Структура полисахаридов

Размещено на http://www.allbest.ru/

11

Структура полисахаридов

Углеводные цепи, построенные по принципу олигосахаридов, можно продолжать почти до бесконечности. Так создаются высокомолекулярные структуры - полисахариды. Вот несколько примеров линейных регулярных полисахаридов (в квадратных скобках - фрагменты, отвечающие так называемым повторяющимся звеньям) (см. с. 27).

Целлюлоза построена из остатков моносахаридов одного типа - из остатков глюкопиранозы. Все гликозидные связи имеют конфигурацию и соединяют гликозидный центр одного остатка с кислородным атомом при С-4 следующего (такие связи сокращенно обозначают 14). Амилоза устроена аналогично, но все гликозидные связи имеют противоположную конфигурацию. В гиалуроновой кислота (одним из наиболее распространенных полисахаридов соединительной ткани) в цепи чередуются остатки двух разных моносахаридов - D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина - со связями 13 и 14 соответственно. В агарозе, главном гелеобразующем компоненте агара, также чередуются остатки двух моносахаридов: D-галактопиранозы и 3,6-ангидро-L-галактопиранозы.

Все четыре рассмотренных полисахарида имеют неразветвленную углеродную цепь и называются в связи с этим неразветвленными, или линейными. Замечательная особенность их структур - высокая регулярность. Это значит, что один сравнительно небольшой фрагмент структуры.

Понятие повторяющегося звена, даже для таких простейших структур, как целлюлоза, амилоза, гиалуроновая кислота или агароза, не так примитивно, как может показаться на первый взгляд. Можно, конечно, отнестись к нему просто как к удобной форме сжатой записи, отражающей основные черты ковалентной структуры цепи, так:

Подобная запись не только описывает структуру, но и является прямым выводом из результатов химического анализа этих структур. Например, можно осуществить такое расщепление гиалуроновой кислоты и агарозы, при котором практически единственными продуктами будут дисахариды 33 и 34 - гиалобиоуроновая кислота и агаробиоза соответственно, из чего следует, что именно они являются «мономерами», из которых построены эти полимеры.

Более глубокий анализ структур этих полисахаридов может, однако, привести к другим выводам.

Для целлюлозы и амилозы хорошо известна характерная конформация цепей, т.е. то, как макромолекула организована в пространстве. Для целлюлозы это прямой стержень, в котором каждое следующее звено повернуто на 180 по отношению к предыдущему, как показано в формуле 35.

Такая структура действительно строго регулярна и периодична, т.е. сдвиг определенного участка цепи вдоль ее оси приводит к точному наложению на следующий участок - подобно тому, как это имеет место в кристалле. В этом смысле молекула целлюлозы - одномерный кристалл. Из формулы 35 легко видеть, что такой минимальный участок (шаг цепи) - это не моносахаридный, а дисахаридный остаток. Поэтому с точки зрения конформации цепи повторяющимся звеном в целлюлозе является не остаток глюкозы, а остаток дисахарида целлобиозы.

С амилозой дело обстоит сложнее. Ее молекула - спираль, на одном витке которой помещается точно шесть остатков глюкозы. Как любая правильная спираль, эта система повторяет сама себя, если ее сдвинуть вдоль оси на длину одного витка. В этом смысле повторяющееся звено амилозы представляет собой отрезок цепи из шести моносахаридных остатков, т.е. остаток гексасахарида мальтогексаозы.

Применительно к гиалуроновой кислоте и агарозе дисахаридные фрагменты также не отражают строения конформационных повторяющихся звеньев этих полисахаридов. Однако на этом примере нам хотелось бы указать еще один аспект понятия повторяющегося звена. Дисахариды 33 и 34, как уже говорилось, являются продуктами частичного расщепления цепей химическими методами. Поэтому естественно приписать этим полисахаридам структуру из повторяющихся звеньев именно этих дисахаридов. Поскольку к такой структуре

приводит логика химического исследования, соответствующий фрагмент принято называть «химическим» повторяющимся звеном.

Точно такую же цепь можно, однако, построить иначе, взяв за основу структуру изомерных дисахаридов 36 и 37 (они получаются при сдвиге вдоль цепи не на два, а на одно моносахаридное звено)

Многие полисахариды синтезируются клеткой по такой схеме: сначала происходит синтез олигосахарида, а затем его поликонденсация, сшивание в длинные цепи. Такой олигосахарид в биологическом смысле, т.е. с точки зрения путей биосинтеза этого полисахарида, и является истинным мономером полисахаридной цепи. Поэтому такой фрагмент называют «биологическим» повторяющимся звеном. И оно совсем необязательно совпадает с химическим повторяющимся звеном.

Можно, наконец, рассмотреть и еще один - также биологический - аспект понятия о повторяющемся звене, связанный с взаимодействием готовой полисахаридной цепи с другими макромолекулами в живых системах. Речь в данном случае идет о том, каков минимальный фрагмент цепи, воспринимаемый другими молекулами или системами (назовем их рецепторами) как характерный признак данного полисахарида. Сюда относится широкий круг феноменов, таких, как иммунные реакции организма, сортировка макромолекул в клетке и в организме, преодоление клеточных барьеров, метаболизм полисахаридов и т.д.

