Биохимические основы действия полисахаридных веществ

Введение

Полисахариды—высокомолекулярные сложные углеводы, образованные из многих сотен остатков простых углеводов. Их молекулярная масса составляет обычно сотни тысяч. Они не дают ясно оформленных кристаллов, и лишь некоторые из них обладают псевдокристаллическим строением. Полисахариды либо не растворимы в воде, либо дают растворы, напоминающие по свойствам коллоидные, что можно объяснить большой молекулярной массой растворенных частиц. Для полисахаридов сладкий вкус не характерен.

К полисахаридам  относятся вещества, построенные  из большого числа остатков моносахаридов или их производных. Если полисахарид содержит остатки моносахарида одного вида, его называют гомополи-сахаридом. В том случае, когда полисахарид составлен из моносахаридов двух видов или более, регулярно или нерегулярно чередующихся в молекуле, его относят к гетерополисахаридам.

Биологическое значение полисахаридов разнообразно. Многие из них (крахмал, гликоген, инулин и др.) являются в растительных и  животных организмах запасными питательными веществами. Некоторые полисахариды (например, хондроитинсерная кислота, капсулярные полисахариды и клетчатка) несут исключительно опорные и защитные функции. Ряд полисахаридов (маннаны, галактаны и др.) используется и как строительный, и как питательный материал. Гиалуроновая кислота, составляющая межклеточное вещество тканей животных, наряду со структурной функцией регулирует распределение жизненно необходимых веществ в тканях. Гепарин предотвращает свертывание крови в организме человека и животных. Во многих случаях полисахариды дают очень прочные комплексы с белками, образуя гликопротеины, вьгаолняющие в организме ряд ответственных функций.

Химическое  строение полисахаридов однообразно. Все они являются поли-гликозидами, в молекулах которых за счет кислородных мостиков объединяются сотни, тысячи, а иногда и десятки тысяч остатков моносахаридов и их производных. При этом непременным партнером в образовании кислородных мостиков служит гликозидный гидроксил моносахаридов, а другим партнером оказывается один из спиртовых гидроксилов моносахарида, чаще всего в положении 4 (у линейных полисахаридов) или 4 и 6 (у разветвленных форм).

Полисахариды  сравнительно легко гидролизуются при кипячении с разбавленными растворами кислот или при инкубации с соответствующими ферментами. Щелочи не гидролизуют полисахаридов. Так, гликоген можно нагревать в течение нескольких часов с 30%-ным раствором щелочи без какого-либо разложения его. На этом основан метод количественного определения гликогена. Характерно, что в ряде случаев при ферментативном гидролизе таких распространенных полисахаридов, как крахмал и клетчатка, образуются дисахариды (мальтоза и целлобиоза соответственно), тогда как при неспецифическом кислотном гидролизе образуется моносахарид (D-глюкоза). 
 
 
 
 

Крахмал

Один из наиболее распространенных запасных полисахаридов растений. Он интенсивно накапливается в результате фотосинтеза и откладывается в семенах, клубнях и других частях растений. Семена и клубни содержат 40—70% крахмала, другие части растений—от 4 до 25%. При кислотном гидролизе крахмал распадается с образованием D-глюкозы, являющейся его структурным элементом, и небольшого количества глюкозо-6-фосфата, так как все виды крахмала содержат немного (0,02—0,16%) фосфора. Установлено, что глюкоза в составе крахмала находится в виде a-D-глюкопиранозы.

Природный крахмал состоит из двух различных  фракций, отличающихся по своему строению и свойствам. Примерно 20% крахмала составляет амилоза (от греч. амилен—крахмал). Остальное приходится на вторую фракцию, получившую название амилопектина (от греч. пектос—студнеобразный). Такая терминология отражает некоторые свойства этих двух видов крахмала. Амилопектин с трудом растворяется в горячей воде, причем раствор получается вязкий (крахмальный клейстер) и при охлаждении застывает в студневидную массу. Амилоза же хорошо растворима в теплой воде и не образует клейстера. Пользуясь этим обстоятельством, амилозу отделяют от амилопектина, многократно извлекая ее теплой водой. С этой же целью используют способность амилозы осаждаться под действием бутилового спирта при насыщении последним горячего раствора, содержащего смесь амилозы и амилопектина. Применяют и хроматографические методы. Например, после пропускания диспергированного крахмала через колонку с фосфатом кальция и последующего промывания фосфатным буфером амилоза элюируется, а амилопектин остается на сорбенте. 

