Классификация углеводов: моносахариды, олигосахариды, гомополисахариды, гетерополисахариды. Гликозаминогликаны, протеогликаны, схема структурной организации протеогликанов, функции.
1.
Классификация углеводов основана на их способности гидролизоваться. Углеводы разделяются на простые и сложные. Простые углеводы иначе называются моносахаридами, они не подвергаются гидролизу. Сложные подразделяют на олигосахариды и полисахариды. В состав олигосахаридов входят от двух до десяти моносахаридов. В зависимости от числа моносахаридов, входящих в структуру, олигосахариды называют ди-, три-, тетрасахаридами и т.д. К полисахаридам относятся углеводы, в состав которых входят
более 10 моносахаридных остатков. Сложные углеводы при гидролизе распадаются с образованием простых.
Моносахариды иначе называют монозами. По химическому составу монозы являются либо полигидроксиальдегидами, либо полигидроксикетонами. Моносахариды, в состав которых входит альдегидная группа (), называют альдозами, а кетонная() - кетозами.
Характерной особенностью класса углеводов является наличие не менее двух гидроксильных групп и одной карбонильной (альдегидной или кетонной) группы. Следовательно, простейший углевод должен содержать три атома углерода. По числу атомов углерода моносахариды называют триозами, тетрозами, пентозами, гексозами и т.д. В названии моноз учитывается как число атомов углерода, так и наличие альдегидной или кетонной группы. Например, моносахариды, в состав которых входят 6 атомов углерода и альдегидная группа, называются альдогексозами, если же они содержат кето-группу, то кетогексозами.
Приведенные выше линейные структурные формулы альдоз и 2-кетоз называются формулами в проекции Фишера.
Выделенные звездочкой атомы углерода являются асимметрическими. Асимметрическим называется атом углерода, соединенный с четырьмя разными заместителями (атомами или группами атомов). Вещества, в составе которых есть асимметрические атомы углерода, обладают особым видом пространственной изомерии - стереоизомерией или оптической изомерией. Стереоизомеры отличаются пространственной конфигурацией атомов водорода и гидроксильной группы при асимметрическом атоме углерода. Число стереоизомеров равно 2л, где п - число асимметрических атомов углерода. Например, альдогексоза общей формулы С6Н12О6 с четырьмя асимметрическими атомами может быть представлена любым из 16 возможных стереоизомеров, восемь из которых относятся к D-ряду, а восемь - к L-ряду.
Родоначальниками D- и L-ряда можно условно считать D-и L-глицериновые альдегиды. Принадлежность моносахарида к D- и L-ряду определяется положением водорода и гидроксила у наиболее удаленного от альдегидной или кетонной группы асимметрического углеродного атома (по сравнению с их положением у единственного асимметрического атома углерода D- или L-глицеринового альдегида).
Стереоизомеры отличаются физико-химическими свойствами и биологической активностью.
Монозы с пятью и более углеродными атомами могут существовать не только в линейной (цепной), но и в циклической (кольчатой) форме. Циклизация происходит за счет разрыва двойной связи в карбонильной группе, перемещения атома водорода к освободившейся валентности карбонильного кислорода и замыканию кольца углеродных атомов с образованием внутренних циклических α- или β-полуацеталей:
Структурные формулы в проекции Фишера не способны дать всесторонний геометрический образ полуацетальной структуры, так как они не отражают реальных пространственных углов между химическими связями. В 1929 г. Хеуорс предложил способ изображения циклических форм углеводов, наиболее близко отражающий реальные структуры. Пяти- и шестичленные циклические структуры изображаются при этом в виде плоских циклических систем, гидроксильные группы у каждого атома углерода которых ориентированы либо вверх, либо вниз. Обычно используют упрощенную форму написания формулы в проекции Хеуорса, опуская углеродные атомы в составе кольца.
Для преобразования формул D-монозы в проекции Фишера в формулу Хеуорса следует придерживаться определенных правил:
Все группы, расположенные справа от углеродного остова в формулах Фишера, в формулах Хеуорса занимают положение под плоскостью кольца (внизу).
Группы, расположенные в формулах Фишера слева от углеродного остова, располагают над плоскостью кольца (вверху).