Рассмотрим лишь один наиболее простой пример: ферментативный гидролиз полисахаридов. Распространенный фермент животных организмов (лизоцим) специфически расщепляет гликозидные связи 14-связанных остатков N-ацетил-D-глюкозамина в полисахаридных цепях. В частности, он легко катализирует гидролиз полисахаридных цепей хитина:

Для того, чтобы фермент мог нормально работать, его рецептору нужно одновременно «чувствовать» участок цепи из шести остатков глюкозамина: тогда он способен выполнять свою функцию - расщеплять четвертую гликозидную связь в этой последовательности. Если же регулярная цепь содержит меньше, чем шесть остатков, или они связаны иначе, чем в хитине, фермент не работает. Таким образом, «с точки зрения лизоцима», повторяющееся звено в хитине - гексасахаридный фрагмент.

Полисахариды, о которых мы говорили выше, относятся к числу простейших полисахаридных структур. Даже неразветвленные полисахариды, построенные из остатков моносахарида одного типа, могут иметь гораздо более сложное строение. Так, например, глюкан овса содержит сопоставимые количества остатков D-глюкопиранозы, связанных 13- и 14-связями. При этом, в отличие, например, от агарозы или гиалуроновой кислоты, эти связи не чередуются правильным образом и не образуют сколько-нибудь значительных блоков из однотипных связей. Поэтому чередование двух типов связей в полисахаридной цепи приходится в данном случае характеризовать как хаотическое. Этим утверждением можно было бы и ограничиться. Мы, однако, пока не знаем, является ли хаотичность истинной или кажущейся. В самом деле, здесь может быть (хотя отнюдь не обязательно должна быть) упорядоченность высшего порядка, которую мы пока не в состоянии уловить при помощи существующих (относительно грубых) методов исследования. Это можно пояснить, прибегнув к такой аналогии.

Статистический анализ страницы текста показал бы более или менее случайное распределение в нем всех букв алфавита, не обнаружил бы ни правильного чередования (например, каждая пятая буква - «а»), ни блочного строения (нет более или менее длинных последовательностей одинаковых букв). Между тем буквы в тексте высоко организованы по крайней мере на трех уровнях: они сгруппированы в осмысленные слова, слова объединены в грамматически правильные фразы, а последовательность фраз логически организована в информативный текст.

Таким образом, мы видим уже два принципа построения полисахаридных цепей: правильное чередование (регулярность) и хаотическое расположение фрагментов (снова подчеркнем: хаотическое с точки зрения сегодняшних знаний). Возможен, кроме того, и блочный принцип. Так, например, устроена альгиновая кислота - полисахарид бурых водорослей (кстати, имеющий большое практическое значение как гелеобразователь). В ее линейную цепь входят остатки D-маннуроновой кислоты (38) и L-гулуроновой кислоты, соединенные 14-связями.

Структурный анализ этого полисахарида показывает, что в его цепи имеются участки трех типов: более или менее длинные последовательности из мономеров одного типа, аналогичные последовательности мономеров второго типа, и участки, где остатки маннуроновой и гулуроновой кислот чередуются более или менее хаотически.

Наконец, сравнительно недавно было установлено, что некоторые полисахаридные цепи могут быть одновременно и нерегулярными, и регулярными, не нарушая при этом незыблемый принцип логики - закон исключительного третьего.

Возьмем один из полисахаридов красных водорослей - порфиран. Он построен из чередующихся остатков D- и L-галактопиранозы (и в этом смысле подобен агарозе). Однако часть остатков D-галактозы превращена в метиловый эфир (по положению 6), а остатки L-галактозы входят в полисахарид частично в виде эфиров серной кислоты по положению 6, а частично в виде 3,6-ангидропроизводного, как в агарозе. Вариации каждого типа остатков распределены вдоль цепи хаотически, поэтому в целом цепь весьма нерегулярна. Однако, если порфиран обработать щелочью, то в остатках галактозы, этерифицированных серной кислотой, происходит замыкание 3,6-ангидроциклов. В результате все остатки L-галактозы становятся одинаковыми: нерегулярность по этим остаткам исчезает.

Дальше можно все гидроксильные группы полисахарида превратить в метиловые эфиры (это делается при помощи метилирования - весьма важной в химии полисахаридов реакции, к рассмотрению которой мы еще вернемся). При этом унифицируется структура всех остатков D-галактозы. Получается производное полисахарида, содержащее совершенно правильное чередование метилированных остатков D-галактопиранозы и 3,6-ангидро-L-галактопиранозы (полисахарид становится регулярным).

Весьма важно, что метилирование заведомо регулярного полисахарида (агарозы) приводит к точно такому же (идентичному) метиловому эфиру, который получается описанным путем из порфирана (см. схему, с.34).

