evan_gcrm (evan_gcrm) wrote,
evan_gcrm
evan_gcrm

Category:

Введение в биологию. Часть №5

Оригинал взят у caenogenesis


Введение в биологию (начало)
Введение в биологию. Часть №1
Введение в биологию. Часть №2
Введение в биологию. Часть №3
Введение в биологию. Часть №4

Тема VI
УГЛЕВОДЫ


Для начала вспомним, что такое углеводы. Мы уже знаем, что углеводом называется альдегид или кетон, являющийся одновременно многоатомным спиртом, то есть, иными словами, альдегидоспирт или кетоноспирт с несколькими гидроксильными группами. Тут перед нами типичные представители углеводов - глюкоза и рибоза. Функциональные группы - гидроксильные и альдегидная - обведены пунктиром. А вот буква “D” перед названиями - это указание на стереоизомерию, которую тут нужно постоянно иметь в виду.




Стереоизомерия у углеводов, прямо скажем, такая, что сам черт сломит ногу. Например, глюкоза имеет 4 асимметрических атома углерода и - как легко посчитать - 16 стереоизомеров (а не 2, как у аминокислот). Внимание: обозначение изомера как D- или L- основано на ориентации групп у “предпоследнего” атома углерода (в данном случае 5-го, считая от альдегидной группы). Большинство биологически активных углеводов существуют в D-форме, то есть формально являются правовращающими (на самом деле с направлением вращения плоскости поляризации света там все сложно, но нас сейчас интересует не это, а само строение молекул). Подобно аминокислотам и фосфолипидам, биологически активные углеводы тоже подчиняются принципу хиральной чистоты.



В физиологических условиях углеводы обычно принимают не линейную форму, а более энергетически выгодную циклическую. Можно сказать, что изомеризация глюкозы в циклическую форму включает три события:
● Разрыв двойной связи в альдегидной группе.
● Переход водорода от гидроксильной группы 5-го атома C на освободившуюся валентность кислорода бывшей альдегидной группы.
● Замыкание друг на друга двух валентностей, оставшихся свободными на 1-м атоме C и на кислороде бывшего гидроксила при 5-м атоме C.



Вот схема, упрощенно изображающая весь этот процесс. Атомы углерода, кроме 1-го и 6-го, не подписаны, поскольку и так понятно, где они находятся. Первая красная стрелка обозначает разрыв двойной связи, вторая - замыкание друг на друга освободившихся валентностей. После изомеризации гидроксильная группа исчезает при 5-м атоме углерода, зато появляется при 1-м. Но это все равно глюкоза.



Вот она, циклическая форма глюкозы. Слева и справа - одна и та же молекула, по-разному нарисованная; номера атомов углерода позволяют в этом убедиться. На правой картинке шестичленное кольцо как бы наклонено, формула передает перспективу. Обратим внимание на расположение разных гидроксилов над или под плоскостью кольца (выводить его ниоткуда не надо, если потребуется, можно просто запомнить).



Структура линейной формы однозначно определяет ориентацию всех гидроксилов, кроме вновь образующегося при циклизации 1-го. Он может оказаться под кольцом (α-глюкоза), а может и над кольцом (β-глюкоза). Это еще один тип изомерии, свойственный только циклической форме углевода. Кое-где в биохимии он имеет большое значение.



Глюкоза - важнейший источник энергии. На картинке предельно упрощенно показаны два основных способа распада глюкозы - гликолиз (до двух молекул молочной кислоты) и дыхание (до шести молекул углекислого газа и шести молекул воды). Дыхание требует присутствия кислорода, гликолиз нет. Зато энергии дыхание дает намного больше.



Относительно простые углеводы (не являющиеся полимерами) принято называть сахарами. Тут перед нами три шестиуглеродных сахара - глюкоза, фруктоза и галактоза. Все они являются изомерами, причем если глюкоза и фруктоза различаются по набору групп, то глюкоза и галактоза - исключительно стереоизомеры: набор и порядок расположения функциональных групп там совершенно одинаков, отличие только в хиральности. Тем не менее это разные вещества, совсем по-разному участвующие в физиологических процессах.



