senchuk_v_v_biohimiya_kurs_lekcii

		Гиалуроновая кислота
	Дисахарид				Дисахарид
NAc- -D-		-D-глюкуро-
глюкозамин		новая кислота
	6CH2OH	COOH			6CH2OH		COOH
O	O (1 4)		O	O	O (1 4)			O	O
	1	O 4	OH	1	1	O 4		OH	1
(1 3)				(1 3)					(1 3)
	HO			HO
	HN	CH3	OH		HN	CH3		OH
	O				O

коллагена с такой же молекулярной массой. Глобулы гиалуроновой кислоты, контактируя друг с другом, несколько сжимаются и взаимопроникают, формируя вязкую и эластичную внеклеточ- ную среду соединительной ткани. Они весьма прочно связывают катионы (Na+, K+, Ca2+) и воду. Таким образом, все эти особенности структурной организации гиалуроновой кислоты позволяют ей служить уникальным смазочным материалом в суставах, в серозных оболочках, создавать эластичность соединительной ткани, регулировать проницаемость межклеточного матрикса, ограничивая перемещение крупных биомолекул. Состояние гиалуроновой кислоты в тканях регулируется ферментом гиалуронидазой, который осуществляет гидролиз гетерогликана.

Гепарин и гепарансульфаты — природные антикоагулянты, в отличие от большинства внеклеточных гетерогликанов гепарины локализуются внутри и на поверхности клеток. Состоят из остатков -D-глюкуроновой кислоты, -L-идуроновой кислоты и производных -D-глюкозамина (сульфатированных и N-ацети- лированных). Нативные природные гепарины связаны гликозидной связью через L-Тре и L-Асн с полипептидом. Гепарины специфически связываются с белком крови антитромбином III, усиливая его ингибирующее действие по отношению к протеолитическим ферментам (например, к тромбину), участвующим в реакции свертывания крови.

Пептидогликаны клеточных стенок бактерий (муреины) представляют собой сложные смешанные биополимеры с молекулярной массой до 1011! По структуре муреины представляют собой сополимеры N-ацетил- -D-глюкозамина N-ацетилмурамо-

112

		Муреин
			D-Ala	(Gly)5
	(Gly)5		L-Lys
			D-Gln
			L-Ala
	CH2OH			CH	OH
		O		2
	O					O
			CH3	O
	OH	O		O
O		(1 4)
CH3	HN	CH3		HN		CH3
	O				O
N-ацетил- -D-			N-ацетилмурамо-
глюкозамин			вая кислота

вой кислоты, соединенные друг с другом поперечными пептидными мостиками. Муреины формируют жесткий и порой весьма объемный каркас клеточных стенок бактерий. Наиболее развит толстый и плотный слой муреина у так называемых грамположительных бактерий в отличие от грамотрицательных бактерий, где муреиновая сеть рыхлая и тонкая. В клеточную стенку грамположительных бактерий вплетены также тейхоевые кислоты (гетерополимеры глицерина и рибита с остатками разных моносахаридов). Гидролиз гетерогликана и, следовательно, разрушение бактериальной клетки осуществляется ферментом лизоцимом, который обнаруживается в слюне, слезной жидкости, крови и др.

Камеди также относятся к гетерогликанам. Это сложные гетерогликаны растений, которые выделяются в ответ на повреждение растительных тканей.

Протеогликаны составляют около 30 % сухого веса соединительной ткани организма высших животных и человека. Они отличаются от гликопротеинов тем, что в их структуре доминирует углеводный компонент (всегда гликозаминогликан), составляя до 95 % структуры протеогликана, а аминокислотный состав белковой части крайне упрощен с преобладанием глицина и серина. Протеогликаны — это полианионные, очень сложные мак-

113

ромолекулярные соединения, которые содержат большое коли- чество полисахаридных боковых цепей, связанных ковалентно с полипептидным остовом. Гликозидная связь между углеводной и белковой частью реализуется через ОН-группу серина или амидный азот аспарагина. Протеогликаны формируют еще более крупные агрегаты, устроенные, как показано на cхеме. Биосинтез протеогликанов протекает весьма интенсивно, и время полуобновления различных протеогликанов варьирует от 7 до 45 суток. Нарушение естественного баланса между реакциями био-

