Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

100

Глава 5. КЛЕТОЧНЫЕ ПОЛИСАХАРИДЫ

Полисахариды представляют собой длинные полимерные цепочки, по-

строенные из остатков моносахаридов, соединенных между собой гликозид-

ными связями. Полисахариды присутствуют во всех клетках и выполняют в

них в основном структурную, рецепторную, защитную, функции, а также иг-

рают роль запасных (резервных) веществ.

В состав полисахаридов могут входить разнообразные моносахариды, но

наиболее часто встречается шестиуглеродный сахар (гексоза) D-глюкоза.

Гликозидная связь образуется при взаимодействии двух моносахаридов, в

ходе реакции дегидратации (рис. 5.1). В формировании этой эфирной связи

могут принимать участие разные атомы углерода моносахаридов и их замес-

тители. Обозначение гликозидной связи включает: положение гидроксила

при первом атоме углерода (a или b), а также номер углеродного атома в мо-

лекуле второго остатка моносахарида. Например, связь a(1®4) сформи-

рована между атомом кислорода при

6'6'

-D

-глюкоза

2'3'

-D-Глюкозид

Содержит (1 4)-гликозидную связь

-D-Глюкозид

Рис. 5.1. Образование гликозидных связей

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

101

атоме углерода 1 в a-положении одного остатка моносахарида и углеродным

атомом в положении 4 другого остатка моносахарида (рис. 5.1).

Наиболее часто в природных полисахаридах встречаются гликозидные

связи типа a(1®4), a(1®6), b(1®4) и b(1®3).

5.1. Резервные полисахариды

Большинство резервных полисахаридов организмов представляют собой

гомополисахариды, в которых преобладают a(1®4)-гликозидные связи. Эти

вещества выполняют роль источников углерода и энергии для клеток в пе-

риоды голодания, поэтому их структура отвечает основному требованию —

доступности для гидролитических ферментов, расщепляющих их. Молекулы

преобладающих в живом мире резервных полисахаридов — крахмала и гли-

когена — представляют собой рыхлые, разветвленные структуры, доступные

для ферментативного расщепления в большом количестве участков.

Крахмал. Этот резервный гомополисахарид преобладает в клетках расте-

ний, микроводорослей, а также имеется у некоторых бактерий. Крахмал со-

стоит из двух компонентов: a-амилозы и амилопектина.

a-Амилоза представляет собой полимер D-глюкозы, остатки которой соеди-

нены с помощью a(1®4)-гликозидных связей. При этом в молекуле появля-

ется большая свобода вращения вокруг связей

С—О и О—

С, и цепочка об-

разует стабильную спираль с шестью остатками глюкозы на один виток. Мо-

лекулы йода по своим размерам очень точно подходят к центральной полости

этой спирали и образуют комплекс, обусловливающий приобретение темно-

синей окраски растворами a-амилозы при иодно-крахмальном тесте.

Амилопектин состоит из цепей poly(D-глюкозы) с a(1®4)-гликозидными

связями; от этих цепей отходят боковые ветви, присоединенные к основной

цепи a(1®6)-гликозидными связями. Ветви представляют собой короткие

цепочки a(1®4)-глюкозида и мешают основной цепи образовывать спираль.

Амилопектин имеет структуру «куста» и вместе с a-амилозой образует слож-

ную сеть. Молекулы амилопектина содержат сотни тысяч остатков глюко-

зы — это одни из самых крупных природных молекул.

Гликоген. Этот гомополисахарид преобладает в клетках животных, гри-

бов и некоторых бактерий. Его структура сильно напоминает структуру ами-

лопектина, но у гликогена боковые ветви, присоединенные к основной цепи

связями a(1®6)-типа, расположены значительно чаще, чем у амилопектина

(рис. 5.2). У гликогена отсутствует спиральная структура. Поэтому в целом

молекулы гликогена еще более разветвлены и «открыты» действию фермен-

тов.

Кроме охарактеризованных выше внутриклеточных резервных полисаха-

ридов, некоторые организмы (в первую очередь, бактерии и дрожжи) образу-

ют внеклеточные запасные вещества, которые формируют капсулы и слизи. В

большинстве случаев эти структуры состоят из полисахаридов. В качестве

примера можно привести капсульные полисахариды —декстраны, образуе-

мые молочнокислыми бактериями Leuconostoc me-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

102

a(1 6)-глико-

зидная связь

Рис. 5.2. Фрагмент молекулы гликогена

senteroides и некоторыми видами стрептококков. Декстраны представляют

собой полиглюканы, в которых преобладают a(1®6)-гликозидные связи.

