Структурная биохимия

Фруктаны. Это линейные, редуцирующие гомополимеры ? фруктозы, соединенной ? (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 ? фруктозой ? (1—1) гликозидной связью, остальные мономеры ? фруктозы, соединяются ? (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 ?-конфигурацию, а в амилозе, амилопектине и гликогене – ?-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 ? (1—4) в молекуле целлюлозы не гидролизуются ? -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 (СН

). Образовавшиеся жирные кислоты всасываются в кровоток коровы, проникают в ткани и используются как топливо. Метан и СО

, 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.

Таким образом, между коровой и населяющими ее рубец микроорганизмами устанавливаются отношения симбиоза, при котором микроорганизмы получают возможность насладиться короткой, но счастливой жизнью в удобной и теплой среде; при этом целлюлоза из клевера и другой травы служит основным источником топлива и для «жильцов», и для организма-хозяина.

Гемицеллюлозы

Это многообразные полисахариды растений входящих в клеточную стенку, примерами являются ксилоза и пектины.

Ксилоза. Линейный редуцирующий гомополимер ксилозы, в ?-пиранозной форме, мономеры соединяются ? (1—4) гликозидной связью (Рисунок 23, Е).

Пектины. Эти полимеры встречаются очень часто в клеточных стенках плодов и отвечают за их «желирующие» свойства (чем больше пектинов, тем плотнее джемы и повидло). Это линейный редуцирующий гомополимер, мономером является метиловый эфир галактуроновой кислоты (Рисунок 23, Ж). Мономеры соединяются ? (1—4) гликозидной связью. Пектиновыми веществами богаты плоды айвы, некоторых сортов груш и яблок, они обеспечивают процесс «желирования», то есть образования более плотного мармелада. Это свойство до последнего времени привлекало только кондитеров. Но в последнее время этим молекулам уделяется большое внимание, так как было показано, что пектины участвуют в выводе солей тяжелых металлов и радионуклидов. Поэтому пектины и продукты их частичного гидролиза используются как антирадиационные препараты или добавки к ним.

Структура клеточных стенок растений

Клеточная стенка растений формируется при участии плазматической мембраны и является экстраклеточным (внеклеточным) многослойным образованием, защищающим поверхность клетки и служащим, как бы наружным скелетом растительной клетки. Клеточная стенка растений состоит из двух компонентов: аморфного пластичного гелеобразного матрикса (основы) с высоким содержанием воды и опорной фибриллярной системы (Рисунок 24). Эта структура напоминает железобетон. Роль железной арматуры выполняют фибриллы из пучков молекул целлюлозы, образующие трехмерную сеть. Пространство между молекулами «арматуры» заполняют гемицеллюлозы, образующие желеобразный матрикс.

Дополнительные полимерные вещества и соли, часто входящие в состав оболочек, придают им жесткость и делают их несмачиваемыми. В химическом отношении главные компоненты оболочек растений относятся к структурным полисахаридам. В состав матрикса оболочек растений входят гетерогенные группы полисахаридов, растворяющиеся в концентрированных щелочах, гемицеллюлозы и пектиновые вещества. Гемицеллюлозы представляют собой ветвящиеся полимерные цепи, состоящие из различных гексоз (глюкоза, манноза, галактоза и др.), пентоз (ксилоза, арабиноза) и урановых кислот (глюкуроновая и галактуроновая). Эти компоненты гемицеллюлоз сочетаются между собой в разных количественных отношениях и образуют разнообразные комбинации.

Цепи гемицеллюлозных молекул не кристаллизуются и не образуют элементарных фибрилл, они образуют аморфное гелеобразное вещество. Из-за наличия полярных групп урановых кислот они сильно гидратированы. Пектиновые вещества – гетерогенная группа, в которую входят разветвленные, сильно гидратированные полимеры, несущие отрицательные заряды из-за множества остатков галактурононой кислоты. Благодаря свойствам своих компонентов матрикс представляет собой мягкую пластическую массу, укрепленную фибриллами. Волокнистые компоненты клеточных оболочек растений состоят обычно из целлюлозы – линейного, неветвящегося полимера глюкозы. Молекулярная масса целлюлозы варьирует от 5—10

 до 5—10

, что соответствует 300—3000 остаткам глюкозы. Такие линейные молекулы целлюлозы могут соединяться в пучки или волокна.

Рисунок 24. Схема строения клеточной стенки растений; 1 – первичная оболочка (два слоя по обе стороны от 2); 2 – срединная пластинка; 3 – слои вторичной оболочки; 4—третичная оболочка

В клеточной оболочке целлюлоза образует фибриллы, которые состоят из субмикроскопических микрофибрилл толщиной до 25 нм, а они в свою очередь состоят из множества параллельно лежащих цепей молекул целлюлозы.