Фруктоза - шестиуглеродный сахар, изомер глюкозы, отличающийся от нее тем, что вместо альдегидной группы - кетогруппа, встроенная в углеродную цепочку. Фруктоза замыкается в циклическую форму по такому же принципу, как и глюкоза, но кольцо при этом получается не шестичленным, а пятичленным - из-за того, что в его образовании участвует не 1-й (как у глюкозы), а 2-й углерод.



А это два важных пятиуглеродных сахара - рибоза (уже нам давно знакомая) и отличающаяся от нее на один атом кислорода 2-дезоксирибоза. Как видим, у дезоксирибозы отсутствует одна из гидроксильных групп, вместо нее - просто атом водорода. Полные названия этих сахаров - D-рибоза и 2-D-дезоксирибоза, но приставки часто опускаются, когда и так понятно, о чем идет речь.



Циклические рибоза и дезоксирибоза. Они изомеризуются в цикл точно так же, как глюкоза, а пятиугольник (вместо шестиугольника) получается потому, что здесь на один углерод меньше. Атомы углерода в циклических формах рибозы и дезоксирибозы (и только в них) по некоторым историческим причинам принято обозначать не просто цифрами, а цифрами со штрихами. Это стоит запомнить, чтобы в дальнейшем не путаться.



Молекула, состоящая из двух соединенных ковалентной связью углеводных остатков, называется дисахаридом. Например, два остатка глюкозы образуют мальтозу. Простой сахар, не состоящий из нескольких углеводных остатков, называется моносахаридом. Мы пока что упоминали пять моносахаридов: глюкоза, фруктоза, рибоза, дезоксирибоза и галактоза. Стоит заодно отметить, что в состав изображенных здесь дисахаридов входит α-глюкоза (гидроксил при 1-м атоме углерода смотрит "вниз", под кольцо).

Реакция образования дисахарида происходит между гидроксильными группами двух сахаров, от одной из них отщепляется H-, от другой OH-, в результате образуется вода (H-O-H), а между остатками сахаров остается мостик вида -О-. На картинке мы это и видим. Такая связь называется гликозидной; в каком-то смысле это аналог пептидной связи, которая может соединить аминокислоты в дипептид или в более длинные пептиды.

На картинке представлены два дисахарида - мальтоза (глюкоза + глюкоза) и сахароза (глюкоза + фруктоза). Мальтоза - питательный углевод, которого много в растительной пище. Что касается сахарозы, то это обычный столовый сахар. Из дисахаридов еще стоит хотя бы упомянуть лактозу (глюкоза + галактоза), которая иначе называется молочным сахаром.

Все углеводы делятся на моносахариды (простые сахара), олигосахариды (цепочки, содержащие от 2 до 10 моносахаридных остатков) и полисахариды (полимеры, в которых число моносахаридных остатков может достигать многих тысяч). Один из самых известных полисахаридов - крахмал, представляющий собой длинную цепь остатков глюкозы, соединенных гликозидными связями. Это важнейшее запасное вещество у растений.



Животный аналог крахмала - гликоген, тоже важный запасной углевод. У нас он накапливается в первую очередь в печени и в случае надобности быстро расщепляется до мономеров глюкозы, которые уходят в кровь. Гликоген тоже состоит из остатков глюкозы, соединенных гликозидными связями. Серьезное отличие гликозидных связей, например, от пептидных - в том, что образованный с их помощью полимер может гораздо легче ветвиться. "По умолчанию" гликозидная связь образуется между гидроксилами 1-го и 4-го атомов углерода глюкозы (1-4-гликозидная связь), и тогде получается линейная цепочка. Но в глюкозе есть и другие гидроксилы, между которыми образование гликозидной связи тоже запросто возможно. На 1-6-гликозидной связи полимерная цепочка обычно как раз и разветвляется. В гликогене такое ветвление выражено сильнее, чем в крахмале, хотя оно есть и там и там.



