Лекция 6.

Химическое строение и биологическая роль углеводов. Аэробный распад глюкозы, энергетика. Анаэробный гликолиз. Центральная окислительно-восстановительная реакция гликолиза. Энергетика. Синтез и распад гликогена. Регуляторные ферменты. Понятие о глюконеогенезе и пентозофосфатном пути

1.Функции и строение углеводов

Все углеводы условно делят на две группы.

1.1. Углеводы с преимущественно энергетической функцией

При окислении 1 г углеводов выделяется примерно 16,9 кДж энергии.

1. Моносахариды (глюкоза, фруктоза, галактоза). При полном окислении одной молекулы глюкозы образуется 30-32 молекулы АТФ.

2. Олигосахариды (в пище чаще используются дисахариды сахароза – свекловичный сахар, при гидролизе образуются глюкоза и фруктоза и лактоза – молочный сахар, при гидролизе образуются глюкоза и галактоза).

3. Гомополисахариды. Крахмал в растениях, гликоген в животных клетках), состоят из остатков α-D-глюкозы, соединенных α(1→4) и в местах ветвления α(1→6)-гликозидными связями (рис. 12.1).

В растениях глюкоза запасается в виде крахмала, который может быть в двух формах: 1) амилоза – неразветвленный тип крахмала, в котором остатки глюкозы связаны α-1,4-гликозидными связями; 2) амилопектин – разветвленная форма крахмала, в которой на тридцать α-1,4-гликозидных связей приходится одна α-1,6-гликозидная связь. В молекулах гликогена количество ветвлений, т.е. наличие α-1,6-гликозидных связей, встречается примерно в три раза чаще. Молекулы гликогена и крахмала за счет большого количества концевых остатков глюкозы служат для быстрого резервирования или освобождения большого числа свободных молекул глюкозы. Более половины углеводов в организме человека имеют происхождение из крахмала пищи.

Рис. 1. Типы гликозидных связей в крахмале и гликогене: α-1,4-гликозидные связи в цепях остатков глюкозы и α-1,6-гликозидные связи в точках ветвления.

У человека в печени и мышцах содержится до 450 г гликогена. В гепатоцитах гликоген запасается в виде розеток (α-агрегаты), состоящих из β-частиц. Малые β-частицы находятся в цитоплазме мышечных клеток и содержат до 60000 остатков глюкозы. Гомополисахариды – это способ сохранения миллионов молекул глюкозы без увеличения осмотического давления.

2. Углеводы с преимущественно структурной функцией

1. Гомополисахариды. Целлюлоза наиболее распространенный структурный полисахарид растительного мира; на ее долю приходится более половины всего органического углерода биосферы. Примерно 10¹⁵ кг целлюлозы обменивается на Земле за год. Целлюлоза представляет собой линейный неразветвленный полисахарид, состоящий из β-D-глюкопиранозных звеньев, соединенных β(1→4) гликозидными связями. Эти линейные молекулы располагаются параллельно друг другу, между ними возникают водородные связи, образуются прочные микрофибриллы (рис. 2).

Микрофибриллы целлюлозы вместе с сопровождающими веществами (гемицеллюлозы, лигнин, пектины) образуют клеточную стенку растений. Млекопитающие утратили фермент целлюлазу и не могут переваривать волокна целлюлозы в отличие от крахмала. Целлюлоза является незаменимым компонентом пищи (30 г/сутки), поскольку она необходима для перистальтики кишечника.

2. Гетерополисахариды.

В состав олиго- и гетерополисахаридов входят модифицированные формы углеводов (рис. 3).

Рис. 2. Модифицированные моносахариды. Включают дополнительные группы, отличные от гидроксильной группы. Эти моносахариды выделяются на поверхность клетки.

Подписи слева направо: β-L-фукоза (Fuc), β-D-ацетилгалактозамин (GalNAc), β-D-ацетилглюкозамин (GlсNAc), Сиаловая кислота, N-ацетилнейраминовая кислота (Sia)

Наиболее часто используемые сокращения при названии углеводов: Fuc – фукоза, Gal – галактоза, GalNAc – N-ацетилгалактозамин, GlcNAc - N-ацетилглюкозамин, Man – манноза, Sia – сиаловая кислота, NeuNAc – N-ацетилнейраминовая кислота (сиаловая кислота)

Гликозамингликаны (ГАГ, старое название - мукополисахариды) содержат чередующиеся парные звенья, состоящие из остатков аминосахаров и гексуроновых кислот, реже моносахаридов; обладают большой молекулярной массой и всегда связаны с белками (за исключением гиалуроновой кислоты); образуют основное вещество внеклеточного матрикса соединительной ткани. Все ГАГ, кроме гиалуроновой кислоты, сульфатированы.