Такая «регулярность-нерегулярность» была обнаружена английским ученым Рисом и названа им «замаскированной регулярностью» или «замаскированной повторяющейся структурой». В последнее время накапливается ряд данных, указывающих на то, что такая замаскированная регулярность - довольно распространенный принцип построения многих линейных полисахаридных цепей. Суть этого принципа не сводится только к тому, что нерегулярности могут быть (фактически или только в принципе) устранены с помощью той или иной обработки. Дело здесь значительно глубже. Можно полагать, что многие типы полисахаридов имеют достаточно регулярный скелет цепи, в которой некоторые звенья варьируют по типу или (и) конфигурации отдельных заместителей, что сравнительно мало отражается на геометрии макромолекулы в целом. А иногда, наоборот, такие вариации вносят в регулярную структуру определенные, биологически осмысленные нарушения, вызывающие, например, изломы в правильных спиралях. Подробнее об этом мы расскажем ниже.

До сих пор мы рассматривали только линейные полисахариды и видели, что даже для простейших биополимеров этого класса, построенных из остатков одного-двух моносахаридов, возможны весьма значительные вариации типов структур, не говоря уже о бесчисленных вариациях конкретных структур внутри каждого типа. Системы, однако, резко усложняются, а возможности вариаций практически безгранично возрастают, если мы еще учтем существование разветвлений. Геометрия разветвленных полисахаридов может быть схематически типизирована следующим образом.

Простейшие разветвленные системы содержат одну длинную линейную цепь, к которой присоединены разветвления в виде одиночных моносахаридных остатков или в крайнем случае в виде коротких олигосахаридов. Так устроен, например, ксилан, выделенный из березы. К регулярной цепи из 14-связанных остатков D-ксилопиранозы присоединены единичные остатки 4-О-метил-D-глюкуроновой кислоты, в среднем один на каждые десять ксилозных звеньев. Такие системы иногда называют «гребнеобразными полисахаридами».

полисахарид конформация гидролиз

Следующий шаг на пути усложнения структур - полимерный характер боковых цепей, т.е. случай, когда боковые цепи сами являются остатками более или менее высокомолекулярных полисахаридов. Простейшим примером может служить один из полисахаридов бурых водорослей - так называемый растворимый ламинарин. Его главная цепь построена из 13-связанных остатков D-глюкопиранозы, некоторые из которых несут разветвления в положении 6, а сами разветвления представляют собой тоже регулярные полисахаридные цепи, структурно вполне аналогичные главной. Такую молекулу уже трудно изобразить на бумаге достаточно подробно. Поэтому мы здесь прибегнем лишь к схематичному изображению, в котором полисахаридные цепи символизируются стрелками:

Боковые полисахаридные цепи, в свою очередь, могут быть разветвлены, а полисахариды, присоединенные к этим боковым цепям, также могут нести разветвления и т.д. Так строятся древовидные структуры высокоразветвленных полисахаридов.

Для иллюстрации рассмотрим строение одного из простейших представителей такого класса - амилопектина, который вместе с амилазой составляет крахмал. Аналогично амилопектину устроен животный крахмал (гликоген). Все цепи этих полисахаридов - и основная, и боковые, и разветвления в разветвлениях и т.д. построены однотипно и состоят из 14-связанных остатков D-глюкопиранозы. Все узлы разветвлений - точки ветвления - построены так же единообразно: боковые цепи присоединены к другой цепи гликозидной связью в положение 6 остатка глюкозы (см. схему, с.37).

И, наконец, последний структурный тип полисахаридов можно было бы назвать ультраразветвленным. Так устроен галактан одного из видов улиток. К остатку галактозы присоединено два галактозных остатка в положениях 3 и 6. Каждый из этих остатков, в свою очередь, несет по два других галактозных остатка, также присоединенных в положения 3 и 6, к которым аналогичным образом присоединены еще по два галактозных остатка, и т.д. Таким образом весь полисахарид (а он весьма высокомолекулярен) состоит из сплошных разветвлений.

Каждый моносахаридный остаток, за исключением концевых, является узлом ветвления, а понятие главной цепи теряет смысл (так как любую из большого числа цепей, которые можно выделить в структуре такого полисахарида, можно формально считать главной).

Строение такого галактана представлено на схеме (кружок со стрелкой символизирует остаток галактопиранозы, а его острый конец - гликозидный центр).

Следует сказать, что между четырьмя названными крайними типами может существовать бесчисленное множество промежуточных структур, что структуры узлов ветвления и полисахаридных цепей внутри одной полисахаридной молекулы вовсе не обязательно одинаковы и что полисахаридные молекулы могут быть построены не из одного, а из двух, трех, четырех, пяти, шести, семи и даже восьми типов моносахаридов. (Подчеркнем, что мы разбираем не просто теоретические возможности, а структурные особенности, встречающиеся в реальных полисахаридах). Все это создает гигантские, истинно неисчерпаемые возможности вариаций полисахаридных структур и их пространственной организации, далеко превосходящие возможное разнообразие структур каких-либо других типов макромолекул живых систем (что можно показать строго математически). А мы еще ничего не сказали о структурных вариациях внутри каждого конкретного полисахарида.

Размещено на Allbest.ru