Количественные соотношения целлюлозы к веществам матрикса (гемицеллюлозы) могут быть весьма различными у разных объектов. Свыше 60% сухой массы первичных оболочек составляет их матрикс и около 30% приходится на скелетное вещество – целлюлозу. В сырых клеточных оболочках почти вся вода связана с гемицеллюлозами, поэтому масса основного вещества в набухшем состоянии достигает 80% сырой массы всей оболочки, тогда как содержание волокнистых веществ сводится всего к 12%. В волосках хлопчатника целлюлозный компонент составляет 90% в древесине на долю целлюлозы приходится 50% от компонентов клеточной стенки.

Кроме целлюлозы, гемицеллюлозы и пектинов в состав клеточных оболочек входят дополнительные компоненты, придающие им особые свойства. Так, инкрустация (включение внутрь) оболочек лигнином (полимер кониферилового спирта) приводит к одревеснению клеточных стенок, повышению их прочности. Лигнин замещает в таких оболочках пластические вещества матрикса, и играет роль основного вещества, обладающего высокой прочностью. Часто матрикс укреплен минеральными веществами (Si0

, Са

СО

 и др.).

На поверхности клеточной оболочки могут скапливаться различные адкрустирующие вещества, например кутин и суберин, приводящие к опробковению клеток (Рисунок 25). В клетках эпидермиса на поверхности клеточных оболочек откладывается воск, который образует водонепроницаемый слой, препятствующий потере клеткой воды. Из-за своего пористого, рыхлого строения клеточная стенка растений проницаема в значительной степени для низкомолекулярных соединений, таких как вода, сахара и ионы. Но макромолекулы проникают через целлюлозные оболочки плохо: величина пор в оболочках, позволяющая свободную диффузию веществ, составляет всего лишь 3—5 нм.

Опыты с мечеными соединениями показали, что при росте клеточной оболочки выделение веществ, из которых она строится, происходит по всей поверхности клетки. Аморфные вещества матрикса, гемицеллюлозы и пектины синтезируются в вакуолях аппарата Гольджи и выделяются через плазмалемму путем экзоцитоза. Фибриллы целлюлозы синтезируются специальными ферментами, встроенными в плазмалемму. Оболочки дифференцированных, зрелых, клеток обычно многослойные, в слоях фибриллы целлюлозы ориентированы по-разному, и количество их также может значительно колебаться. Обычно описывают первичные, вторичные и третичные клеточные оболочки. Для того чтобы разобраться в строении и появлении этих оболочек, необходимо познакомиться с тем, как они образуются после деления клеток.

Рисунок 25. Инкрустация клеточной оболочки. А – фибриллярный каркас и межфибриллярный матрикс; Б – инкрустированная лигнином и утерявшая способность к растяжению оболочка с остатками матрикса; В – последующее инкрустирование фенолами и (или) минеральными веществами, приводящее к повышению твердости оболочки

Структурные полисахариды грибов

Рисунок 26. Структурные полисахариды грибов

Клеточные стенки грибов с одной стороны плохо изучены по структуре, а с другой очень разнообразны. Именно поэтому можно говорить о полисахаридах, составляющих основу клеточной стенки грибов, но не о структуре клеточной стенки.

У различных групп грибов клеточная стенка формируется несколькими типами полисахаридов. У оомицетов (к ним относится возбудитель фитофторы) клеточная стенка образуется целлюлозой. У дрожжей – маннаны. Маннаны – редуцирующие гомополимеры ?-D-маннозы, моносахариды соединяются ? (1—6) гликозидной связью. Полимер разветвленный. «Ветки» присоединяются ? (1—2) связью, такой же связью соединены мономеры в составе ответвления. В результате образуется сложный пересекающийся каркас, по структуре напоминающий войлок. Дополнительное укрепление связи молекул обеспечивают белки клеточной стенки. У базидиомицетов клеточную стенку формирует хитин (Рисунок 26). Длинный неразветвленный редуцирующий гомополисахарид. Структуру хитина составляют N N-ацетил-О-глюкозаминовые звенья, соединенные ? (1—4) -гликозидными связями.

Структурные полисахариды бактерий

Клеточная стенка бактерий образует вокруг клетки жесткую пористую оболочку. Она физически защищает нежную клеточную мембрану и цитоплазму клетки. Структурной основой клеточных стенок большинства бактерий служит пронизанный поперечными ковалентными связями каркас, который почти целиком окружает клетку (Рисунок 27).

