного 1,4-глюкана. Поскольку каждый виток спирали содержит 6—7 остатков a-D-глюкопиранозы, в результате гидролиза возникают гекса- или гептасахариды. Такой механизм действия a-амилазы показан на рис. 103.

1идролиз крахмала с помощью a-амилазы во всех случаях приводит к образованию a-формы мальтозы (см. с. 316), откуда ведет свое происхождение название фермента. a-Амилаза найдена у всех растительных и животных видов; кроме крахмала она гидролизует также гликоген. Молекулярная масса a-амилазы из поджелудочной железы равна 45000, из солода—59000, из мучного хрущака—68000, из двух видов аспергилла—51000 и 58000, из бактерий—96000 (4 x 24000). Выяснена первичная и третичная структура а-амилазы из аспергилла.

Амило-1,6-глюкозидаза ускоряет реакцию гидролиза 1,6-связей в молекуле крахмала (амилопектина), расщепляя, таким образом, молекулу крахмала в точках разветвления полиглюкозидной цепи и образуя олигосахариды с тем или иным числом остатков a-D-глюкозы в них в зависимости от длины отщепляемой цепи. Амило-1,6-глюкозидаза характерна для животных тканей. Однако это не

страница 54
< К СПИСКУ КНИГ > 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84

Скачать книгу "Основы биохимии" (16.9Mb)


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(22.09.2018)