Лекция № 8 «Полисахариды. Структура и биологическая роль

Лекция № 8 «Полисахариды. Структура и биологическая роль полисахаридов» Распространенность в природе углеводов очень велика, они составляют примерно 50 процентов всей массы биосферы

Классификация полисахаридов по функциональным свойствам Структурные полисахариды придают механическую прочность клеткам, oрганам и целым организмам. Водорастворимые полисахариды заполняют межклеточное пространство, высоко гидратированы и предохраняют от высыхания клетки и ткани. Резервные полисахариды служат энергетическим ресурсом, из которого по мере необходимости в организм поступают моносахариды, являющиеся клеточным "топливом".

На основе химической структуры полисахариды подразделяют : Гомогликаны- полисахариды, построенные из остатков моноз одного типа Гетерогликаны - построенные из различных моноз. Оба типа полимеров могут быть линейными или разветвленными.

ГОМОГЛИКАНЫ Наиболее широко распространенным резервным полисахаридом растений является крахмал, который представляется наиболее важным углеводным компонентом пищевого рациона. Состоит из двух сополимеров: амилозы и амилопектина, составленых из остатков α-D-глюкопиранозы со связями 1-4 и у амилопектина частично со связями 1-6. Количество остатков глюкозы в амилозе достигает 130 тысяч. :

Вторичная структура амилозы 1 виток спирали – 6 остатков глюкозы. Размер канала – 1 нм С иодом образуется комплекс клатратного типа (гость-хозяин).

. Регулярность вторичной структуры амилозы утрачивается при нагревании выше 60оС. Спираль амилозы раскручивается, макромолекулы переплетаются и образуют трехмерную сеть – коллоидную систему:5% раствор известен как кисель, 10% -клейстер.

АМИЛОПЕКТИН отличается от амилозы большей молекулярной массой и наличием разветвлений в цепи, по местам (1-6). Разветвление – через 20 остатков моносахаридов. Структурными единицами амилопектина являются мальтоза и изомальтоза:

Вторичная структура амилопектина

ГЛИКОГЕН (от греч. glykys-сладкий и греч. -genes-рождающий) представляет собой разветвленный полисахарид, молекулы к-рого построены из остатков α-D-глюкопиранозы со связями 1 -> 4 в линейных участках и 1->6 в разветвлениях через 3-4 остатка глюкозы. Гликоген содержится во всех тканях животных и человека и представляет собой резервное вещество, легко расщепляется до глюкозы. У человека гликоген в наибольшем количестве находится в печени (2-6% от массы) и мышцах (до 2%).

Кристаллические декстрины Шардингера Свойство α-циклодекстрин β-циклодекстрин γ-циклодекстрин Число остатков глюкозы в макроцикле 6 7 8 Молекулярный вес, Да 972,85 1134,99 1297,14 Внешний диаметр тора, Å 13,7 15,3 16,9 Внутренний диаметр полости тора, Å 5,2 6,6 8,4 Высота тора, Å 7,8 7,8 7,8 Объём внутренней полости, ų 174 262 472 Физический объём полости в навеске 1г ЦД, мл 0,1 0,14 0,2 Частичный молярный объём в растворах, мл*моль−1611,4 703,8 801,2 Растворимость в воде при 25 °C, г/100 мл 14,5 1,85 23,2 Температура разложения, °С 278 299 267

Среди гомогликанов растительного происхождения важным полисахаридом является цeллюлoзa, в которой остатки глюкозы связаны в положении β(1→4). Характерной особенностью целлюлозы, является линейная конформация молекул, закрепленная внутримолекулярными водородными связями.

Линейные молекулы целлюлозы взаимодействуют друг с другом межмолекулярно за счет водородных связей, с образованием пучков (микрофибрилл), перевивающихся наподобие веревки. Микрофибриллы, образуют остов растений. древесина содержит от 80% до 90 % от сухой массы целлюлозы, хлопок- чуть менее 100 %.

Гетерогликаны в органах и тканях человека Гетерополисахариды состоят из цепей сложных углеводов, содержащих аминосахара и уроновые кислоты (гликозаминогликаны). 2-N-ацетилглюкозамин

Получение уроновых кислот ─────→ Ферментативное окисление ↔↔ D-глюкоза D-глюкуроновая кислота Циклическая форма D-глюкуроновой кислоты

Водные растворы гликозаминогликанов выполняют роль скрепляющих веществ, входящих в структуру костей, а также связаны с эластином и коллагеном кожи. Их растворы заполняют межклеточное пространствао и удерживают воду, служат смазочным материалом в суставах. Гликозаминогликаны присутствуют не только в свободном виде, но и в составе протеоглика-нов (мукополисахаридов) , в которых углеводная часть присоединена к белковой молекуле. Протеогликаны образуют основное вещество внеклеточного матрикса (каркас клетки).

Гиалуроновая кислота является важным составным элементом хрящей, кожи, костей, стекловидного тела глаза, сухожилий.

За счет сильной гидратация гиалуроновая кислота образует гели, при этом она связывает 10 000-кратный объем воды. Гиалуроновая кислота выполняет функцию стабилизатора геля в стекловидном теле глаза, которое содержит всего 1% гиалуроновой кислоты и 98% воды. Используется в косметологии, применяется для смазки поверхности глаза при явлении «сухого глаза». Гиалуроновая кислота- основной "материал" послеоперационных рубцов. Фермент ГИАЛУРОНИДАЗА растворяет гиалуроновую кислоту в результате расщепления связей в полимерной цепочке – применение в кардиологии.

Структура хондроитинсульфата Хондроитинсульфат составлен из β-D-глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина, у которого в 4 и 6 положении находится остаток серной кислоты.