Концевую группу - СН2ОН в проекции Хеуорса направляют вверх.
В растворе линейные и циклические формы моносахаридов существуют одновременно и способны самопроизвольно превращаться друг в друга. Такие изомерные формы называются кольчато-цепными таутомерами. Преобладают, как правило, циклические изомеры полисахаридов; они используются организмами для построения олиго- и полисахаридов, мононуклеотидов и других биологических молекул. Через линейную форму происходит переход α-формы в β-форму.
Гидроксильная группа, образовавшаяся при замыкании цикла из карбонила, называется полуацетальным или гликозидным гидроксилом.
Производные моносахаридов. Большую группу производных моносахаридов составляют фосфорные эфиры, которые образуются в ходе превращений углеводов в тканях.
Вот некоторые из них:
В природе широко распространены два аминопроизводных моносахарида: глюкозамин и галактозамин. Как и соответствующие гексозы, гексозамины могут существовать как в линейной, так и в циклической форме. Глюкозамин входит в состав многих полисахаридов, содержащихся в тканях животных и человека; галактозамин является компонентом гликопротеинов и гликолипидов.
В состав полисахаридов входит глюкуроновая кислота. Биологические функции моносахаридов:
Энергетическая - моносахариды используются в качестве источников энергии в клетке.
Пластическая - моносахариды и их производные участвуют в построении разнообразных биологических молекул.
Олигосахариды. Наиболее распространенными в природе оли-госахаридами являются дисахариды.
Мальтоза образуется из полисахаридов как промежуточный продукт. Она состоит из двух остатков глюкозы, соединенных между собой α-1,4-гликозидной связью.
Лактоза содержится в молоке животных и человека. В состав лактозы входит остаток галактозы и глюкозы; эти монозы связаны между собой β-1,4-гликозидной связью.
Сахароза - наиболее распространенный и важный дисахарид, встречающийся в растительном мире. Сахароза является ценным питательным веществом для человека. Сахароза состоит из остатков α-D-глюкозы и β-D-фруктозы, связанных α, α-1,2-гликозидной связью.
Полисахариды представляют собой биополимеры, мономерами которых служат моносахариды. Если в составе полисахарида содержатся остатки моносахарида одного вида, его называют гомополисахаридом, если разных - гетерополисахаридом.
К физиологически важным гомополисахаридам относят крахмал и гликоген. К числу важнейших гетерополисахаридов - гиалуроновую кислоту, хондротинсульфат и гепарин.
Крахмал - гомополисахарид, состоящий из остатков глюкозы. Он является одним из наиболее распространенных запасных полисахаридов растений. Крахмал накапливается в семенах, клубнях (40 - 78%) и других частях растений (10 - 25%). Крахмал состоит из двух фракций, отличающихся строением и свойствами: амилозы - 15 - 25% и амилопектина - 75 - 85%.
Амилоза построена из остатков глюкозы, связанных кислородными "мостиками" (гликозидными связями) между первым атомом углерода одного остатка и четвертым углеродным атомом другого:
Глюкозные остатки образуют неразветвленную цепь с молекулярной массой от 16 до 160 кДа. Эта цепь в пространстве закручивается в спираль (рис. 12), но молекула в целом имеет нитевидную форму.
Амилопектин имеет молекулы с разветвленной цепью остатков глюкозы, образованной за счет связи между шестым атомом углерода одного остатка и первым углеродным атомом другого:
Гликоген - резервное питательное вещество организма человека и животных. Иначе его называют "животным крахмалом". В организме человека он накапливается в печени (-20%) и в мышцах (-2%). Гликоген по структуре близок к амилопектину, однако степень ветвления у него больше, чем у амилопектина, поэтому молекула гликогена более компактна. Гликоген - не однородное вещество, а представляет собой смесь полисахаридов разной молекулярной массы. Часть его находится в соединении с белками.
Целлюлоза - наиболее распространенное органическое соединение. Она встречается в растительном мире в качестве структурного компонента клеточной стенки. Особенно богаты целлюлозой волокна хлопка (98 - 99%). Целлюлоза состоит из остатков глюкозы, связанных между собой β-1,4-гликозидньши связями.