Цепи декстранов могут быть линейными или разветвленными по положениям

4 или 3 (штаммоспецифичный признак).

Декстраны синтезируются бактериями в условиях высокого содержания

источников углерода (в первую очередь, сахарозы), а в период голодания мо-

гут расщепляться внеклеточными ферментами до глюкозы, которая поступает

в клетки и используется в качестве источника углерода и энергии. Показано,

что капсульные полисахариды могут защищать клетки от перепадов рН, дей-

ствия токсичных факторов, от кратковременного высушивания. Некоторые

капсульные полисахариды (не обладающие антигенными свойствами) защи-

щают патогенные микроорганизмы от фагоцитоза, повышая их вирулент-

ность по отношению к животным и человеку, — явление, позволившее Гриф-

фиту открыть трансформацию генетических признаков у пневмококков (гла-

ва 1).

Капсульные полисахариды находят применение в хозяйственной деятель-

ности человека. В частности, декстраны используются для получения сефа-

дексов — молекулярных сит. Их получают в ходе образования «сшивок» ме-

жду линейными цепями декстранов с применением особых агентов. Степень

«сшивки» определяет размер пор и соответственно размер фракционируемых

молекул. Кроме этого, декстраны широко используются в качестве замените-

лей плазмы крови, в медицине для создания гидрофильного слоя на обож-

женных поверхностях (для поглощения жидких экссудатов). Среди других

капсульных полисахаридов, находящих применение в медицинской, пищевой

(в составе пудингов, кремов, мороженого), фармацевтической промышленно-

сти, получили распространение ксантаны, альгинат, пуллулан.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

103

5.2. Структура клеточных стенок растений

Клеточные стенки растений обладают необычайной прочностью, и в про-

цессе роста растения меняют свою структуру и состав. Основными компонен-

тами клеточных стенок растений являются полисахариды, причем среди них

преобладает целлюлоза, которая в значительной мере определяет архитектуру

стенки.

Целлюлоза. Этот гомополисахарид является самым распространенным на

Земле углеводом (растения образуют в год до 10

т целлюлозы). Мономера-

ми целлюлозы служат остатки глюкозы, соединенные в длинные цепочки (до

10 000 остатков глюкозы в каждой) с помощью b(1®4)-гликозидных связей

(рис. 5.3). В такой молекуле отсутствует полная свобода вращения вокруг

С—О- и О—

С-связей, и полимер приобретает конформацию, благоприят-

ную для образования межцепочечных водородных связей, в случае, когда

цепочки располагаются антипараллельно. В результате молекулы целлюлозы

объединяются в микрофибриллы толщиной примерно от 10 до 25 нм. Мик-

рофибриллы перевиваются и образуют тонкие нити, которые, в свою очередь,

могут обматываться одна вокруг другой, как пряди в канате, формируя мак-

рофибриллы. Каждая макрофибрилла имеет толщину около 0,5 мкм и может

достигать в длину 6—8 мкм. Прочность макрофибрилл сопоставима с проч-

ностью равной по толщине стальной проволоки. Кроме того, отдельные уча-

стки микрофибрилл имеют упорядоченное строение и придают клеточной

стенке кристаллические свойства. Таким образом, можно отметить сложность

и высокую упорядоченность целлюлозы в составе клеточных стенок, что не-

случайно: этот полимер выполняет защитную и опорную функции в растении.

В таком виде полисахариды недоступны действию собственных ферментов, и

целлюлоза не может использоваться растением в качестве резервного веще-

ства. Лишь немногие организмы (некоторые бактерии, грибы, простейшие и

редкие животные) обладают ферментными системами, способными расщеп-

лять целлюлозу.

Микро- и макрофибриллы целлюлозы в клеточной стенке растений по-

гружены в матрикс, который также состоит в основном из полисахаридов и

меняет свою структуру в процессе роста растения. На начальных этапах раз-

вития матрикс состоит из пектиновых веществ, а в дальнейшем в нем появ-

ляются ксиланы и различные нейтральные полисахариды («гемицеллюло-

за»). Пектиновые вещества представляют собой полимеры a-галактуроновой

кислоты, в которых некоторые водородные атомы замещены метильными

группами (-СН

) (рис. 5.3). Ксиланы представляют собой полимеры ксилозы

(рис. 5.3).