синтеза и деградации протеогликанов, включая полное отсутствие некоторых ферментов, лежит в основе ряда тяжелых заболеваний человека. Протеогликаны принимают участие в образовании кожи, хрящей, сухожилий, связок, роговицы, стекловидного тела глаза, спинальных дисков, сердечных клапанов, сосудистой стенки, слизистых жидкостей, плазматических мембран и др. Конструирование всего удивительного разнообразия элементов и структур соединительной ткани достигается путем регулируемого сочетания различных белков и гетерогликанов. Варьирование соотношением и структурным состоянием протеогликанов позволяет создавать такие анатомические структуры, как, например, глаз, где высокая степень упорядоченности и однообразия макромолекулярных комплексов белков и гетерогликанов создает уникальную оптически прозрачную среду.

ЛИПИДЫ

Липиды — это большая и крайне неоднородная группа разнообразных природных химических соединений, которые объединяет способность растворяться в неполярных органических растворителях (хлороформ, петролейный эфир, бензол, ацетон и др.). Липиды могут быть классифицированы следующим образом:

Для липидов характерна чрезвычайно высокая вариабельность химической структуры, гетерофункциональность, стереоспецифичность. Липиды входят в состав всех живых одноклеточных и многоклеточных организмов. Липиды формируют основу биологических мембран, являются важнейшим энергети- ческим ресурсом, запасными веществами, выполняют защитную и регуляторную функции и многие другие.

Воски — это сложные эфиры высших жир-				O
ных кислот и одноили двухатомных спиртов,
	R		O			R1
пластичные продукты с t плавления 40—90 С. К
			O			R2
природным воскам относят: пчелиный, шерстя-				O
ной (ланолин), пальмовый, торфяной, сахарного				O
тростника, спермацет (из костных черепных уг-	R		O			R1
лублений китов и кашалотов), китайский (из

червецов китайского ясеня) и др. Воски входят в состав жира, покрывающего кожу, шерсть, перья, поверхность микроорга-

115

низмов, листьев плодов и стеблей растений. Воски также являются основными липидами морского планктона — важнейшего пищевого ресурса гидробионтов. Воски широко применяют в промышленности, косметологии и медицине.

АЦИЛГЛИЦЕРИНЫ

Ацилглицерины (ацилглицеролы, èëè нейтральные жиры; устар. ацилглицериды) — это сложные эфиры глицерина и высших жирных кислот. Ацилглицерины относятся к универсальным биомолекулам всех одноклеточных и многоклеточных организмов. Ацилглицерины существуют в виде структурного компонента клеток (протоплазматический жир) и в виде резервного жира подкожной клетчатки и сальников. Жиры, вещества животного, растительного или микробного происхождения, на 90—98 % состоят из ацилглицеринов, а остальная часть приходится на свободные жирные кислоты, фосфолипиды, стероиды, воски, витамины, пигменты и др.

По числу этерифицированных ОН-групп глицерола выделяют моноацилглицерины, диацилглицерины и триацилглицерины. В состав ацилглицеринов входят в основном неразветвленные, насыщенные и полностью öèñ-ненасыщенные жирные кислоты с четным числом С-атомов — от 4 до 26. Только ненасыщенные кислоты жиров жвачных животных представлены в виде транс-изо- меров. В природных ацилглицеринах остатки ненасыщенных жирных кислот занимают преимущественно положение при С-2. Простые ацилглицерины содержат остатки одинаковых жирных кислот, а сложные — по крайней мере, две различные жирные кислоты. Известны природные триацилглицерины, которые содержат три насыщенные кислоты (обозначаются как S3), две насыщенные