Структура целлюлозы хорошо отвечает ее биологической задаче. Отдельные цепи целлюлозы связаны между собой водородными связями, что способствует образованию волокнистой и очень прочной структуры. В клеточных стенках растений волокна целлюлозы плотно упакованы в слои, которые дополнительно стабилизированы другими соединениями полисахаридной природы.
Целлюлоза не имеет питательной ценности для высших животных и человека, так как пищеварительные секреты слюны и ферменты желудочно-кишечного тракта не способны расщеплять 1,4-гликозидные связи до глюкозы.
Гиалуроновая кислота - гетерополисахарид, имеющий очень важное значение для высших организмов. В соединительной ткани это основной компонент внеклеточного желатинообразного вещества, заполняющего межклеточное пространство тканей. Она содержится в больших количествах в синовиальной жидкости суставов. Стекловидное тело и пуповина новорожденных также богаты гиалуроновой кислотой.
В структурном отношении молекула представляет собой линейный полисахарид, образованный дисахаридными повторяющимися звеньями, состоящими из остатков D-глюкуроновой кислоты и N-ацетил-D-глюкозамина, соединенных β-1,3-гликозидной связью. Повторяющиеся дисахаридные звенья связаны между собой β-1,4-связью.
Хондроитинсульфат является составной частью костной ткани, хрящей, сухожилий, роговицы глаз, сердечных клапанов и других подобных тканей.
Повторящееся дисахаридное звено в хондроитинсульфате состоит из глюкуроновой кислоты и N-ацетилгалактозаминсульфата, звенья соединены друг с другом β-1,3- и β-1,4-гликозидными связями, подобно связям в гиалуроновой кислоте.
Гепарин - гетерополисахарид, препятствующий свертыванию крови у животных и человека. Гепарин содержится в крови, печени, легких, селезенке, щитовидной железе и в других тканях и органах.
Молекула гепарина состоит из глюкуроновой кислоты и α-глюкозамина в виде двойного сульфопроизводного, соединенных между собой α-1,4-гликозидными связями.
Биологические функции полисахаридов:
Энергетическая - крахмал и гликоген составляют "депо" углеводов в клетке; при необходимости они быстро расщепляются на легко усваиваемый источник энергии - глюкозу.
Опорная - хондроитинсульфат выполняет опорную функцию в костной ткани.
Структурная - гиалуроновая кислота, хондроитинсульфат и гепарин являются структурными межклеточными веществами.
Гидроосмотическая и ионрегулирующая - гиалуроновая кислота, благодаря высокой гидрофильности и отрицательному заряду, связывает межклеточную воду и катионы, регулируя межклеточное осмотическое давление.
2. Гликозаминогликаны - линейные отрицательно заряженные гетерополисахариды. РаНbше их называли мукополисахаридами, так как они обнаруживались в слизистых секретах (мукоза) и придавали этим секретам вязкие, смазочные свойства. Эти свойства обусловлены тем, что гликозаминогликаны могут связывать большие количества воды, в результате чего межклеточное вещество приобретает желеобразный характер.
Протеогликаны - высокомолекулярные соединения, состоящие из белка (5-10%) и гликозаминогликанов (90-95%). Они образуют основное вещество межклеточного матрикса соединительной ткани и могут составлять до 30% сухой массы ткани.
Белки в протеогликанах представлены одной полипептидной цепью разной молекулярной массы. Полисахаридные компоненты у разных протеогликанов разные. Протеогликаны отличаются от большой группы белков, которые называют гликопротеинами. Эти белки тоже содержат олигосахаридные цепи разной длины, ковалентно присоединённые к полипептидной основе. Углеводный компонент гликопротеинов гораздо меньше по массе, чем у протеогликанов, и составляет не более 40% от общей массы. Гликопротеины выполняют в организме человека разные функции и присутствуют во всех классах белков - ферментах, гормонах, транспортных, структурных белках и др. Представители гликопротеинов - коллаген и эластин, иммуноглобулины, ангиотензиноген, трансферрин, церулоплазмин, внутренний фактор Касла, тиреотропный гормон.
Гликозаминогликаны и протеогликаны, являясь обязательными компонентами межклеточного матрикса, играют важную роль в межклеточных взаимодействиях, формировании и поддержании формы клеток и органов, образовании каркаса при формировании тканей.
