Флаг Красной армии Киевское высшее общевойсковое командное дважды...
В большинстве продуктов растительного происхождения содержатся так называемые балластные вещества, не перевариваемые в желудочно-кишечном тракте,- клетчатка и пектин. Однако они необходимы человеку. Если пища бедна ими, возникают атония кишечника и запоры. Таким образом, клетчатка является регулятором двигательной функции кишечника.
Клетчатка улучшает работу кишечника, замедляет гнилостные процессы и газообразование, уменьшает всасывание некоторых вредных веществ. Так, например, для профилактики профессиональных заболеваний у работающих с солями металлов и с радиоактивными веществами рекомендуется употреблять в пищу красную смородину , которая содержит много пектинов.
Полисахарид: Клетчатка
Клетчатка (целлюлоза) - полисахарид, составляющий главную массу клеточных стенок растений. Клетчатка нерастворима в воде, она лишь набухает в ней. Клетчатка составляет более 50% древесины. В волокнах хлопка она составляет более 90%. При кипячении с крепкой серной кислотой клетчатка нацело превращается в глюкозу. При более слабом гидролизе из клетчатки получается целлобиоза.
В молекуле клетчатки остатки целлобиозы связаны гликозидными связями в виде длинной цепочки. Молекулярная масса клетчатки точно не установлена. Полагают, что клетчатка не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь гомологичных веществ. Молекулярные массы клетчатки, полученной из различных источников, весьма сильно колеблются: хлопок - 330 000 (в цепочке 2020 гликозидных остатков); рами - 430 000 (2660 остатков), еловая древесина - 220 000 (1360 остатков). С помощью рентгеноструктурного анализа установлено, что молекулы клетчатки имеют нитевидную форму. Эти нитевидные молекулы соединяются в пучки - мицеллы. Каждая мицелла состоит приблизительно из 40-60 молекул клетчатки.
Соединение отдельных молекул клетчатки в мицеллы происходит благодаря водородным связям, которые осуществляются как за счет водородных атомов гидроксильных групп клетчатки, так и за счет адсорбированных клетчаткой молекул воды. В клеточных стенках растений мицеллы клетчатки связаны водородными связями с различными гетерополисахаридами. Например, у белого клена ими являются соединенные между собой гликозидными связями ксилоглюкан, состоящий из остатков глюкозы, ксилозы, галактозы и фукозы; арабиногалактан, построенный из остатков арабинозы и галактозы; рамногалактуронан, образованный остатками галактуроновой кислоты и рамнозы. Кроме того, имеются данные о том, что в построении клеточной стенки растений, особенно на ранних этапах ее образования, принимает участие также особый, богатый оксипролином гликопротеид экстензин. При одревеснении клеточных стенок в них накапливается также лигнин.
Клетчатка не переваривается в желудочно-кишечном тракте человека. Она, переваривается лишь жвачными животными, в желудке которых имеются особые бактерии, гидролизующие клетчатку с помощью выделяемого ими фермента целллюлазы.
Гемицеллюлозы (полуклетчатки). Под этим названием объединяют большую группу высокомолекулярных полисахаридов, не растворяющихся в воде, но растворимых в щелочных растворах. Гемицеллюлозы содержатся в значительном количестве в одревесневших частях растений: соломе, семенах, орехах, древесине, кукурузных початках. Большое количество гемицеллюлоз содержится в отрубях. Гемицеллюлозы гидролизуются кислотами легче, чем клетчатка. При этом они образуют маннозу, галактозу, арабинозу или ксилозу и поэтому соответственно носят названия - маннаны, галактаны и пентозаны (арабан или ксилан).
В цикле Кальвина - Бенсона образуется, как уже отмечалось выше, фруктозо-6-фосфат (F-6-P). Этот гексозофосфат может под действием специфических ферментов превращаться в другие фосфорилированные гексозы, а именно в глюкозо-6-фосфат (G-6-P) и глюкозо-1-фосфат (G-1-P). Легко происходит и обратное превращение.
Из этих трех гексозофосфатов строятся затем цепи углеводных молекул, используемых для транспорта, хранения и в реакциях синтеза. Чтобы такие превращения могли произойти, гексозофосфаты предварительно должны быть активированы. Это обычно достигается в результате их присоединения к нуклеотидам - сложным кольцевым структурам, сходным с адениловой кислотой АТР. Продуктом такой реакции присоединения оказываются нуклеотидные производные моносахаридов, или нуклеотидсахара. Чаще других встречаются уридиндифосфоглюкоза (UDPG), образующаяся в реакции между уридинтрифосфатом (UTP) и глюкозо-1-фосфатом (G-1-P). Сам UTP образуется непрямым путем, в результате переноса фосфатной группы от АТР к UDP (уридиндифосфату).