èодну ненасыщенную (SSU и SUS), одну насыщенную и две ненасыщенные (SUU

èUSU), а также три ненасыщенные (U3). Названия ацилглицеринов образу-

ются путем перечисления ацильных

116

остатков с окончанием -оил с указанием номера спиртовой группы глицерина и добавлением слова «глицерин». Например, ацильный остаток пальмитиновой кислоты называется пальмитоил, линолевой — линолеоил, олеиновой — олеоил и т. д. Ацилглицерины могут существовать в виде нескольких структурных изомеров и в виде стереоизомеров. В этом случае (как и для глицерофосфолипидов) используется специальная стереохимиче- ская нумерация С-атомов, сокращенно обозначаемая как sn-ну- мерация. В соответствии с ней заместители у хирального атома С располагают и нумеруют следующим образом:

O

H

C

O

R

O

2

1

1

R2

H

O

C

2

H C

O

R

2

3

3

O

Таким образом, если R1 — остаток пальмитиновой кислоты, R2 — линолевой, а R3 — олеиновой, такой триацилглицерин следует назвать sn-1-пальмитоил-2-линолеоил-3-олеоил-глицерин. Растительные масла и животные жиры отличаются жирно-кис- лотным составом ацилглицеринов. В общем виде температура плавления жиров увеличивается с возрастанием степени насыщенности жирных кислот в составе ацилглицеринов: U3 < SUU è USU < SSU è SUS < S3. Растительные масла жидкие, так как обогащены ненасыщенными жирными кислотами. Ценность растительных масел увеличивается с ростом содержания незаменимых полиненасыщенных жирных кислот (витамины группы F). Наиболее ненасыщенными маслами являются конопляное, льняное, хлопковое, затем маковое, подсолнечное, соевое, кукурузное, оливковое. Особое значение имеют масла, получаемые из зародышей пшеницы и кукурузы, — это уникальный природный комплекс витаминов группы F, токоферолов, каротиноидов, кальциферолов и других биологически активных соединений. Встречаются и твердые растительные масла (кокосовое, пальмовое, какао), которые, как и большинство животных жиров, содержат в основном насыщенные жирные кислоты. Температура плавления говяжьего, свиного, молочного жира составляет 20—50 С, а жира человека — около 20 С. Переработка пищевых масел включает рафинизацию и дезодорирование, отделение фосфолипидов, стероидов, каротиноидов, витаминов, что улуч- шает некоторые товарные свойства, но существенно снижает

117

биологическую ценность конечного продукта. Каталитическая гидрогенизация ненасыщенных масел приводит к восстановлению двойных связей и получению маргарина. Прогоркание жиров в значительной степени представляет собой процесс перекисного окисления полиненасыщенных жирных кислот ацилглицеринов. Для подавления окисления в жиры и масла добавляют антиоксиданты — природные или синтетические соединения с антирадикальной, антиоксидантной активностью. Антиоксиданты эффективно реагируют и инактивируют свободнорадикальные органические и неорганические соединения, инициирующие перекисное окисление липидов, обрывают разветвленное цепное окисление. Природные витамины группы Е, аскорбиновая кислота, полифенолы, а также синтетические трет-бутиль- ные производные фенола (3-трет-бутил-4-гидроксианизол) и эфиры галловой кислоты относятся к активным пищевым антиоксидантам. Жиры используют для получения мыла в реакциях гидролиза сложноэфирных связей щелочами или ферментами липазами.

Мировое производство природных жиров достигает около 40 млн тонн в год! Животные и растительные жиры — важнейшие компоненты пищи человека, обеспечивают около 30 % потребности в энергии за счет биохимического окисления жирных кислот, служат источником и средством доставки в организм жирорастворимых витаминов, используются как исходные вещества для биосинтеза фосфолипидов, гликолипидов, эйкозаноидов и многих других биомолекул.

Жиры и продукты их переработки широко используются в технике, промышленности, питании, косметологии и медицине.

ФОСФОЛИПИДЫ

Фосфолипиды — это широко распространенная группа природных липидов, в которых остаток фосфорной кислоты связан с производным многоатомного спирта. Наиболее распространены четыре спирта — трехатомный спирт глицерин (глицерол), двухатомный мононенасыщенный аминоспирт сфингозин, цикличе- ский шестиатомный спирт инозит (инозитол) и двухатомный этиленгликоль. По особенностям химической структуры фосфолипиды делят на несколько групп:

глицерофосфолипиды;

сфингофосфолипиды;

диольные фосфолипиды.