Молекулярная  масса амилозы и амилопектина различна: у не деградировавших в процессе выделения препаратов амилозы она составляет от 100000 до 400000, а у амилопектина превышает, как правило, 20-10б. Эти данные получены методом гельфильтрации через сефадекс G-200 и сефарозу 2В. При этом картофельный крахмал, например, разделен на 9 фракций с молекулярными массами от 7 • 10б до 73 • 10б. Видимо, значения молекулярных масс рассматриваемых здесь и ниже полисахаридов зависят от примененного способа выделения. В тех случаях, когда нативность препарата не утрачена, молекулярные массы очень высоки. Соответственно коэффициент поликонденсации a-D-глюкопиранозы в молекулах амилозы оценивается в несколько сотен, а у амилопектина—в несколько десятков и даже сотен тысяч.

Различна  и химическая структура амилозы  и амилопектина. Молекулы первой, как правило, строго линейны. В них остатки a-D-глюкопиранозы связаны друг с другом—исключительно а-1,4-глюкозидными связями, т.е. кислородные мостики возникают за счет гликозидного гидроксила 1-го углеродного атома одной молекулы a-D-глюкопиранозы и спиртового гидроксила при 4-м углеродном атоме другой:

В соответствии с таким строением амилозу  можно характеризовать как а-1,4-глюкан. Таким образом, амилоза представляет линейный полисахарид, молекулы которого имеют нитевидную структуру. Остатки a-D-глюкопиранозы в составе амилозы имеют конформацию типа лодки.

Лодкообразная конформация a-D-глюкопиранозных остатков в молекуле амилозы способствует спирализации полигликозидной цепи. При этом один виток спирали включает 6—7 остатков глюкозы. При длине каждого остатка глюкозы, равной 0,5 нм, возникает спираль диаметром около 1 нм (рис. 103). Допускают, что молекулы амилозы, как и других линейных полисахаридов,

Спиральная  конформация молекулы амилозы (А), точки приложения действия a-амилазы при гидролизе (Б) и структура адсорбционного комплекса между спирализо-. ванными участками крахмала и молекулами иода {В)

Точки приложения действия а-амилазы (Б) могут на том или ином протяжении взаимодействовать друг с другом, образуя вторичные структуры биспирального типа с взаимозакрученными полисаха-ридными цепями.

Амилопектин имеет сферические молекулы с  радиусом вращения от 82 до 255 нм. Их сферическая форма обеспечивается тем, что молекула составлена из множества (несколько сотен) коротких полигликозидных цепочек, каждая из которых в среднем содержит 20 остатков a-D-глюкопиранозы. В пределах каждой короткой цепи глюкозные остатки соединены а-1,4-глюкозидными связями. Друг с другом цепи соединяются посредством а-1,6-глюкозидных связей. Строение разветвленного участка молекулы амилопектина таково:

CHjOH

современная гроздевидная модель молекулы амилопектина (а—компактная, псевдокристаллическая обтасть; 6—менее компактная, аморфная область; точкой обозначена редуцирующая группа); Д—модернизированная модель молекулы гликогена, демонстрирующая наличие спрятанных поли-гликозидных цепей; Е—строение частичкового гликогена; центральная линия—полипептидная цепь, к которой через радикалы оксиаминокнслот присоединены р'-частицы, образующие а-частицу, построенную по типу сложной костянки; Ж—объемная модель фрагмента молекулы амилопектина (Р—редуцирующий конец; Н—нередуцирующие концы)

Степень полимеризации  остатков a-D-глюкозы в звеньях, обозначенных утолщенными линиями, достигает 45, тонкими -^-15. Протяженность каждой псевдокристаллической области составляет 6 нм, аморфной—втрое меньшую величину.

Считают, что  в составе амилопектина a-D-глюкопираноза также находится в лодкообразной конформации. Вследствие этого отдельные участки полигли-козидных цепочек, составляющих молекулу амилопектина, видимо, спирализо-ваны подобно амилозе .

Обе фракции  крахмала дают окрашивание с иодом в растворе К1, однако амилоза окрашивается в чисто синий цвет, а амилопектин—в фиолетовый. Реакция крахмала с иодом не связана с химическим взаимодействием между ними, а состоит в образовании комплексов адсорбционного типа. Так как ведущую роль в возникновении этих комплексов играют спиральные участки молекул крахмала того или другого типа, то различие в тональности окраски вполне естественно. Предполагают, что молекулы иода втягиваются внутрь полигликозидной спирали, где и замыкаются соответствующие связи, дающие начало цветным комплексам.