Цвета на этой картинке, на самом деле, никакого значения сейчас не имеют, она просто красивая. Это - структура гликогена. Зеленым тут обозначен остаток глюкозы, с которого начинается боковая цепь, красным - концевые остатки, ну а все остальное нам сейчас уже должно быть понятно и так.
Совершенно особый интерес представляют полисахариды, участвующие в образовании клеточных стенок. Ни в коем случае нельзя путать клеточную стенку с клеточной мембраной! Клеточная стенка - это внеклеточная структура, состоящая из полимеров, расположенная снаружи от мембраны и заключающая в себе клетку целиком (не считая отверстий, обеспечивающих межклеточные контакты, если организм многоклеточный). Клеточная стенка может состоять из целлюлозы (у растений), из хитина (у грибов), из сложных полимеров, в состав которых входят углеводы и аминокислоты (у бактерий) или из белков (у архей). У некоторых организмов, например у животных, клеточных стенок нет вообще - это позволяет их клеткам легко менять форму.



Основной компонент клеточных стенок растений - целлюлоза - это полимер глюкозы, так же как и крахмал. Но, в отличие от крахмала, она состоит не из α-глюкозы, а из β-глюкозы. Кроме того, молекулы целлюлозы не ветвятся. Образующиеся между остатками β-глюкозы β-гликозидные связи - на схеме молекулы целлюлозы они выглядят зигзагообразными - гораздо прочнее α-гликозидных и расщепляются только очень немногими ферментами. Например, никто из животных, питающихся растениями, не может самостоятельно переваривать целлюлозу; тем, кто берется ее усваивать, приходится заводить для этой цели симбионтов-бактерий, у которых есть нужный фермент - целлюлаза (Гиляров, 2008).



Растительная клеточная стенка может быть гораздо толще мембраны. Если растение многоклеточное, то между клетками обычно есть плазмодесмы - проходящие сквозь отверстия в клеточных стенках цитоплазматические мостики (цитоплазмой называется все внутреннее содержимое клетки, кроме ядра). Через плазмодесмы растительные клетки общаются и обмениваются разными веществами.
На самом деле клеточная стенка растений вовсе не состоит из чистой целлюлозы. Во-первых, в нее еще входят короткие ветвящиеся полимеры, включающие не только глюкозу, но и другие моносахариды (эти полимеры собирательно называются гемицеллюлозами), а во-вторых - некоторые структурные белки. Целлюлоза вместе с гемицеллюлозами и белками образует сложную сеть, усиленную к тому же водородными связями - между длинными молекулами целлюлозы, в которых много гидроксильных групп, они возникают очень легко.

полимеры стенки.png

С точки зрения жизни на Земле в целом самая интересная составляющая клеточной стенки растений - это лигнин. Он не имеет никакой общей формулы. Лигнин - сложный полимер, сшитый из нескольких разновидностей спиртов с ароматическими ядрами и углеводородными цепочками. Все мономеры лигнина синтезируются из аминокислоты фенилаланина, которая превращается сначала в коричную кислоту - вещество, входящее в состав масла корицы, - а потом в разнообразные спирты (на схеме показаны только два из них):



Образование лигнина - признак сосудистых растений, то есть папоротников, плаунов, хвощей, хвойных и цветковых. Это эволюционное "изобретение", сделанное только после выхода растений на сушу, и то далеко не сразу. Дело в том, что лигнин придает клеточным стенкам огромную механическую прочность. Он необходим, чтобы сделать ствол наземного растения высоким, вплоть до многометрового, и создать транспортную систему из микроскопических трубочек, качающую воду на всю эту высоту. Именно с "изобретением" биосинтеза лигнина связано одно из крупнейших событий, поменявших лик Земли - появление лесов (Еськов, 2000).
Кроме того, появление лигнина сильно изменило глобальный круговорот углерода. Тут дело в том, что лигнин с его разнообразными мономерами и перепутанными химическими связями исключительно неподатлив к действию ферментов. Поэтому растительной тканью, в которой много лигнина, почти невозможно питаться. Из всех земных живых организмов эффективно разлагать лигнин "научились" только грибы, причем не все и не сразу (Robinson, 1990). Именно они и стали разрушителями мертвых деревьев. До этого вся огромная биомасса лигнифицированной древесины просто захоранивалась как есть, создавая залежи каменного угля, в честь которых получил название целый геологический период - каменноугольный, или карбон.