Рисунок 27. Формулы структурных полисахаридов бактерий

Он состоит из длинных, параллельно расположенных полисахаридных цепей, связанных между собой через определенные интервалы поперечными сшивками из коротких полипептидных цепочек. Полисахаридные цепи состоят из чередующихся моносахаридных остатков N-ацетил-D-глюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты (сложного девятиатомного сахара), соединенных друг с другом ? (1 -4) -связями. К каждому остатку N-ацетилмурамовой кислоты присоединена боковая тетрапептидная цепочка, образованная последовательно соединенными L-аланином, D-глутаминовой кислотой, мезо-диаминопимелиновой кислотой, D-аланином. В результате параллельные полисахаридные цепи сшиваются короткими поперечными полипептидными цепочками, структура которых различна у разных видов бактерий. У гноеродных бактерий Staphylococcus aureus, вызывающих развитие фурункулов и нагноение ран, остатки ацетилмурамовой кислоты в соседних полисахаридных цепях связаны друг с другом пептидными цепочками, состоящими из пяти остатков глицина.

Вся эта скрепленная поперечными связями структура, окружающая клетку, называется муреином или пептидогликаном; второе название подчеркивает гибридную природу данной структуры, представляющей собой сочетание пептидных и полисахаридных элементов. Тянущийся непрерывно вдоль всей поверхности бактериальной клетки пептидогликан можно рассматривать как одну гигантскую мешковидную молекулу, по структуре похожую на сетку. У грамположительных бактерий (дающих окраску по Граму, т. е. при обработке красителем кристаллическим фиолетовым) пептидогликан образует вокруг клетки около 60 концентрических слоев, пронизываемых другими макромолекулярными компонентами, прежде всего тейхоевыми кислотами.

У грамотрицательных бактерий, например у Е. coli, пептидогликановый каркас покрыт богатой липидами внешней оболочкой, содержащей гидрофобные белки. Целостность клеточных стенок имеет жизненно важное значение для защиты, роста и деления бактерий. Действие пенициллина – одного из наиболее ценных антибиотиков, используемых для борьбы с бактериальными инфекциями, основано на том, что он подавляет последний этап ферментативного синтеза пептидогликанов у чувствительных к нему микроорганизмов; это приводит к формированию неполноценных клеточных стенок и подавлению роста бактерий.

Структура клеточных стенок бактерий

Рисунок 28. Структура клеточных стенок бактерий. А – грамположительных; Б – грамотрицательных. В – Структурная формула глицеринтейхоевой кислоты. Содержит чередующиеся остатки D-аланина и N-ацетилглюкозамина

По строению и химическому составу клеточная стенка прокариот резко отличается от таковой эукариотических организмов. В ее состав входят специфические полимерные комплексы, которые не содержатся в других клеточных структурах. Химический состав и строение клеточной стенки постоянны для определенного вида и являются важным диагностическим признаком. В зависимости от строения клеточной стенки прокариоты, относящиеся к эубактериям, делятся на две большие группы (Рисунок 28).

Было обнаружено, что если фиксированные клетки эубактерий обработать сначала кристаллическим фиолетовым, а затем йодом, образуется окрашенный комплекс. При последующей обработке спиртом, в зависимости от строения клеточной стенки, судьба комплекса различна: у так называемых грамположительных видов этот комплекс удерживается клеткой, и последние остаются окрашенными, у грамотрицательных видов, наоборот, окрашенный комплекс вымывается из клеток, и они обесцвечиваются. У некоторых эубактерий положительная реакция при окрашивании описанным выше способом свойственна только клеткам, находящимся в стадии активного роста. Выяснено, что окрашенный комплекс образуется на протопласте, но его удерживание клеткой или вымывание из нее при последующей обработке спиртом определяются особенностями строения клеточной стенки.

Клеточные стенки грамположительных и грамотрицательных эубактерий резко различаются как по химическому составу, так и по ультраструктуре. В состав клеточной стенки эубактерий входят семь различных групп химических веществ, при этом пептидогликан присутствует только в клеточной стенке.

У грамположительных эубактерий он составляет основную массу вещества клеточной стенки (от 40 до 90%), у грамотрицательных – содержание пептидогликана значительно меньше (1—10%). Клеточная стенка цианобактерий, сходная с таковой грамотрицательных эубактерий, содержит от 20 до 50% этого гетерополимера. Под электронным микроскопом клеточная стенка грамположительных эубактерий выглядит как гомогенный электронно-плотный слой, толщина которого колеблется для разных видов от 20 до 80 нм.