УП- Биоорганическая химия

углеводной частей чрезвычайно разнообразны и их установление представляет большие

экспериментальные трудности. Углевод и протеин соединяются О- или N-гликозидными

Рис. 3.20. Схематическое изображение структуры молекулы протеогликана.

Рис. 3.21. Строение протеогликановой оболочки бактерий. Внизу показана структура углеводной части, состоящая из повторяющегося димера N-ацетиглюкозамина и N- aцетилмурамовой кислоты.

131

связями аналогично гликопротеинам. Пространственную структуру протеогликана часто сравнивают со строением бутылочного ершика – на длинном кóровом полимере –

.углеводном или, наоборот, полипептидном, связаны более короткие цепи углевода разного строения. Протеогликаны соединительной ткани чаще всего встречаются в межклеточном матриксе, где служат для удержания воды, а также являются смазочным материалом для суставовОгромные внеклеточные протеогликаны перевиты фибриллярными белками матрикса – коллагеном, эластином и пр., что приводит к образованию обширной сети, которая обеспечивает прочность внеклеточного матрикса.

Клеточные стенки бактерий построены из пептидогликанов, которые представляют

собой линейные полисахариды, которые соединены ковалентно связанными поперечными

пептидными фрагментами (Рис. 3.21). Полисахарид клеточной стенки состоит из двух

повторяющихся мономеров – N-ацетиглюкозамина и N-aцетилмурамовой кислоты,

соединенных β1→4 связями. Карбоксильная группа мурамовой кислоты образует

пептидную связь с аминокислотой пептидного мостика. Состав олигопептидных мостиков

зависит от вида микроорганизма (известно более ста вариантов), характерной чертой

является обязательное присутствие остатков аминокислот D-ряда, а также редких

диаминокислот. Так, в E. coli это тетрамер из L-Ala, D-Glu, диаминомиелиновой кислоты

и D-Ala, а в Staphylococcus aureus – пентаглициновый фрагмент и тетрапептид L-Alа, L-

Glu, L-Lys и D-Ala. Причем остаток глютаминовой кислоты образует пептидную связь не

по α-, а по γ-карбоксильной группе. Наличие таких нестандартных элементов

обеспечивает устойчивость пептидных цепей клеточной стенки бактерий к действию

протеаз эукариот. Гигантские сетчатые молекулы пептидогликанов образуют жесткий

чехол вокруг клетки, который поддерживает ее форму и защищает от разрушения при

внешних воздействиях.

3.5. Анализ структуры углеводов

Понимание важной роли углеводов в процессах биологического узнавания

стимулировало развитие методов установления их строения. Сложность этих

исследований заключается в том, что в отличие от белков и нуклеиновых кислот

структура углеводов слабо детерминирована – они различаются не только по составу

мономеров, но и по способу их соединения, наличием большого количества разветвлений

цепи, а также их изомерией.

В целом процедура определения структуры включает следующие этапы:

получение сахарида в чистом виде;

определение его молекулярной массы;

132

определение состава мономерных звеньев;

определение количества разветвлений;

сборка полимера.

Для проведения этих исследований используют хроматографические, химические и ферментативные методы. Большое значение здесь приобрели методы масс-спектрометрии и ЯМР-спектрометрии. На Рис. 3.22 приведены основные этапы и методы анализа углеводов.

Рис. 3.22. Основные этапы и методы определения структуры сахарида.

Особое место занимают методы встречного химического синтеза олигосахаридов, с

помощью которых подтверждают их строение. Основные принципы такого синтеза общие с принципами синтеза полипептидов и олигонуклеотидов. Современный синтез проводят

133

на полимере и используют: а) методы активации функциональных групп, подвергающихся

конденсации с образованием гликозидных связей; б) стратегию защитных групп с тем,

чтобы обеспечить направленность синтеза; в) способы конденсации, не приводящие к

мутаротации с тем, чтобы в результате получить аномеры необходимой конфигурации.

Для чего нужны синтетические олигосахариды?