Благодаря особенностям своей структуры и физико-химическим свойствам, протеогликаны и гликозаминогликаны могут выполнять в организме человека следующие функции:
они являются структурными компонентами межклеточного матрикса;
протеогликаны и гликозаминогликаны специфически взаимодействуют с коллагеном, эластином, фибронектином, ламинином и другими белками межклеточного матрикса;
все протеогликаны и гликозаминогликаны, являясь полианионами, могут присоединять, кроме воды, большие количества катионов (Na+, K+, Са2+) и таким образом участвовать в формировании тургора различных тканей;
протеогликаны и гликозаминогликаны играют роль молекулярного сита в межклеточном матриксе, они препятствуют распространению патогенных микроорганизмов;
гиалуроновая кислота и протеогликаны выполняют рессорную функцию в суставных хрящах;
гепарансульфатсодержащие протеогликаны способствуют созданию фильтрационного барьера в почках;
кератансульфаты и дерматансульфаты обеспечивают прозрачность роговицы;
гепарин - антикоагулянт;
гепарансульфаты - компоненты плазматических мембран клеток, где они могут функционировать как рецепторы и участвовать в клеточной адгезии и межклеточных взаимодействиях. Они также выступают компонентами синаптических и других пузырьков.
Гликозаминогликаны представляют собой длинные неразветвлённые цепи гетерополиса-харидов. Они построены из повторяющихся дисахаридных единиц. Одним мономером этого дисахарида является гексуроновая кислота (D-глюкуроновая кислота или L-идуроновая), вторым мономером - производное аминосахара (глюкоз- или галактозамина). NH2-rpynna аминосахаров обычно ацетилирована, что приводит к исчезновению присущего им положительного заряда. Кроме гиалуроновой кислоты, все гликозаминогликаны содержат сульфатные группы в виде О-эфиров или N-сульфата.
В настоящее время известна структура шести основных классов гликозаминогликанов, которые представлены в табл. 15-4.
Гиалуроновая кислота находится во многих органах и тканях. В хряще она связана с белком и участвует в образовании протеогликановых агрегатов, в некоторых органах (стекловидное тело глаза, пупочный канатик, суставная жидкость) встречается и в свободном виде. Предполагается, что в суставной жидкости гиалуроновая кислота выполняет роль смазочного вещества, уменьшая трение между суставными поверхностями.
Хондроитинсульфаты - самые распространённые гликозаминогликаны в организме человека; они содержатся в хряще, коже, сухожилиях, связках, артериях, роговице глаза. Хондроитинсульфаты являются важным составным компонентом агрекана - основного протеогликана хрящевого матрикса. В организме человека встречаются 2 вида хондроитинсульфатов: хондроитин-4-сульфат и хондроитин-6-сульфат. Они построены одинаковым образом, отличие касается только положения сульфатной группы в молекуле N-ацетилгалактозамина (см. схему А).
Одна полисахаридная цепь хондроитинсульфата содержит около 40 повторяющихся дисахаридных единиц и имеет молекулярную массу 104 - 106 Д.
Кератансульфагы - наиболее гетерогенные гликозаминогликаны; отличаются друг от друга по суммарному содержанию углеводов и распределению в разных тканях. Кератансульфат I находится в роговице глаза и содержит кроме повторяющейся дисахаридной единицы L-фукозу, D-маннозу и сиаловую кислоту. Кератансульфат II был обнаружен в хрящевой ткани, костях, межпозвоночных дисках. В его состав помимо Сахаров дисахаридной единицы входят N-ацетилгалактозамин, L-фукоза, D-манноза и сиаловая кислота. Кератансульфат II входит в состав агрекана и некоторых малых протеогликанов хрящевого матрикса. В отличие от других гликозаминогликанов, кератансульфаты вместо гексуроновой кислоты содержат остаток галактозы (см. схему Б).
Молекулярная масса одной цепи кератансуль-фата колеблется от 4 × 103 до 20 × 103 Д.
Дерматансульфат широко распространён в тканях животных, особенно он характерен для кожи, кровеносных сосудов, сердечных клапанов.
