Углеводы. Резервные полисахариды

Лекция 8.

Вопрос 3: Виды трудовых правоотношений.

В соответствии со ст. 1 Трудового Кодекса различают следующие виды правоотношений сферы трудового права:

1) правоотношения по обеспечению занятости и трудоустройству гражданина у данного работодателя;

2) правоотношения работника с работодателем, т.е. трудовое правоотношение;

3) правоотношения трудового коллектива, его представителей с работодателем, его администрацией по организации труда и управлению трудом;

4) правоотношения социально-партнерские по ведению коллективных договоров и заключению коллективных договоров, соглашений на федеральном, отраслевом, региональном (субъекты Федерации), территориальном и профессиональном уровне;

5) правоотношения по профессиональной подготовке, переподготовке кадров на производстве, в том числе ученические и по повышению квалификации непосредственно у данного работодателя;

6) правоотношения по надзору и контролю над соблюдением трудового законодательства, правил охраны труда;

7) правоотношения по участию работников и профсоюзов в установлении условий труда и применении норм трудового законодательства в предусмотренных законом случаях;

8) правоотношения по материальной ответственности сторон трудового отношения за вред, причиненный друг другу;

9) правоотношения процессуальные и процедурные по разрешению индивидуальных и коллективных трудовых споров, включая объявление забастовки.

Каждый из указанных видов правоотношений имеет свои разновидности.

Мы подходим к рассмотрению следующего вида биополимеров. Это полисахариды – наименее изученная, но отнюдь не наименее важная группа биополимеров. Если мономерным звеном белков являются аминокислоты, то мономерными звеньями полисахаридов, как можно заключить уже из их названия, являются сахара и их производные. В чем особенности полисахаридов, их сходства и различия по отношению к другим биополимерам? Если белки и нуклеиновые кислоты это гетерополимеры, что является их необходимым свойством, так как они служат носителями информации, то полисахариды в большинстве своем оказываются гомополимерами. Мономерным звеном в этом случае может быть либо один сахар, либо дисахарид, т.е. полимерная цепочка состоит либо из одинаковых звеньев, либо из двух чередующихся сахаров. Если белки и нуклеиновые кислоты всегда линейны, то среди полисахаридов встречаются и разветвленные полимеры. Эти особенности полисахаридов связаны с их функцией. Так каковы же функции полисахаридов? Они весьма разнообразны. Это, во-первых, функции запасания углеводов (резервные полисахариды), во-вторых, строительные функции (структурные полисахариды), в третьих, полисахариды могут выполнять функцию антигенных детерминант.

Обратимся теперь к химии, чтобы понять, как устроены мономерные звенья, и что из этого вытекает.

Итак, углеводы. Почему они так называются? Название вытекает из общей химической формулы: (CH₂O)_n. Здесь n>=3. Сама общая химическая формула однозначным образом не определяет структуру вещества. Давайте рассмотрим пример. Пусть n=3, глицеральдегид и дигидроксиацетон. Глицеральдегид содержит альдегидную группу, а дигидроксиацетон – кетогруппу. Эти соединения являются родоначальниками соответствующих рядов соединений: это ряд альдоз и ряд кетоз. В зависимости от величины n, а это может быть 4,5,6, и даже 7, получаются альдотетрозы и кетотетрозы, альдо- и кетопентозы, альдо- и кетогексозы и альдо- и кетогептозы.

Нам из всего этого многообразия понадобятся в основном гексозы и пентозы. Пожалуй, самый известный углевод – глюкоза относится к альдогексозам. Еще один известный сахар – фруктоза, изомер глюкозы, относится к кетогексозам. Давайте посмотрим, как они устроены.

Вспомним про хиральность биологических молекул. Есть ли в глюкозе центр хиральности? Да, даже несколько, это асимметричные атомы углерода, т.е. атомы С, имеющие химические связи с 4 различными заместителями. Для простоты рассмотрим сначала глицеральдегид, содержащий один асимметричный атом С. Глицеральдегид может существовать в двух формах, обозначаемых L и D, являющихся зеркальным отражением и стереоизомерами друг друга. Такие изомеры называют эпимерами. Для чего нужны разные названия L-глицеральдегид и D-глицеральдегид, если это, казалось бы, почти одно и то же? Несмотря на всё химическое сходство, физически это абсолютно разные молекулы, поскольку их нельзя совместить никакими перемещениями и поворотами. Как можно физически ощутить различия между этими молекулами? Например, они будут вращать плоскость поляризации падающего света в противоположные стороны.