На более поздних этапах развития, когда происходит одревеснение кле-

точных стенок, в клетках откладывается лигнин — химически устойчивый

полимер, содержащий большое число ароматических колец. Кроме этого, в

составе клеточных стенок растений обнаруживаются небольшие количества

гликопротеинов, нерастворимых липидных полимеров различного строения и

восков.

Клеточные стенки некоторых растений содержат редкие полисахариды,

имеющие необычное строение. Например, в стенках и межклеточном

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

104

Целлюлоза

COOH

COOH COOH

Полигалактуроновая кислота

Поликсилоза

Рис. 5.3. Структура фрагментов полисахаридов клеточных стенок расте-

ний. В пунктирные рамки заключены атомы водорода, которые

могут замещаться в пектинах на метильные группы

веществе морских красных водорослей содержится сложный гетерополисаха-

рид агар, представляющий собой смесь сульфатированных полисахаридов —

агарозы и агаропектина. Агароза построена из чередующихся остатков D-

галактозы и 3,6-ангидро-L-лактозы, связанных попеременно b(1®4)- и

a(1®3)-связями. Агаропектин имеет более сложное строение: в его состав

входят D-галактоза, 3,6-ангидрогалактоза, уроновые кислоты и сульфат. Агар

используется в качестве наиболее распространенного уплотнителя для твер-

дых сред, незаменимых в микробиологии, а также в пищевой промышленно-

сти для желирования продуктов. Следует отметить, что подавляющее боль-

шинство микроорганизмов не способно расщеплять агар, и это одно из глав-

ных его преимуществ перед другим уплотнителем питательных сред —

желатиной. Агароза находит широкое применение в биохимических исследо-

ваниях: она в водной среде образует гель с большими порами, размер кото-

рых определяется ее концентрацией. Агарозные гели используются для фрак-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

105

ционирования белков и нуклеиновых кислот, а также для иммобилизации

клеток.

5.3. Структура клеточных стенок прокариот

Большинство прокариот имеют на поверхности плазматической мембра-

ны жесткую, многослойную клеточную стенку, которая выполняет функцию

механической защиты клетки, а также придает ей форму. Клеточная стенка

может быть отделена от мембраны периплазматическим пространством, в

котором находятся ферменты и белки, связывающие питательные вещества.

В отличие от плазматической мембраны, клеточная стенка проницаема для

солей и низкомолекулярных соединений. Основу клеточных стенок большин-

ства прокариот составляет пептидогликан муреин. Однако состав и струк-

тура клеточных стенок двух самых представительных отделов прокариот

(Gracilicutes и Firmicutes) сильно различается, что положено в основу диффе-

ренциального метода окраски бактерий по Граму.

Клеточная стенка грамположительных бактерий. Практически це-

ликом состоит из муреина. Этот гетерополимер содержит чередующиеся ос-

татки N-ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, связанные меж-

ду собой b(1®4)-гликозидными связями. Молекула муреина уникальна по

своему строению, поскольку содержит D-аминокислоты, диаминопимелино-

вую кислоту и g-пептидную связь (рис. 5.4).

Необычность строения муреина выражается, в первую очередь, в особен-

ностях тетрапептида в составе N-ацетилмурамовой кислоты. Первую позицию

в нем занимает L-аланин, вторую — D-изоглутаминовая кислота (либо какая-

нибудь минорная аминокислота). Изоглутаминовая кислота формирует пеп-

тидную связь с L-лизином с помощью своей g-кар-

H CH

L-Аla

D-isoGlu

L-Lys

D-Ala

Остаток N-ацетил-

мурамовой кислоты

Остаток

N-ацетилглюкозамина

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

106

Рис. 5.4. Структура мономерного звена молекулы муреина

боксильной группы (g-пептидная связь), а не a-карбоксильной группы, как

обычно. Третью позицию в тетрапептиде занимает L-лизин, который имеет

боковую аминогруппу, хотя он может быть замещен на другие кислоты с бо-

ковой аминогруппой (диаминопимелиновую или диаминомасляную)

(рис. 5.5). Последнюю позицию в тетрапептиде всегда занимает D-аланин. D-

Аминокислоты в составе муреина придают ему повышенную устойчивость к

протеолитическим ферментам.