Нуклеотиды АТР и UTP присутствуют во всех клетках, потому что они используются наряду с другими нуклеотидами в синтезе ДНК и РНК.
Сахара транспортируются по растению в виде сахарозы - дисахарида, состоящего из остатков глюкозы и фруктозы (рис. 5.2). Сахароза образуется в реакции между UDPG и F-6-P:
Равновесие этой реакции сильно сдвинуто в сторону синтеза сахарозы, чем обеспечивается возможность накопления данного дисахарида в значительных концентрациях. Для последующего использования сахароза должна предварительно подвергнуться расщеплению: фермент инвертаза катализирует ее гидролиз с образованием свободной глюкозы и фруктозы.
Энергия гликозидной связи в такой реакции растрачивается впустую, распределяясь между двумя молекулами. Поэтому если глюкозе и фруктозе предстоит распад в процессе дыхания или участие (в качестве сырья) в синтезе полисахаридов, то они должны предварительно вновь подвергнуться фосфорилирова- нию за счет АТР. Процессы синтеза и распада сахарозы наглядно показывают, что часто анаболические и катаболические реакции (реакции синтеза и распада) идут по разным путям.
Синтез крахмала и целлюлозы
Длинные полимерные цепи крахмала и целлюлозы построены из одних и тех же элементарных звеньев - остатков глюкозы, только соединенных по-разному. Это структурное различие обусловливает то, что два рассматриваемых полимера глюкозы (глюканы) существенно различаются по своей природе; крахмал, например, легко переваривается в организме человека" а целлюлоза совсем не переваривается. Главное же их различие состоит в том, что 1-й и 4-й углеродные атомы двух соседних остатков глюкозы соединены у крахмала α-связями, а у целлюлозы (β-связями (рис. 5.3). Крахмал представлен двумя формами: линейным полимером, или амилозой, не содержащим никаких других связей, кроме α-1,4-гликозидных, и разветвленным полимером, или амилопектином, в котором наряду с α-1,4-гликозидными связями имеются и 1,6-связи. Различие в характере связей определяет и неодинаковое пространственное расположение полимерных цепей. Крахмал - главный запасной полисахарид растения. Он нерастворим в воде и отлагается слой за слоем в крахмальных зернах, содержащихся в хлоропластах (см. рис. 2.20) или в лишенных хлорофилла лейкопластах запасающих тканей стебля, корней и семян. Иногда клетки запасающей ткани оказываются буквально забиты крахмальными зернами, которые легко в них выявить, поскольку они способны окрашиваться иодом в синий цвет. Будучи нерастворим в воде, крахмал в отличие от сахарозы и от гексоз не вызывает в клетках осмотического эффекта (см. гл. 6). Поэтому образование крахмала в клетках листа в периоды интенсивного фотосинтеза предотвращает подавление последнего, происходящее в результате накопления продуктов фотосинтеза. В темноте крахмал постепенно снова гидролизуется с образованием глюкозофосфата, который затем превращается в сахарозу, транспортируемую в другие части растения.
Рис. 5.3. Структура крахмала (А) и целлюлозы (Б) (С изменениями по J. Bonner, A. W. Galston. 1952. Principles of Plant Physiology, San Francisco, W. H. Freeman and Co.) Обратите внимание, что химические формулы крахмала и целлюлозы одинаковы, различаются же эти полисахариды пространственной ориентацией их кислородных мостиков. А. Крахмал, главный запасной полисахарид растения, построен из двух хорошо различимых компонентов: амилозы с ее длинными неразветвленными цепями из глюкозных звеньев и амилопектина, состоящего из большого числа коротких разветвленных цепей. Б. Целлюлоза, главный компонент первичной клеточной стенки, существует в виде длинных полимерных цепей. Цепи объединяются в мицеллярные тяжи, а последние - в микрофибриллы. Микрофибриллы, достаточно крупные для того, чтобы их можно было рассмотреть при помощи электронного микроскопа, составляют "основу" и "уток" клеточной стенки
Исходным продуктом для синтеза крахмала служит аденозиндифосфоглюкоза (ADPG), образующаяся из АТР и G-1-P:
Молекула крахмала строится путем постепенного добавления одного глюкозного остатка за другим в реакции ADPG с предобразованной глюкозной цепью:
При низком содержании сахарозы крахмал расщепляется и. переводится в сахарозу. Однако сначала он расщепляется до остатков глюкозы и к каждому из них присоединяется остаток фосфорной кислоты, т. е. образуется G-1-P, чем обеспечивается сохранение энергии связи:
Этот G-1-P может затем использоваться для синтеза сахарозы, который мы описали выше. В семенах и в некоторых других органах, в которых одновременно идет расщепление больших количеств крахмала, он распадается до дисахарида мальтозы (G-G) под действием аα-амилазы. Мальтоза затем распадается до глюкозы, из которой (для транспорта) вновь синтезируется сахароза. На этом втором пути в отличие от первого энергия связи не сохраняется, поэтому здесь для превращения глюкозы в глюкозо-6-P требуется АТР.
