И диагностическая роль глюкозы

13.1. Вводные замечания. Известно, что к углеводам относят полигидроксикарбонильные соединения c их производными. Иначе говоря, это альдегиды и кетоны многоатомных спиртов = полиолов, названия которых тривиальны, а групповой признак – окончание «оза». Они входят в состав всех надцарств биоты, но, если у прокариот и животных доля у глеводов составляет порядка 2 %, то у растений она может достигать свыше 80 % сухой биомассы. То есть, углеводы – самый обширный и доступный класс биомолекул Земли, доля которых в пищевом рационе консументов составляет 70 – 90 %.

Мед, крахмал, тростник, хлопок, лен, древесина и т.д., издавна служат ряду животных и людям не только пищей, но и строительным = пластическим материалом, а частью и топливом. Широко применяя углеводы в медицине, целлюлозно-бумажной, текстильной, пищевой и химической промышленности, люди выделили эти биомолекулыв чистом виде свыше 200 лет назад. Раньше других веществ «сахара» стали сбраживать и гидролизовать, но, брутто-формулы их элементного состава С_n(H₂O)_n, к сожалению, дали тоже неточный термин «углеводы», через который уже полвека пробивается предпочтительное «глициды». Их структура, стереохимия и свойства рассмотрены в курсе органической химии и, повторно, в занятиях 4, 5 и 9. Поэтому ограничимся схемой (рис. 13.1) и, по возможности кратким комментарием.

Рис. 13.1. Схема классификации глицидов

Подкласс моноз и их производных образуют негидролизуемые глициды. По определению, в них не бывает меньше 3 С, поэтому простейшие из них – триозы: глицеральдегид и его изомер дигидро-ксиацетон. Для различия изомеров, суффикс «ул» применяют чаще приставки «кето». Например, рибоза и рибулоза. Для упрощенной записи их структуры предложены трехбуквенные символы (табл. 13.1). Т.к. молекулы моноз высокополярны но электронейтральны, ясно, что химические модификации их структуры влекут и соответствующие изменения свойств. Наконец, оптимальные сочетания энергоемкости и стабильности циклических форм пентоз и гексоз, сделали эти монозы самыми распространенными в биосфере.

Таблица 13.1

Символы записи важнейших моноз и их производных

(по Д. Г. Кнорре и С. Д. Мызиной, 1992, с изменениями)

Глюкоза, как первичный продукт фотосинтеза, служит своеобразным мостом между окружающей средой и биоорганикой. Прежде всего, она мономер и структурная основа всех прочих глицидов. С другой стороны, легкость еебиологического окисления, как в анаэробных, так и аэробных условиях, обеспечивает все клетки не только необходимыми межуточными метаболитами, но и позволяет аккумулировать химическую энергию в виде взаимоконвертируемых трансмембранных потенциалов и макроэргических соединений, из которых наиболее известна АТФ. Последняя прямо используется в реакциях биосинтезов или преобразуется, либо в векторный транспорт веществ через биомембраны, либо в механическую работу. Понятно, что и в этих случаях, гидролиз любых ма-кроэргов неизбежно сопровождается выделением тепла.

Большинство пентоз и гексоз, возникающих из Glc, служит мономерами в реакциях биосинтеза нуклеотидов и множества олиго- и полиоз. Все они (рис. 13.1) возникают путем конденсации полуацетальной гидроксигруппы при С 1с любым гидроксилом другой монозы, по принципу «одна связь – один Е». Такую связь называют О-гликозидной, а соответствующие продукты – гликозидами.

Структура и свойства самых распространенных водорастворимых дисахаров (табл. 13.2) выявляют разницу между их нередуцирующими и редуцирующими формами. Так, трегалоза и сахароза не имеют полуацетальных гидроксилов, а мальтоза и лактоза сохраняют их на восстанавливающем конце. Соответственно, 2 первых не дают реакций, свойственных оксогруппам, тогда как прочие, как и монозы, способны к мутаротации, образованию озазонов, реакциям окисления, восстановления и поликонденсации.

При сравнительной оценке степени сладости сахаров, за эталон = 1,0 принята сахароза. У фруктозы она соответствует ~1,25; у глюкозы – 0,7; мальтозы – 0,6 и лактозы – 0,25.

Таблица 13.2

Состав и структура распространенных дисахаров

Лактоза и более сложные, аминосодержащие формы олигоз молока играют важную роль в формировании кишечной микрофлоры новорожденных млекопитающих. Способствуя развитию в ЖКТ культуры Lactobacillus bifidus и, соответственно распадаясь до смеси молочной и уксусной кислот, они препятствуют размножению патогенных бактерий, типа тифозных. Поэтому стоит отметить, что на 1 л женского молока приходится 70 г лактозы и 3 г аминоолигоз, тогда как в коровьем молоке, последних в 100 раз меньше.

Олигозы гликопротеинов и гликолипидов обычно уступают в размерах и массе своим молекулам-носителям. Они гетерогенны по составу и сильно ветвятся. Наличие ковалентных N- или О-гли-козидных связей позволяет объединять их термином гликоконъюга-ты. Как правило, конъюгация модифицирует свойства носителей, улучшая их растворимость в воде и меняя другие физико-хими-ческие параметры, например, повышая вязкость слизей = муцинов или играя роль антифризов у антарктических рыб. Другие примеры этой функции: большинство белков плазмы крови; гликокаликс внешних поверхностей клеток и конъюгаты гидрофобных молекул билирубина, стероидов и ксенобиотиков. Ряд гликоконъюгатов, из которых наиболее известен стрептомицин, служит антибиотиками. Наконец, гликоконъюгаты участвуют в системах клеточного узнавания и адгезии, играя роль антигенных детерминант в процессах гистогенеза и реакций иммунитета.