Если молекула содержит n асимметричных атомов C, возможно существование 2ⁿ эпимеров. Принадлежность углевода к L или D ряду определяют по конфигурации относительно атома С, наиболее удаленного от альдегидной или кетогруппы. Оптические изомеры относительно других атомов будут иметь различные названия, например, в случае гексоз это глюкоза, галактоза, манноза и т.д. У глюкозы 4 асимметричных атома, итого возможно 2⁴ =16 изомеров. Они принадлежат к L и D рядам, в каждом из которых будет по 8 изомеров, имеющих разные названия. Итак, рисуя формулу данного углевода, надо помнить ориентацию ОН-групп относительно углеродного скелета. Подобно тому, как почти все аминокислоты в составе белков принадлежат к L ряду, почти все сахара в составе полисахаридов относятся к D ряду. Молекулы сахаров L и D рядов являются зеркальным отражением друг друга.

В растворах углеводы, (начиная от пентоз), в результате реакции между альдегидной (или кето-) и спиртовой группами принимают циклическую конфигурацию. При образовании циклической конфигурации появляется еще одна «степень свободы» для изомеризации: при замыкании кольца возможны две конфигурации, их называют альфа и бета. В растворе обе формы сосуществуют в динамическом равновесии, каждая молекула постоянно переходит из одной формы в другую. В результате образуется равновесная смесь обоих форм. Растворы альфа-D глюкозы и бета-D глюкозы отличаются удельным углом оптического вращения. Раствор одной чистой формы со временем превратится в равновесную смесь.

Давайте посмотрим на другие стереоизомеры глюкозы, которые нам понадобятся в дальнейшем рассмотрении. Манноза и галактоза – стереоизомеры глюкозы относительно 2-го и 4-го атомов С.

Связи между сахарами. Между молекулами сахаров могут образовываться ковалентные связи в результате реакций конденсации (между ОН-группами). В результате образуются дисахариды. Мальтоза состоит из двух молекул D-глюкозы, соединенных связью между ОН-группой 1 атома С и ОН-группой 4 атома другой, ее называют альфа1-4 связью. Лактоза (молочный сахар, встречающийся только в молоке) состоит из D-галактозы и D-глюкозы, соединенных бета-1-4 связью. Для чего нужны такие обозначения связей? Потому что в принципе есть очень много возможностей соединять моносахариды в дисахара, и полимеры. За счет этого (типа соединения) и достигается многообразие полисахаридов в природе. Если сравнить хотя бы эти два дисахарида – мальтозу и лактозу, отличающиеся всего на всего типом связи (альфа и бета), можно отметить массу различий. Мальтоза – обычный сахар, сладкий на вкус. В слюне содержится фермент, (амилаза), расщепляющий альфа1-4 связь. Расщепить дисахарид на моносахара – необходимое условие для их усвоения организмом. С лактозой дело обстоит иначе. Амилаза его расщепить не может, строгого стерического соответствия не будет, «ключ к замку не подойдет». Для каждого типа связи нужен свой фермент. Лактозу может расщепить лактаза. Однако его в слюне нет. Лактаза находится только в тонком кишечнике, а именно на поверхности эпителия кишечника. Если активность фермента падает, или он вообще отсутствует, или утрачивается, с возрастом, как это происходит у людей многих рас, лактоза не расщепляется и попадает в толстый кишечник. Там ее расщепляют бактерии, однако, продукты этого процесса оказываются токсичными. Возникает лактозная непереносимость, такие люди не могут пить молоко, оно вызывает расстройство пищеварительного тракта. Для расщепления лактозы и утилизации глюкозы и галактозы фермент лактазу в большом количестве выделяют молочно-кислые бактерии. Как происходит скисание молока и получение творога? Молоко скисает благодаря бактериям. Сначала они расщепляют лактозу на моносахара. Потом осуществляют молочнокислое брожение, сложную цепь биохимических реакций, конечным продуктом которой оказывается молочная кислота. рН среды понижается, молоко приобретает кислый вкус. В зависимости от культуры, используемой для сбраживания, получаются различные молочнокислые продукты. Если начать их нагревать, рН еще понизится. В таком низком рН молочные белки казеины начнут денатурировать, агрегировать, получается творог.

Еще один известный сахар – фруктоза, его получают из сахарного тростника. Сахароза образована из глюкозы и фруктозы.

Познакомившись с принципами связи между моносахаридами, мы можем перейти к рассмотрению полимеров. Если цепочка содержит 10-12 звеньев, она называется олигосахаридом, если 20 и более – полисахаридом. Мы постараемся проследить связь между структурой полисахаридов и их функцией, и будем классифицировать их по функции.