118

Фосфолипиды выделяют из биообъектов экстракцией метанолом, промыванием ацетоном с последующей тонкой очисткой на индивидуальные соединения методом адсорбционной хроматографии. Большинство фосфолипидов амфифильны, обладают чрезвычайно высокой поверхностной активностью и способны образовывать мицеллы. Мицеллы фосфолипидов — это достаточ- но стабильные коллоидные агрегаты, которые образуются только при концентрациях, превышающих для каждого вещества узкую область, называемую критической концентрацией мицеллообразования (ККМ). Для фосфолипидов ККМ равна 10—10 моль/л, а для обычных детергентов ККМ составляет в лучшем случае всего лишь 10—6 моль/л, т. е. фосфолипиды образуют мицеллы как минимум в десятки тысяч раз эффективнее любого синтетиче- ского соединения. Поэтому эволюционный выбор фосфолипидов в качестве основы для построения биологических мембран не случаен. В полярной среде (например, в воде) фосфолипидные мицеллы устроены таким образом, что гидрофобные остатки жирных кислот локализуются внутри, а гидрофильные заряженные участки («головки») молекулы экспонируются наружу (рис. 27). В неполярной среде мицеллы выворачиваются. Фосфолипиды способны формировать и более крупные мицеллярные частицы, так называемые липосомы, во внутреннюю полость которых можно ввести различные соединения. Липосомы легко сливаются с плазматическими мембранами, передавая свое содержимое внутрь клеток. Такие липосомы часто используются в качестве носителя для направленной доставки лекарственных соединений в пораженные болезнью участки тела, органы и ткани.

Ðèñ. 27. Схема организации фосфолипидных мицелл бислоя

119

Фосфолипиды эффективно образуют нековалентные комплексы с гидрофобными участками на поверхности белков, регулируя их структуру и функциональные свойства. Таким образом, фосфолипиды формируют все типы биологических мембран всех одноклеточных и многоклеточных организмов, составляя около половины всех мембранных липидов (рис. 28).

Ðèñ. 28. Схема организации биологической мембраны

Фосфолипиды легко подвергаются деградации в результате перекисного окисления ненасыщенных жирных кислот, входящих в их состав. Такие реакции, в норме протекающие во всех аэробных клетках, могут радикально усиливаться под действием повреждающих физико-химических факторов внешней среды (ионизирующие и неионизирующие излучения, химические соединения), а также при различных заболеваниях. Защита организма от неблагоприятных последствий перекисного окисления фосфолипидов осуществляется антиоксидантной системой клеток. Эта система является совокупностью небелковых антиоксидантов (токоферолы, ретиноиды, аскорбиновая кислота, биофлавоноиды, глутатион и др.) и разнообразной группы антиокислительных ферментов. В настоящее время антиоксиданты успешно применяются для лечения вирусных, онкологических, сердеч- но-сосудистых, эндокринологических и других заболеваний че- ловека.

Фосфолипиды редко накапливаются в виде запасных отложений, таких как, например, желток птичьих яиц.

120

Фосфолипиды получают в промышленных масштабах из яиц птиц, из соевых бобов, рафинированием растительных масел.

Глицерофосфолипиды

Глицерофосфолипиды — ýòî R3-замещенные производные фосфатидной кислоты, которая является предшественником в биосинтезе фосфолипидов. В состав глицерофосфолипидов входят остатки жирных кислот (радикалы R1 è R2) и полярные группировки (радикал R3). Íà

основании структуры радикала R3 глицерофосфолипиды подразделяются:

íà фосфатидилхолины (лецитины; R3 = остаток холина);

фосфатидилэтаноламины (кефалины; R3 = остаток этаноламина);

фосфатидилсерины (R3 = остаток серина);

фосфатидилинозиты (R3 = остаток ìèî-инозитола);

фосфатидилглицерины (R3 = остаток глицерина).

Ðèñ. 29. Строение глицерофосфолипидов

121