В работе американских исследователей [1] описаны химический синтез олигосахаридов и биомедицинские задачи, для решения которых он предназначен. Олигосахариды на поверхности клеток являются специфическими рецепторами для узнавания другими молекулами и клетками. Энтеробактерии – большое семейство грамотрицательных патогенов, в которое входят известные Escherichia coli, Salmonella и Klebsiella. Многие из них приобрели антибиотическую устойчивость, что сделало их опасными инфекциями с высокой смертностью. В университете штата Джоржия (США) выбрали общий для энтеробактерий олигосахарид, находящийся на поверхности клеток всех бактерий этого семейства, как целевой антиген, к которому имеет смысл получить высокоаффинные антитела. Эти антитела, должны распознавать клетки патогенных бактерий, связываясь с олигосахаридами на их поверхности, что создает основу для создания вакцин или иммунотерапии. Авторам удалось синтезировать несколько олигосахаридов заданной структуры: 2 гексамера и 2 тримера и пришить их к нейтральному белку – бычьему сывороточному альбумину. Полученные коньюгаты вводили экспериментальным мышам, и в результате получили на них мышиные моноклональные иммуноглобулины с высокой аффинностью и специфичностью (т.е. избирательностью) ко всем рассмотренным энтеробактериям (K. pneumoniae, S. sonnei,

S. flexneri, C. freundii, E. coli, Y. enterocolitica, E. aerogenes, S. typimurium). Таким образом,

с помощью синтетических олигосахаридов была заложена основа иммунотерапии серьезных бактериальных патогенов, минуя антибиотические препараты.

Задачи и упражнения к Части 3

1 Составить семейства D кетоз, как это делали на лекции. Названия соединений приведены на рисунке. Пользуясь полученным рисунком изобразить молекулу любой кетозы и ее L-варианта (L-вариант является зеркальным отражением D-варианта)

2. Какие из данных пар моносахаров являются эпимерами (различаются конфигурацией только одного из ассиметричных атомов С)?

а) D-сорбоза и D-фруктоза

б) D-фруктоза и L-фруктоза

134

в) D-арабиноза и D-рибоза г) D-рибоза и D-рибулоза

3 Нарисуйте формулу Хеуорса для молекул: глюкозы, рибозы, рибулозы Восстановите структуру дисахарида трегалозы, если известно, что: полный гидролиз дает

только D-глюгозу; он гидролизуется α-глюкозидазой, но не гидролизуется β- глюкозидазой; не восстанавливает Cu2+ до Cu0.

Рисунок к задаче 1

.

4Сколько восстанавливающих фрагментов входят в молекулу гликогена состоящей из 10000 остатков с разветвлениями через каждые 10 остатков?

5Пользуясь линейным изображением молекулы фукозы изобразить циклическую форму молекулы L-фукозы. Для какой L-гексозы эта молекула является 6-дезокси производным?

6Инулин -полисахарид выделенный из артишоков. Состоит из остатков Д - фруктозы, связанных через β2→1 гликозидные связи. Изобразите минимальный фрагмент этого полисахарида. Является ли он восстанавливающим углеводом?

7Кислый гидролиз трисахарида дает D-Glc и D-Gal в соотношении 2:1. Исчерпывающее метилирование с последующим гидролизом до моносахаров дает:

135

1,2,3,6-тетра О-метил Gal; 2,3,4,6- тетра О-метил Glc; 2,3,4-три О-метил Glc.

Нарисуйте исходный трисахарид и запишите его название

Рисунок к задаче 6.

8 При обработке 100 мг амилозы действием HJO4 получили 0,005 ммол муравьиной кислоты. Какова приблизительная длина цепи амилозы (количество мономеров)?

(Ответ: 247 остатков)

Рисунок к задаче 9.

9При такой же обработке 100 мг целлюлозы получили 0,0015 ммол муравьиной кислоты. Какова приблизительная длина цепи целлюлозы (количество мономеров)? (Ответ: 820 остатков). Чем объясняется разница между ответами на 9 и 10 задачи?