При кратковременном  нагревании порошкообразного крахмала его гигантские молекулы распадаются, образуя смесь более простых полисахаридов меньшей молекулярной массы—декстринов. Декстринизация крахмала при нагревании сопровождается повышением его растворимости в воде. Обработанный таким образом крахмал называют растворимым. Распад молекул крахмала до декстринов особенно интенсивно идет при нагревании крахмального клейстера с 10%-ным раствором H2SO4. При дальнейшей обработке молекулярная масса декстринов прогрессивно падает и конечным продуктом распада является D-глюкоза. Крупномолекулярные декстрины окрашиваются иодом в красный цвет, низкомолекулярные—окраски с иодом не дают. Таким образом, гидролиз крахмала проходит ступенчато и может быть выражен следующей схемой:

+нр +нр +но

НО [С6Н10О 5]х  Н-^иНО [С 6Н10О а], Н-*т НО [С6Н10О 5] г Н->хС6Н 120 6,

Декстринизация и осахаривание крахмала широко применяются в спиртовой промьппленности, при производстве клея и т. д. Так как крахмал составлен из оптически активных остатков a-D-глюкопи-ранозы, его растворы вращают плоскость поляризации света вправо ([аЬ= + 195°). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Гликоген

Гликоген служит резервным питательным веществом в организме человека и животных, вследствие чего за ним сохраняется название «животный крахмал». Однако он найден также в грибах, дрожжах и зернах кукурузы, что ставит под сомнение его название «животный». Содержание гликогена в печени животных достигает 20%, а в мышцах—4%. Распадаясь до простых продуктов довольно сложным путем, который называется гликогенолизом (см. с. 351), гликоген обеспечивает потребность организма в энергии и метаболитах. Таким образом, его биологическая роль весьма велика.

Гликоген  сравнительно хорошо растворяется в  горячей воде, хотя некоторые виды натурального гликогена труднорастворимы. Подобно крахмалу, гликоген дает цветную реакцию с иодом, причем тон окраски (красно-фиолетовый или красно-коричневый) свидетельствует о том, что гликоген ближе к амилопектину, нежели к амилозе. Действительно, гликоген и амилопектин весьма похожи. Так, молекулярная масса некоторых фракций нативного гликогена близка к молекулярной массе амилопектина, хотя в целом гликоген в этом отношении отличается крайней гетерогенностью: препараты гликогена из печени животных содержат фракции с М от 10 млн. до 3 млрд. с преобладанием среди них молекул с М от 200 млн. до 600 млн. При неполном гидролизе гликогена образуются декстрины, а при полном—D-глюкоза. Как и амилопектин, гликоген оптически активен, причем удельное вращение его растворов (+196°) весьма близко к таковому крахмала.

Причины близости свойств гликогена и амилопектина заключаются в сходстве строения их молекул: Оно по существу одно и то же; различие состоит лишь в том, что в молекуле гликогена средняя длина коротких цепей, которые сочетаются здесь а-1,6-гликозидными связями, равна 12 остаткам a-D-глюкопиранозы. Таким образом, молекула гликогена несколько плотнее, компактнее, чем молекула амилопектина (см. рис. 104). Гликоген низших животных ближе к амилопектину, так что во многих случаях трудно провести резкую границу между первым и вторым, хотя накапливающиеся данные о структуре гликогена (см. рис. 104, Д и ?)- определенно свидетельствуют о большей симметричности его молекулы, о наличии в ней значительного числа спрятанных (не выходящих на поверхность молекулы) полигликозидных звеньев (это часть звеньев В на рис. 104, Д), а также о существовании у гликогена макромолекуляриой структуры. Последняя характерна для так называемого частичкового гликогена, впервые выделенного А. Лазаревым (1942) в мягких условиях методом дифференциального ультрацентрифугирования. Он представлен огромными, глобулами, названными a-частицами (диаметр до 200 нм) и напоминающими ягоды шелковицы или малины. В свою очередь, ос-частицы составлены из Р-частиц, а те, в свою очередь,—из у-частиц с диаметром 20—40 нм (см. рис. 104, Е). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Клетчатка

Клетчатка—основной структурный полисахарид растений. Листья содержат 15—30% клетчатки, древесина—50—70%, стебли волокнистых растений (например, льна) еще больше, а волокна (волоски на семенах) хлопка представляют собой почти чистую клетчатку. Само название этого полисахарида подчеркивает его большую роль в построении клеточных стенок; в связи с этим распространен также термин целлюлоза (от лат. cellula—клетка). Подсчитано, что при сжигании всей клетчатки, содержащейся в составе растений, количество С02 в атмосфере возросло бы наполовину.

Клетчатка отличается очень малой растворимостью в подавляющем большинстве агентов; лишь аммиачный раствор Си(ОН)2 и концентрированный раствор Ca(SCN)2 при нагревании заметно растворяют ее. Устойчивость клетчатки к действию растворителей объясняют тем, что ее длинные нитевидные молекулы, взаимодействуя друг с другом, образуют прочные мицеллы, которые, в свою очередь, собраны в фибриллы, располагающиеся вдоль оси волокна. Так, тончайшие элементарные волокна хлопка диаметром 20 нм состоят из множества молекул целлюлозы (диаметр 0,6—0,7 нм), упакованных очень плотно. Отрыв индивидуальных молекул клетчатки от упомянутых устойчивых агрегатов весьма затруднен, и только немногие вещества, способные нарушать межмолекулярные связи в мицеллах, растворяют клетчатку.