Хондроитинсульфат (4- или 6-сульфат) содержится в соединительной ткани, в особенности в хрящевой. За счет высокой вязкости хондроитинсульфат препятствует сжатию соединительной ткани и играет роль смазки суставных поверхностей. Используется как препарат для улучшения метаболизма хряща, замедления декструкции и дегенерации хрящевой ткани, оказывает противовоспалительное действие, уменьшает боли, способствует восстановлению суставов после переломов и спортивных травм. Дерматансульфат. В отличие от хондроитин-4-сульфата содержит вместо гиалуроновой идуроновую кислоту.

Кератансульфат впервые был выделен из роговой оболочки глаза быка, отсюда и название этого гликозаминогликана. Не содержит ни глюкуроновой ни идуроновой кислот

По химическому строению гепарин представляет собой высокосульфированный полисахарид , состоящий из последовательно чередующихся остатков 2-амино-2-дезокси α - D – глюкопиранозы и β-D--глюкуроновой кислоты (L-идуроновой кислоты), соединенных связями 1-4..) Строение гепарина

Применение гепарина Гепарин - чрезвычайно важное соединение , это антикоагулянт широкого спектра действия, применяется в постинфарктном периоде, при образовании тромбов в конечностях, при ушибах. Связывает гистамин и серотонин, оказывает гипоаллергенное и обезболивающее действие в очаге воспаления.

ПЕКТИНОВЫЕ ВЕЩЕСТВА присутствуют в незрелых плодах в виде ПРОТОПЕКТИНА, придающего им жесткость. По мере созревания или хранения ПРОТОПЕКТИН разрушается с образованием собственно ПЕКТИНА.

ХИТИН - опорный полисахарид составляющий основу наружного скелета беспозвоночных - линейный полимер N-ацетил-D-глюкозамина с 1 – 4 -связями. С

Структуры углеводов с белками и липидами Углеводы могут соединяться с белками, образуя протеогликаны (содержат до 95% углеводов), мукопротеины (содержат 10-50 % углеводов). При взаимодействии с липидами, образуются гликолипиды (содержат менее 10% углеводов). Разные классы этих веществ имеют различные углеводные остатки.

Схематическое строение протеогликанов Сore - белки NNN N-ацетилированная уроновая кислота

Образование олигосахаридной части N-связанных протеогликанов происходит отдельно от белковой части. Ведущую роль в синтезе олигосахаридов занимает долихол (состоит из 17-22 изопреновых единиц), трижды пронизывает биологическую мембрану. Долихол связывается с 10 остатками углеводов (маннозы, глюкозы, глюкозамина, которые в свою очередь прикрепляются к белку, расположенному на поверхности эндоплазматической сети.

-Протеогликаны (ПГ) являются структурными компонентами внеклеточного матрикса и специфически взаимодействуют с белками. Являясь полианионами они связывают катионы. ПГ обеспечивают тургор различных тканей, влияют на клеточную миграцию, противостоят компрессионным силам (сжатию) в хрящевой ткани, поддерживают прозрачность роговицы, выполняют структурную роль в склере, действуют как антикоагулянты. Участвуют в формировании рецепторов на поверхности клеток, обеспечивают взаимодействие между клетками. ПГ регулируют фильтрацию в клубочках почек, входят в состав синапсов и других везикул клеток.

Кислые мукополисахариды слизистых оболочек играют важную роль в борьбе организма с инфекцией, опухолями, в процессах оплодотворения, роста, регуляции некоторых биохимических реакций. Известно, что животным, у которых высокий процент протеогликанов, невозможно привить опухоль. Например, у акулы и осетра мукополисахариды составляют до 30 % от их веса. Акулий хрящ, хрящи кур, свиные ушки, вываренные суставы животных (холодец) используют в лечебных целях. Синтезу протеогликанов способствуют горечи (горчица, чеснок, хрен, лук), а также горькие травы (тысячелистник, чистотел, полынь). Нейтральные мукополисахариды менее изучены, являются компонентами ряда ферментов и гормонов.

Пептогликаны клеточной стенки у бактерий (не путать с мембраной) – это вещество муреин, защищающее бактерию поверх мембраны. Murus-стенка. Пептогликаны образуют муреиновый мешок, внутри которого находятся вещества, определяющие отношение бактерий к грамположительным и граммотрицательным. Ряд антибиотиков действуют за счет того, что разрушает пептогликаны бактерий или встраиваются в клеточную стенку.

Гликолипиды мембраны эритроцитов являются антигенами А и В, определяющими группу крови. 1 группа – нет антигенов 2 группа – содержит антиген А 3 группа – содержит антиген В 4 группа – содержит антигены А и В Антигены различаются между собой всего лишь одним моносахаридным остатком. У людей с группой крови с антигеном А гликолипид содержит на конце остаток N-ацетилглюкозамина. У людей с группой крови с антигеном В вместо N-ацетилглюклзамина содержится галактоза. Этих отличий достаточно, чтобы белки-антитела могли специфически связываться только с одной из форм. При неправильном переливании крови происходит аглютинация – склеивание эритроцитов, сгустки крови закупоривают сосуды – больной погибает.

Функции глико- и мукопротеинов: 1. Являются структурными компонентами мембраны клетки, коллагеновых, эластиновых и фибриновых волокон, костного матрикса 2. Защитные свойства: муцины выполняют роль смазочного материала, обусловливая уменьшение трения соприкасающихся поверхностей 3. Транспортные молекулы для витаминов, липидов, микроэлементов 4. Иммунная защита: иммуноглобулины, антигены гистосовместимости 5. Гормоны - гликопротеины: тиротропин, хорионический гонадотропин 6. Ферменты глико- и мукопротеиновой природы: гидролазы, нуклеазы, гликозидазы, факторы свертывания 7. Выполняют роль соединительного элемента в межклеточном взаимодействии