10Гликоген обработали диметилсульфатом, что привело к метилированию всех свободных гидроксильных групп. Затем провели гидролиз всех гликозидных связей. Сколько вариантов моноуглеводных единиц было получено? Нарисуйте эти соединения.

11Полисахарид с неизвестной структурой был выделен, подвергнут полному метилированию, а затем гидролизу. Анализ продуктов выявил наличие метилированных моносахаров 3-х видов в соотношении 20:1:1. Этими сахарами были: 2,3,4- три-О-метил D-глюкоза, 2,4-ди-О-метил D-глюкоза и 2,3,4,6- тетра-О- метил D-глюкоза. Определите структуру исходного полисахарида. Является ли он восстанавливающим?

12Стебли бамбука в оптимальных условиях могут расти феноменально быстро — до 0,3

мв сутки. Если принять, что стебли почти полностью состоят из целлюлозы, волокна которой ориентированы в направлении роста, какое число остатков сахара в секунду присоединяется к растущей целлюлозной цепи в ферментативной реакции при такой скорости роста? Длина остатка D-глюкозы примерно 0,5 нм.

136

13Изобразите структурную формулу α-D-глюкозил-(1 →6)-D-маннозамина и укажите ту часть структуры, которая делает этот димер восстанавливающим сахаром.

14Фруктоза, входящая в состав меда главным образом находится в виде β-D- пиранозы. Это один из самых сладких углеводов: его сладость в 2 раза выше чем у глюкозы. В форме β-D-фуранозы фруктоза существенно менее сладкая. Известно, что при нагревании меда он теряет сладость, а кукурузный сироп (коммерческий продукт с высоким содержанием фруктозы) используют только для изготовления сладких холодных (но не горячих!) напитков. Какое свойство фруктозы лежит в основе этих наблюдений? Изобразите упомянутые в задаче структуры.

15Какие связи нужно разорвать, чтобы α-D-глюкоза превратилась в β-D-глюкозу? D- глюкоза в D-маннозу? Чтобы D-глюкоза из формы кресла перешла в форму ванны? Укажите разницу между понятиями «конфигурация» и «конформация»

16Лактоза существует в виде двух аномеров. А вот аномеров сахарозы не обнаружено. Почему?

17Гепарин — гликозаминогликан с сильным отрицательным зарядом (за счет чего?) используется в клинике как антикоагулянт. Считается, что его действие связано с образованием комплексов с белками крови, участвующими в процессах тромбообразования, в том числе белком антитромбином III, ингибирующим свертывание крови. Образование эквимолярного комплекса гепарин-антитромбин меняет конформацию белка, что приводит к значительному усилению его антикоагулянтных свойств. Какие аминокислотные остатки антитромбина могут участвовать в образовании его комплекса с гепарином?

Контрольные задачи

1.Нарисуйте фуранозную и пиранозную форму для Д-рибозы.

2.Нарисуйте произвольные молекулы кетопентозы и кетогексозы. Сколько стереоизомеров возможно для этих молекул?

3.Сколько различных молекул 1-4 дисахаридов можно получить из Д-глюкопиранозы и Д-фруктозы?

4.Определите суммарный заряд молекулы гиалуроновой кислоты, содержащей 156 дисахаридных единиц. Назовите моносахариды, входящие в еѐ состав. Обладает ли она восстанавливающими свойствами?

5.Определите суммарный заряд молекулы хондроитин 4-сульфата, содержащей 200 дисахаридных единиц. Назовите моносахариды, входящие в еѐ состав. Обладает ли она восстанавливающими свойствами?

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1L. Liu et al. Synthetic Enterobacterial Common Antigen (ECA) for the Development of a Universal Immunotherapy for Drug-Resistant Enterobacteriaceae. Angew. Chem. Int. Ed., 2015, 54, 10953-10957

137

ЧАСТЬ 4. ЛИПИДЫ

Биологические липиды представляют собой химически разнородную группу соединений, общим и определяющим свойством которых является гидрофобность – нерастворимость в воде и хорошая растворимость в органических растворителях. Состав и строение липидов разнообразны, как и разнообразны биологические функции, которые они выполняют. Достаточно сказать, что к липидам относят такие абсолютно разные соединения, как жирные кислоты и пигменты, жирорастворимые витамины и фосфолипиды, стерины и эмульгаторы в пищеварительном тракте.