Полиозы = гликаны возникают при поликонденсации моноз и составляют основу глицидов растительной биомассы. От белков и нуклеиновых кислот они отличаются тем, что, включая до 10⁵ мономеров, могут быть как гомо-, так и гетерополимерами линейной или разветвленной структуры. Разнообразие их строения и свойств привело к функциональному делению на запасные = резервные и структурные гликаны. Т.к. с этими вопросами знакомят еще в школе, а подробно разбирают в курсе физиологии растений, таблица 13.3 суммирует лишь структуру внутриклеточных запасных гомогликанов.

Таблица 13.3

Характеристика запасных гомогликанов α-D-глюкопиранозы

Структурные гомо- и гетерогликаны клеточных стенок = оболочек клеток бактерий, грибов, растений и экзоскелета членистоногих, ракообразных и насекомых, обычно делят на основные, т.н. «арматурные» и вспомогательные, «цементирующие» арматуру в единое целое с клеткой или организмом и, сильно зависящие от видовой принадлежности. Поэтому в таблицу 13.4 вошли лишь линейные «арматурные» гомогликаны с высокой (1-2 тыс. мономеров) степенью полимеризации. Самый распространенный из них – целлюлоза, составляющая половину сухой массы древесины и почти 100 % хлопковой ваты. Установлено, что в ее микрофибриллы входит до 40 смежных цепей, закрепленных при помощи множества Н-связей. Сочетаясь со вспомогательными гликанами клеточных стенок (гемицеллюлозы, лигнины, пектины, ксиланы, камеди и др.), антипараллельные слои микрофибрилл образуют пучки растительных волокон, различимых невооруженным глазом. Это и создает уникальную механическую прочность, позволяющую существовать деревьям гигантского размера. По имеющимся оценкам, за год на Земле воспроизводится порядка 10¹¹ тонн целлюлозы.

Таблица 13.4

Характеристика основных гомогликанов клеточных стенок

Аналогично целлюлозе, повсеместно распространен хитин беспозвоночных и грибов, тоже формирующий многослойные волокнистые структуры. Однако в нем цепи гомогликана послойно чередуются с белками, фиксируясь ковалентными сшивками. Пока, это затрудняет даже определение его молекулярной массы. Фундаментальные различия в организации клеточных стенок бактерий, которые рассматривают в курсе микробиологии, свидетельствуют, что комбинации гликанов с белками и пептидами позволяют формировать гораздо большее разнообразие структур, чем сочетания разных гликанов, характерные для высших растений.

В отличие от гликопротеинов, протеогликанами называют сугубо межклеточные комплексы = агрегаты, лучшей моделью которых служит бедный клеточными элементами матрикс соединительной ткани позвоночных животных. Доля белка в протеогликанах обычно составляет лишь 5-15 % сухой массы. Другой отличительный признак – преобладание одного или нескольких линейных гетерогликанов с кислыми свойствами (табл. 13.5). Они и обусловили устаревший термин кислые мукополисахариды, замененный более адекватным г ликозаминогликаны = ГАГ.

Таблица 13.5

Характеристика гликозаминогликанов межклеточного вещества

позвоночных животных

* Данные ориентировочны, т.к. порядок величин зависит от объекта, типа ткани и метода выделения препарата.

** Водорастворимый компонент плазмы.

Из таблицы 13.5 видно, что при разном составе мономеров – производных гексоз и различиях способов и степени полимеризации, линейные молекулы ГАГ всех типов состоят из монотонно чередующихся димеров. Как правило, первый в нем – остаток уроновой кислоты, придающий димеру кислые свойства. Очевидно, что наименьшей кислотностью обладают молекулы гиалуроновой кислоты и кератансульфата, т.к. в остальных случаях, в отличие от хитина, второй, а то и первый член димера снабжен разным числом остатков серной кислоты, повышающих плотность отрицательных зарядов и кислые свойства ГАГ.

Единственный из ГАГ, способный существовать в водных растворах в почти чистом виде – гиалуроновая кислота стекловидного тела глаза и синовиальной жидкости сухожилий и суставов. Понятно, что отрицательные заряды GlcUA, равномерно распределенные по длине полимера, вынуждают его молекулы к растянутым конформациям. С другой стороны, циклические формымономеров, помноженные на степень их полимеризации и сильную гидратацию, позволяют молекулам гиалуроната занимать довольно большие объемы пространства. Наконец, склонность к адгезии и высокая вязкость раствора, делают его почти идеальным заполнителем межклеточных пространств гелеподобного матрикса.

Также, длинные и растянутые молекулы гиалуроната служат центром = организатором протеогликановых агрегатов (рис. 13.2). Сорбируя по длине своей молекулы (1) глобулы т.н. связывающих белков (2), он допускает присоединение к ним почти под прямыми углами, фибриллярных = коровых или сердцевинных белков (3), массой ~ 40-60 кДа и длиной ~100-400 нм. К ним и прикрепляются

линейные молекулы ГАГ прочих типов (4), подобно «ершу» для мытья посуды. Такая организация межклеточного вещества позвоночных животных позволяет создавать гигантские протеогликановые агрегаты с массой более 2500-3500 кДа. Вариации их состава и размеров, разное число и степень агрегации коллагеновых и эластиновых волокон, как и набор и кооперация клеток, обеспечивают различную степень упорядоченности, механические свойства и функции тканей.

Рис. 13.2. Схема строения протеогликановых агрегатов

(По http://vetfac.nsau.edu.ru/new/uchebnic/histology/r4/t10.html)

Дата добавления: 2014-12-27