Линейные цепи пептидогликана, в которых чередуются дисахаридпептид-

ные звенья (рис. 5.4), составляют основу муреина. Его структуру усложняют

короткие пептиды, поперечно сшивающие полисахаридные цепи. Благодаря

множеству поперечных сшивок возникает одна огромная мешковидная мак-

ромолекула, которую называют муреиновым каркасом. Поперечные сшивки

чаще всего представлены пентаглициновыми пептидами (мостиками), но в их

состав могут входить и другие аминокислоты: L-аланин, L-треонин или L-

серин. При формировании сшивок карбоксильная группа одного концевого

остатка глицина в пентаглициновом мостике образует пептидную связь с бо-

ковой аминогруппой лизина в составе тетрапептида N-ацетилмурамовой ки-

слоты какой-либо цепи, а свободная аминогруппа другого концевого остатка в

пентаглициновом мостике образует пептидную связь со свободной карбок-

сильной группой концевого остатка D-аланина в составе N-ацетилмурамовой

кислоты той же или другой муреиновой цепи (рис. 5.6). Таким образом, один

тетрапептид может участвовать в образовании сразу двух сшивок между це-

пями с помощью пентаглициновых мостиков.

Сформированная в результате сложная муреиновая сеть упрочняется тей-

хоевыми кислотами, которые покрывают слои пептидогликана или инкрусти-

руют их. Тейхоевые кислоты представляют собой цепочки из молекул гли-

церола или пятиатомного спирта рибитола, связанные между

(CH

)

HC CH

OOC

COOH

N (CH

)

COO

O CH

OH OH

Диаминопимелиновая кислота

Диаминомасляная кислота

Фрагмент тейхоевой кислоты

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

107

Рис. 5.5. Структура отдельных компонентов клеточных стенок прокариот

NAG

NAM

NAG

NAM

NAG

NAM

NAG

(Gly)

L-Ala

D-Glu

L-Lys

D-Ala

L-Ala

D-Glu

L-Lys

D-Ala

Рис. 5.6. Структура муреина: NAG — остаток N-ацетилглюкозамина в

линейной цепи пептидогликана; NAM — остаток N-ацетилмурамовой ки-

слоты; (Gly)

— пентаглициновый мостик, связывающий между собой

аминокислоты в составе тетрапептида N-ацетилмурамовой кислты

собой фосфодиэфирными мостиками (рис. 5.5). В одной молекуле тейхоевой

кислоты встречается около 30 остатков спиртовых молекул. В эту цепочку

могут быть включены остатки молекул аминокислот или сахаров. Гидро-

ксильные группы спиртов в составе тейхоевых кислот используются для свя-

зывания пептидогликановых слоев друг с другом и делают муреиновый кар-

кас более прочным.

Всего в составе клеточной стенки грамположительных бактерий насчиты-

вается около 40 слоев муреина, и он составляет 30—70% сухой массы кле-

точной стенки. Стенка сохраняет прочность и форму клетки даже в том слу-

чае, когда клеточное содержимое ликвидируется, например растворяется ки-

слотой.

Клеточная стенка грамотрицательных бактерий. У грамотрицатель-

ных бактерий клеточная стенка организована более сложно, чем у грамполо-

жительных. Ее основными отличительными особенностями являются сле-

дующие: муреиновая сеть однослойная и составляет только 5—10% сухой

массы клеточной стенки; в стенке отсутствуют тейхоевые кислоты; на по-

верхности пептидогликанового слоя есть богатая липидами наружная мем-

брана (рис. 5.7). По структуре муреин грамотрицательных бактерий отличает-

ся от такового грамположительных низким содержанием поперечных сшивок

и меньшим разнообразием диаминокислот.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

108

Наружная мембрана представляет собой толстый слой клеточной стенки и

состоит из липополисахаридов, фосфолипидов и белков. Принципиальная

структура этого слоя очень похожа на структуру плазматической мембраны.

Непосредственно над муреиновым слоем расположен слой фосфолипидов,

молекулы которых ориентированы своими гидрофильными головками к му-

реину, а гидрофобными «хвостами» — к слою липополисахаридов. Липопо-

лисахариды служат основными компонентами наружной мембраны и имеют

необычное строение. Их молекулы состоят из трех частей: липида А, ядра и

О-антигенов.