Все липиды разделяют на два класса – омыляемые, т.е. разделяющиеся на составные части в результате щелочного или кислотного гидролиза, и неомыляемые. Липиды также можно классифицировать по биологической роли, которую они выполняют – это липиды структурные, запасные, а также группа сигнальных веществ, кофакторов и пигментов.

4.1. Запасные липиды

Жиры и масла являются универсальными резервуарами энергии в живых организмах. Они являются производными жирных кислот, к которым относят длинноцепочечные карбоновые кислоты, общей формулы R-COOH, где R –

углеводородный радикал длиной от 5 до 36 углеродных атомов. Жирные кислоты,

входящие в составе липидов, имеют несколько общих структурных характеристик:

1.Подавляющее большинство углеводородных радикалов в составе жирные кислоты – линейные. Исключение составляют жирные кислоты, входящие в состав липидов некоторых бактерий. В углеводородных цепях этих жирных кислот иногда встречаются разветвления в виде циклопропановых колец или метильных радикалов.

2.Как правило, жирные кислоты содержат четное количество атомов углерода.

3.Углеводородные радикалы в составе жирных кислот могут быть как предельными, так и непредельными, т.е. содержать двойные и очень редко тройные связи. Если в составе молекулы жирной кислоты имеется несколько двойных связей, то они всегда изолированы, т.е. разделены метиленовой группой и никогда не образуют систему сопряженных связей.

4.В стандартной номенклатуре жк нумерация углеродных атомов проводится, начиная с карбоксильного.

ВТаблице 4.1 приведены перечень, структура и некоторые свойства основных и наиболее важных жирных кислот.

138

При описании жирных кислот в тексте договорились обозначать число углеродных атомов и количество двойных связей через двоеточие, например, стеариновая кислота обозначается как С18:0, а олеиновая – С18:1. Если двойных связей несколько, то их положение обозначается в скобках над знаком дельта (Δ), например, линолевая кислота обозначается как С18:2(Δ9,12). Это значит, что первая двойная связь находится между С-9

и С-10, а вторая – между С-12 и С-13.

Таблица 4.1. Наиболее часто встречающиеся жирные кислоты и их характеристики

Ненасыщенные и, в особенности, полиненасыщенные (ПНЖК) жирные кислоты играют важнейшую роль в организме животных. Для их обозначения часто используют специальную номенклатуру. Углерод метильной группы (т.е. наиболее удаленный от карбоксильной группы) обозначают буквой ω (омега) и присваивают ему номер 1.

Положение двойных связей в радикале указывают относительно этого концевого

139

углерода: омега-3, омега-6 и т.д. Например, линоленовая кислота обозначается в стандартной номенклатуре как С18:3(Δ9,12,15), либо как С18 ω-3,6,9 ПНЖК:

CH3CH2CH=CH-CH2-CH=CH-CH2-CH=CH-(CH2)7COOH

Как правило, двойные связи в составе жирных кислот всегда находятся в цис-

конфигурации. Это приводит к тому, что линейный углеводородный радикал на этом участке имеет изгиб (Рис. 4.1).

Рис. 4.1. Цис-конфигурация двойных связей приводит к изгибу линейной углеводородной цепи жирных кислот.

В насыщенных жирных кислотах свободное вращение вокруг С-С связей ничем не ограничено (как в алканах), и молекула принимает наиболее выгодную вытянутую форму,

на одном конце которой сильно гидрофобный углеводородный радикал, а на другом – сильно полярная карбоксильная группа. Молекулы насыщенных жирных кислот плотно упакованы благодаря Ван-дер-Ваальсовым взаимодействиям, образуют даже некоторое

подобие кристаллических структур и представляют собой твердые или пастообразные

140