В составе малых протеогликанов (бигликана и декорина) дерматансульфат содержится в межклеточном веществе хрящей, межпозвоночных дисков, менисков. Повторяющаяся дисахаридная единица дерматансульфата имеет следующую структуру (см. схему А).
Молекулярная масса одной цепи дерматансульфата колеблется от 15 × 103 до 40 × 103 Д.
Гепарин - важный компонент противосвёртывающей системы крови (его применяют как антикоагулянт при лечении тромбозов). Он синтезируется тучными клетками и находится в гранулах внутри этих клеток. Наибольшие количества гепарина обнаруживаются в лёгких, печени и коже. Дисахаридная единица гепарина похожа на дисахаридную единицу гепарансульфата. Отличие этих гликозаминогликанов заключается в том, что в гепарине больше N-сульфатных групп, а в гепарансульфате больше N-ацетильных групп. Молекулярная масса гепарина колеблется от 6 × 103 до 25 × 103 Д (см. схему Б).
Гепарансульфат находится во многих органах и тканях. Он входит в состав протеогликанов базальных мембран. Гепарансульфат является постоянным компонентом клеточной поверхности. Структура дисахаридной единицы гепарансульфата такая же, как у гепарина. Молекулярная масса цепи гепарансульфата колеблется от 5 × 103 до 12 × 103 Д.
Межклеточный матрикс - комплекс органических и неорганических компонентов, заполняющих пространство между клетками. Для разных тканей характерен свой межклеточный матрикс. Эпителиальные клетки преимущественно связываются с помощью гликопротеинов, кальций-связывающих белков. Особая структура межклеточного матрикса присуща тканям мезенхимного происхождения, которые выполняют механическую, защитную и трофическую функции. Они подразделяются на:
• собственно соединительную ткань - рыхлую неоформленную,
• плотную оформленную и неоформленную; ткани со специальными свойствами - жировую, пигментную,
• ретикулярную и слизистую; скелетные ткани - костную и хрящевую.
Все эти виды соединительной ткани широко представлены во всём организме, и в частности в области головы и шеи.
1.1. ОРГАНИЗАЦИЯ МЕЖКЛЕТОЧНОГО МАТРИКСА
Для соединительной ткани характерно наличие большого количества межклеточного вещества (внеклеточный матрикс), состоя- щего из коллагеновых белков, протеогликанов и гликопротеинов и небольшого числа клеток, расположенных друг от друга на значительном расстоянии. В образовании межклеточного вещества участвуют фибробласты, хондробласты, остеобласты, одонтобласты, цементобласты и другие бластные клетки. Особенностью минерализованных тканей является присутствие в межклеточном веществе неорганических ионов, образующих соли и кристаллы.
Межклеточный матрикс содержит молекулы, способные путём самосборки образовывать комплексы. Благодаря определённому рас- положению центров связывания на молекулах и специфичности их взаимодействий формируется высокоупорядоченная трёхмерная структура межклеточного матрикса, определяющая её функциональные свойства
Специализированной формой внеклеточного матрикса нормальной ткани является базальная мембрана, образующая дискретную структуру, которая отделяет один клеточный слой от другого. Она отвечает не только за разграничение различных структур и поддержание архитектоники тканей, но и влияет на их дифференцировку, миграцию и фенотипирование клеток. Базальная мембрана служит барьером для макромолекул.
Основными компонентами внеклеточного матрикса являются различные виды коллагена и неколлагеновые белки.
1.2. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОЛЛАГЕНОВЫХ БЕЛКОВ
Основу межклеточного матрикса составляет семейство коллагеновых белков, относящихся к гликопротеинам и содержащих в большом количестве остатки глицина, пролина и гидроксипролина. Коллагены представлены 20 белками, из которых часть является собственно
коллагенами, а другие содержат только коллагеноподобные домены. Все типы коллагенов в зависимости от структуры делят на несколько групп: фибриллообразующие, ассоциированные с фибриллами кол- лагена, сетевидные, микрофибриллы, заякоренные фибриллы и др. Для обозначения каждого типа коллагена используют определённую формулу, в которой а-цепи записывают арабскими цифрами, а тип коллагена - римскими.
6