Липид А — «скелет» сложной молекулы — представляет собой дисаха-

ридные звенья, образованные двумя остатками N-ацетилглюкозамина, свя-

занными b-(1®4)-гликозидными связями, которые многократно повторяются

и соединяются между собой с помощью фосфодиэфирных мостиков. К остат-

кам N-ацетилглюкозамина присоединяются остатки жирных кислот, которые

совместно с фосфолипидами формируют липидный бислой. В двойной ли-

пидный бислой, образованный липополисахаридами и фосфолипидами, вкра-

плены молекулы белков. Они пронизывают бислой и представляют собой

трансмембранные транспортные белки, ответственные за перенос веществ

через наружную мембрану. Снаружи к липиду А присоединяются полисаха-

ридные молекулы, которые можно разделить по длине на 2 части — ядро

(включает 8—10 остатков моносахаридов и почти у всех грамотрицательных

бактерий имеет одинаковую структуру) и О-антигены. Последние представ-

ляют собой вариабельную часть наружных полисахаридов и чаще всего обра-

зованы тетрасахаридными последовательностями, которые могут повторяться

в одной молекуле до 50 раз (рис. 5.7).

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

109

Рис. 5.7. Структура клеточной стенки грамотрицательных бактерий

В отличие от ацильной части липида А, олигосахариды ядра и О-боковые

цепи высоко гидрофильны. Ряд сахаров в липополисахариде фосфорилиро-

ван, и молекула в целом имеет отрицательный заряд. Для поддержания ста-

бильности липополисахаридного слоя в нем присутствуют в большом количе-

стве ионы Са

. О-боковые цепи находятся на самой поверхности клетки и

образуют так называемый «молекулярный ворс». Они служат рецепторами

для адсорбции многих бактериофагов, а также являются главными антиген-

ными детерминантами клеточной стенки грамотрицательных бактерий. Их

называют, кроме того, эндотоксинами, поскольку вирулентность бактери-

альных клеток для животных определяется наличием и типом О-боковых це-

пей. В экспериментах по введению лабораторным животным выделенных

клеточных стенок бактерий определенного вида происходит копирование

симптомов соответствующего заболевания, и у животных вырабатывается

иммунитет к бактериям — обладателям использованных клеточных стенок.

Наружная мембрана соединяется с муреиновой сетью с помощью липо-

протеинов, которые через диаминопимелиновую кислоту присоединяются к

муреину. При этом липофильные (гидрофобные) части липопротеинов погру-

жены в липидный бислой и выполняют роль «якоря».

Ряд химических факторов может оказывать воздействие на клеточные

стенки прокариот, в частности такие широко распространенные агенты, как

фермент лизоцим и антибиотик пенициллин. Механизмы этих явлений будут

рассмотрены далее в соответствующих разделах. Общим для действия на-

званных факторов и им подобных является то, что в гипертонических средах

оно приводит к образованию протопластов (полностью лишенных клеточной

стенки форм) или сферопластов (форм, частично лишенных клеточной стен-

ки). Эти образования характеризуются осмотической хрупкостью (лизируют-

ся в гипотонических средах) и способны в подходящих условиях регенериро-

вать клеточную стенку. Протопласты и сферопласты широко используются в

генной инженерии в экспериментах по их слиянию и трансформации с полу-

чением гибридных бактерий.

5.4. Структура клеточных стенок грибов

Полисахариды клеточных стенок грибов, в том числе дрожжей, представ-

лены в основном гемицеллюлозами: глюканами, хитином и маннанами. Глю-

каны — продукты конденсации глюкозы с разным числом звеньев —

принадлежат в основном к b-1,4- и b-1,6-типу. Эти гомополисахариды фор-

мируют в клеточной стенке грибов микрофибриллярный скелет, подобный

тому, который создает целлюлоза в клеточных стенках растений.

Хитин представляет собой гомополисахарид, образованный цепями N-

ацетилглюкозамина, который также является структурной частью муреина

(рис. 5.4). Остатки N-ацетилглюкозамина в хитине связаны между собой с

помощью b(1®4)-гликозидных связей и формируют слоистую структуру,

подобную целлюлозе. Однако в хитине межцепочечные водородные связи

оказываются более прочными, поскольку в их образовании принимают уча-

стие N-ацетильные группы. Хитин служит также основным структурным по-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)