Гиалуроновая кислота построена из повторяющегося дисахарида β-D-глюкуроновая кислота и β-N-ацетил-D-глюкозамин, соединенных β(1→3) гликозидной связью. Дисахаридные единицы соединены β(1→4) гликозидной связью. Это самый высокополимерный ГАГ (м.м. 10⁵-10⁷ Да). Как полианион, гиалуроновая кислота обладает способностью связывать большое количество воды, а также ионы кальция, натрия, калия. Входит в состав протеогликанов, содержится в пупочном канатике, стекловидном теле, внутрисуставной жидкости; у многих бактерий содержится в защитной капсуле, определяя вирулентность бактерии. Хондроитинсульфаты являются основным компонентом хрящей, сухожилий, роговицы глаза; содержатся также в коже и костях. Хондроитинсульфаты А и С состоят из повторяющихся звеньев дисахарида β-D-глюкуронозил-(1→3)-β-N-ацетил-D-галактозамина, соединенных β(1→4) гликозидной связью. Хондроитинсульфат А содержит сульфогруппу в С-4 положении N-ацетил-D-галактозамина, а хондроитинсульфат С сульфатирован при С-6. В эту группу входят также дерматансульфат, кератансульфаты, гепарин и гепарансульфат

Гликозамингликаны обычно входят в состав гликопротеинов. Они присоединяются О-гликозидной связью к ОН-группам боковых радикалов серина или треонина корового (от лат. «cor» - сердце) белка, реже – к аминогруппе аспарагина.

В протеогликанах до 95% от массы приходится на углеводные компоненты и 5% - на белки. Протеогликаны различных тканей имеют свои специфические особенности строения, разный состав ГАГ, но принцип химического строения одинаков: коровый, или сердцевидный, белок занимает срединное положение, и к нему по всей его длине присоединяются молекулы ГАГ. Коровые белки протеогликанов представлены одной полипептидной цепью разной молекулярной массы. ГАГ присоединяются к коровому белку ковалентными связями. Протеогликаны являются структурными компонентами соединительной ткани, опосредуют адгезию клеток к экстрацеллюлярному матриксу и стимулируют пролиферацию клеток.

Присоединяясь к линейной структуре гиалуроновой кислоты, протеогликаны образуют очень крупные надмолекулярные структуры – протеогликановые агрегаты (ПГА), составляющие основу (матрикс) соединительной ткани, в который погружены клетки и волокна. Присоединение протеогликанов к гиалуроновой кислоте осуществляется при помощи особых связывающих белков, обладающих гидрофобными свойствами. Гиалуроновая кислота может объединить в ПГА до 200 молекул протеогликанов. Полимерные цепи ГАГ в составе ПГА за счет наличия одноименных зарядов и связывания молекул воды полярными группами ГАГ образуют структуру наподобие щетки для мытья бутылок.

Больше всего протеогликанов содержится в анатомических структурах, подвергающихся механической нагрузке и деформации: межпозвоночные диски, хрящи, сухожилия, связки, мениски, кожа.

Агар-агар – смесь агарозы и агаропектина. Агароза состоит из чередующихся остатков D-галактозы и 3,6-ангидро-L-галактозы, соединенных поочередно β(1→4)- и α(1→3) гликозидными связями. Агаропектин содержит цепочки, образуемые остатками D-галактопиранозы, часть которых сульфатирована. Агар-агар растворяется в воде при нагревании, при остывании образуются гели (в микробиологии используется для создания питательных сред, а в кондитерской промышленности для приготовления желе, пастилы, мармелада). Агар-агар добывают из морской багряной водоросли анфельции.

- Гликопротеины и гликолипиды принимают участие в построении клеточных мембран и выполнении некоторых клеточных функций, таких как рост, адгезия и др. В состав клеточных стенок бактерий входит пептидогликан – муреин. Он образует каркас стенок бактерий. Муреин стенки Staphylococcus aureus включает муропептид – дисахарид, в котором N-ацетил-D-глюкозамин соединен β(1→4) гликозидной связью с N-ацетилмурамовой кислотой.