Карбоновые леса непрерывно вели фотосинтез и выделяли в атмосферу огромное, немыслимое в более ранние эпохи количество кислорода, который не расходовался на окисление стволов погибших деревьев, потому что перерабатывать их было еще некому. В результате доля кислорода в атмосфере достигла уникальной в истории Земли цифры 35% (Beerling et al., 2002). Как известно, современная атмосфера Земли содержит "всего" 21% кислорода. На самом деле по космическим меркам и это очень много, но в карбоне было в полтора раза больше. Связано это именно с тем, что огромная биомасса стволов деревьев со всеми содержащимися там полимерами не съедалась никакими живыми существами, в отличие от современной ситуации, когда упавшие стволы измельчаются насекомыми, перерабатываются грибами и в итоге их углеродные соединения окисляются дыханием до углекислого газа (CO2) - при этом расходуется кислород (O2), а углекислый газ уходит в атмосферу. А вот до той биомассы, которая успела захорониться в виде каменного угля до возникновения эффективных деструкторов, биосфера смогла "добраться" только с появлением человека, который неутомимо откапывает каменный уголь и жжет его. Процессы дыхания и горения описываются одним и тем же суммарным уравнением: C6H12O6 (глюкоза) + 6O2 → 6CO2 + 6H2O. Так что в итоге получается тот же самый углекислый газ, из которого фотосинтезирующие организмы (то есть растения) могут заново создать более сложные углеродные соединения, пригодные для построения тел живых существ.



Еще один очень распространенный в природе полисахарид - хитин, из которого состоят клеточные стенки грибов и наружные панцири очень многих многоклеточных животных. Это полимер, во многом похожий на целлюлозу. Он тоже состоит из остатков β-глюкозы, но только модифицированных. Хитин - азотсодержащий полисахарид. Его мономер - строго говоря, не глюкоза, а ацетилглюкозамин, производное глюкозы, где ко 2-му атому углерода вместо гидроксила присоединена аминоацетильная группа -NH-CO-CH3.



В состав клеточных стенок бактерий входят еще более сложные азотсодержащие производные глюкозы, к которым дополнительно ковалентно "пришиты" цепочки аминокислот. Такой многокомпонентный полимер называется пептидогликаном. Запоминать детали тут не имеет никакого смысла, единственное, что стоит обязательно отметить - в состав пептидогликанов входят не только L-, но и D-аминокислоты. Это тот редкий случай, когда D-аминокислоты в живых организмах все-таки встречаются. Пептидные цепочки, входящие в пептидогликан - именно пептиды, но не белки.



Со времен работавшего еще в XIX веке ученого-медика Ганса Христиана Грама (Hans Christian Joachim Gram) бактерий делят на грамположительных и грамотрицательных, в зависимости от того, окрашиваются ли они определенным химическим методом, который Грам изобрел. Чем они отличаются по строению клеток - показано на картинке; из еще не встречавшихся нам слов здесь стоит пояснить липопротеин (белок с липидной частью), липотейхоевую кислоту (спиртовой полимер, связанный с липидами) и порины - транспортные белки, создающие в мембране как бы поры для воды и растворенных в ней мелких молекул. Но эти детали не должны заслонять от нас интереснейшую проблему. У грамположительных бактерий снаружи от мембраны находится толстая пептидогликановая клеточная стенка - в этом плане их клетка похожа, скажем, на растительную, не считая того, что материал клеточной стенки другой. А вот у грамотрицательных бактерий есть две полноценные билипидные мембраны - внутренняя и наружная - и относительно тонкая пептидогликановая клеточная стенка между ними! Так не устроены никакие другие клетки. Есть гипотеза, что первые на Земле живые организмы были именно грамотрицательными бактериями, и только у их потомков вторая - наружная - мембрана исчезла (Cavalier-Smith, 2006). Независимо от того, верна эта гипотеза или нет, эволюционный зигзаг тут получился очень занятный.


Tags: Здоровье, Мироустройство, Мнение, Наука
Subscribe
promo evan_gcrm march 28, 2018 19:35 141
Buy for 30 tokens
Основополагающим элементом, основным двигателем всей жизни, является репликатор. Скопированная информация - это и есть «репликатор». На Земле первый репликатор довольно бесспорный - это гены, или информация, закодированная в молекулах ДНК. Точнее это первый репликатор, о котором мы знаем.…
  • Post a new comment

    Error

    default userpic

    Your IP address will be recorded 

    When you submit the form an invisible reCAPTCHA check will be performed.
    You must follow the Privacy Policy and Google Terms of use.
  • 5 comments