Начнём с резервных полисахаридов. Их функция – запасать органическое «топливо» в виде сахаров. Для чего это нужно? Чтобы запасти много глюкозы, придется сделать концентрированный раствор, а это очень большая осмотическая нагрузка на клетку.

Крахмал (амилоза) – полимер D-глюкозы, существует в двух формах – линейной и разветвленной. Крахмал – форма запасания сахаров у растений. Крахмал в большом количестве содержится в клубнях картофеля и в кукурузе, его также много в зернах пшеницы. Линейная форма (альфа-амилоза) – полимер глюкозы, соединенный альфа1-4 связями. Как различаются концы полисахаридной цепи и идентичны ли они? Концы полисахаридов называют редуцирующим и нередуцирующим. Редуцирующий конец содержит свободную группу, которая может иметь альфа или бета конформацию, терять ее и давать альдегидную группу. Название «редуцирующий» этот конец получил потому, что альдегидная группа обладает восстановительными (редуцирующими) свойствами. Редуцирующего конца у полисахаридной молекулы может и вовсе не быть, например, если там оказывается фруктоза (а у нее нет альдегидной группы), или другой сахарид, ковалентно связанный с белком. Давайте посмотрим на пространственную организацию крахмала.

Альфа-амилоза в воде принимает конформацию спирали и образует гидратированные мицеллы. При добавлении йода, суспензия окрашивается в синий цвет. Молекулярный вес амилозы – от нескольких тысяч до 500000.

Амилопектин (разветвленная форма крахмала) также состоит из Glc-альфа-1-4. В точках ветвления присутствуют связи альфа-1-6. Получаются огромные молекулы, имеющие всего один редуцирующий конец и множество нередуцирующих. Длина ветвей около 30 звеньев. Молекулярный вес амилопектина достигает 1 млн. В растворе йода амилопектин дает красно-фиолетовую окраску. В клетках амилопектин образует гранулы. Как они организованы? Чем дальше от редуцирующего конца, тем больше сечение молекулы. Редуцирующие концы расположены в центре гранулы, а нередуцирующие обращены к периферии. В электронный микроскоп в составе гранул можно различить концентрические окружности на расстоянии около 6 микрон друг от друга. Чередование полос отражает наличие кристаллических и аморфных участков. Кристаллические участки образуются в результате укладки соседних цепей, которые закручиваются в спираль друг около друга. В аморфных областях много точек ветвления и кристаллическая упаковка не возможна.

Гликоген – резервный полисахарид животных. По своему строению он похож на амилопектин (те же связи между мономерами глюкозы, тот же тип ветвления), и отличается от амилопектина гораздо большей степенью разветвленности. Длина ветвей гликогена примерно 13. Поэтому в гранулах гликогена нет кристаллических областей. В центре глобулы находится «затравка», белок гликогенин, с которым связан редуцирующий конец гликогена. Гликоген в большом количестве содержится в клетках печени и мышцах. Гранулы крахмала у растений хранятся в хлоропластах, гликогеновые гранулы гораздо меньше.

Декстраны – еще один тип резервных полисахаридов, синтезируемых бактериями и дрожжами. Основные цепи построены из глюкозы, соединенной альфа-1-6 связями. Боковые цепи присоединены связями альфа-1-2, 1-3, 1-4.

Некоторые растения помимо крахмала или вместо него синтезируют дополнительные резервные полисахариды. Один из таких резервных полисахаридов – инулин, встречающийся в артишоках, бананах, луке, чесноке, спарже, цикории. Это полимер D-фруктозы, мономеры которой соединены бета-2-1 связями. Обычно молекула состоит из 35 звеньев фруктозы, и содержит на конце глюкозу.

Каким образом происходит утилизация резервных полисахаридов? Для того чтобы включить углеводы в метаболизм (усвоить), надо сначала получить их в виде моносахаридов, т.е. расщепить полимерные цепи. Самая простая реакция расщепления – это гидролиз, т.е. дословно «разложение водой». Расщепление альфа-амилозы катализирует фермент альфа-амилаза, содержащаяся в слюне. Расщепление на мономеры происходит последовательно, отщепляя по одному звену, начиная с нередуцирующего конца. Интересный пример такого расщепления – мерзлая картошка. На морозе клеточные мембраны лопаются, высвобождая различные гидролитические ферменты, которые затем начинают работать и расщепляют крахмал, т.е. превращают его в глюкозу (сахар), придающий картошке сладкий вкус. В живых растениях превращение крахмала в сахар строго регулируется в зависимости от потребностей растения.

В организме животных гликоген подвергается фосфоролизу. Эту реакцию катализирует фермент гликоген-фосфорилаза. В результате одного акта реакции получается глюкоза-1-фосфат и укороченная на одно звено полимерная цепь. В чем смысл такой реакции? Глюкоза-1-фосфат затем изомеризуется в глюкозу-6-фосфат, которая является первым участником цикла расщепления и утилизации глюкозы – гликолиза. Если сначала отщепить глюкозу, а потом ее фосфорилировать, на это потребуется затратить 1 молекулу АТР. Фосфоролиз дает экономию по сравнению с гидролизом.

Что же происходит, когда гликоген-фосфорилаза или альфа-амилаза доходят до точки ветвления? Расщепить связь альфа-1-6 она не сможет. Если других ферментов нет, она «объест» все А-цепи, и останется остаточный декстран. На самом деле существует целый ферментативный комплекс «debranching enzyme». Гликоген фосфорилаза не доходит до точки ветвления, а оставляет «хвост» длиной в 4 звена. Потом трансфераза переносит 3 из них в основную цепь, удлиняя ее. Оставшееся звено, присоединенное альфа-1-6 связью, отщепляется глюкозидазой альфа-1-6 (расщепляющей связи типа альфа 1-6). Ветвление ликвидировано, фосфорилаза продолжает работу.

Синтез полисахаридов. Начнем рассмотрение синтеза полисахаридов с процесса удлинения цепей. Удлинение цепей, так же как и деградация, происходит по одному звену, начиная с нередуцирующего конца. Удлинение цепей амилозы катализирует фермент амилосинтаза. Синтез происходит в два этапа. На первом этапе присоединяемое звено (глюкозу) надо активировать. Glc-1-фосфат реагирует с АТР, происходит обмен фосфатной группы на ADP, получается ADP-глюкоза. На втором этапе это соединение реагирует с нередуцирующим концом цепи, которая при этом удлиняется на единицу, ADP высвобождается, реакция катализируется амилосинтазой. Таким образом, синтез крахмала осуществляется не бесплатно с энергетической точки зрения, на присоединение одной молекулы глюкозы затрачивается одна молекула ATP. Синтез гликогена происходит аналогичным образом. Различие заключается в том, что реакция катализируется гликогенсинтазой, а вместо ATP работает UTP. Каким образом происходит образование ветвей?

Для этого есть специальный ферментативный комплекс “branching enzyme”, или амило-(1-4 – 1-6)-трансгликозилаза, который переносит концевой участок длиной 6-7 остатков уже синтезированной цепи с нередуцирующего конца из 4 положения в 6. Для этого необходим полимер длиной хотя бы 11 остатков. Перенос цепей осуществляет трансгликозилаза.

Как начинается синтез гликогена? До недавнего времени это было неизвестно. Для начала синтеза гликогена помимо ферментов необходима затравка, роль которой выполняет белок гликогенин. Гликогенин обладает необычным свойством катализировать свое собственное гликозилирование, т.е. присоединение UDP-глюкозы к остатку тирозина фермента. Получающаяся цепь служит праймером для гликогенсинтазы, которая начинает работать, когда есть цепь длиной хотя бы в 7 звеньев.

Регуляция синтеза и гидролиза (фосфоролиза) полисахаридов. Поддержание уровня глюкозы в крови имеет огромное значение. Этот процесс непосредственно связан с синтезом гликогена, так как излишки глюкозы упаковываются в виде гликогена и откладываются в печени или мышцах. Синтез и распад гликогена происходят постоянно и регулируются независимо. Когда уровень глюкозы в крови падает, глюкагон – гормон, синтезируемый альфа-клетками поджелудочной железы, стимулирует распад гликогена и тормозит синтез. Бета-клетки поджелудочной железы (островки Лангерганса) синтезируют гормон инсулин. Он стимулирует сразу несколько процессов – всасывание глюкозы из крови в мышцы, синтез гликогена, а также тормозит его распад. Все эти процессы направлены на снижение уровня глюкозы в крови. При отсутствии инсулина распад гликогена начинает преобладать над синтезом, уровень гликогена в печени и мышцах снижается, а уровень глюкозы в крови и моче резко повышается. Распад гликогена ускоряет также адреналин (гормон стресса), синтезируемый надпочечниками, так как при стрессе требуется большое количество глюкозы для работы мышц и восстановления нервной системы. Аналогичное действие оказывает гормон роста (соматотропин), выделяемый передней долей гипофиза. Та глюкоза, которая не усваивается и не полимеризуется в гликоген, превращается в жир.

Дата добавления: 2014-01-07