Целлюлоза, самый распространенный на Земле углевод, служит главным компонентом первичной клеточной стенки. Молекулы ее строятся подобно тому, как строятся молекулы крахмала, с тем, оцнако, отличием, что роль донора глюкозы играет другое нуклеотидное производное моносахарида - гуанозин- дифосфоглюкоза (GDPG) - и что связь между мономерными.звеньями принадлежит не к α-, а к β-типу.
В некоторых случаях донором глюкозы для синтеза целлюлозы может быть и UDPG.
В организме высших растений целлюлоза расщепляется редко (если не считать распада, обусловленного деятельностью микробов). Два известных исключения из этого правила касаются клеток в отделительной зоне листа, образующейся перед сбрасыванием листьев, и сосудов ксилемы, у которых поперечные стенки растворяются. В отделительной зоне листа фермент целлюлаза разрушает клеточные стенки, расщепляя содержащуюся в них целлюлозу до отдельных мономерных единиц, т. е. до глюкозы. Клеточные стенки, ослабленные этим процессом, в конце концов разрываются, и лист сбрасывается.
Целлюлозные микрофибриллы в клеточной стенке скреплены при помощи матрикса из смешанных полисахаридных цепей, главным образом ксилоглюканов и арабиногалактанов (см. рис. 2.31). (Ксилоза и арабиноза - пятиуглеродные сахара (пентозы), а галактоза - гексоза, родственная глюкозе.) Эти полисахариды синтезируются также из предшественников, нуклео- тидсахаров, преимущественно в диктиосомах. Отшнуровывающиеся от диктиосом пузырьки в конце концов сливаются с плазмалеммой и таким путем передают свое содержимое формирующейся клеточной стенке.
Итак, все полисахариды легко переходят один в другой, но синтез их всегда идет через стадию нуклеотидсахаров, тогда как распад совершается более прямым путем.
Клеточная стенка образуется в результате развития срединной пластинки. Сразу после полного разделения ядра растительной клетки в телофазе митоза поперек делящейся клетки образуется фрагмопласт. Он состоит из множества уплощенных мембранных везикул - фрагмосом, содержащих компоненты клеточной стенки. В их построении участвует цитоскелет. Все полисахариды клеточной стенки, за исключением целлюлозы, синтезируются в аппарате Гольд-жи. Они упаковываются в везикулы, которые транспортируются к растущей
срединной пластинке и сливаются с ней. Срединная пластинка увеличивается по направлению к плазмалемме и соединяется с ней, разделяя две дочерние клетки. Наконец, вновь образующаяся клеточная стенка соединяется с уже существующей первичной клеточной стенкой.
Практически все «нецеллюлозные» компоненты клеточной стенки - полисахариды, структурные белки, широкий спектр ферментов - образуются в аппарате Гольджи и в его везикулах координированно направляются к клеточной стенке.
До сих пор не идентифицированы гены, кодирующие полисахаридсинтазы, участвующие в синтезе основных цепей «нецеллюлозных» полимеров. Идентифицированы гены нескольких фукозил- и галактозилтрансфераз, которые присоединяют отдельные сахара к главной цепочке.
Единственными полимерами, которые синтезируются с внешней стороны плазмалеммы, являются целлюлоза и каллоза. Целесообразность этого становится очевидной, если принять во внимание большую длину образующихся микрофибрилл целлюлозы и необходимость их филигранной укладки в клеточную стенку. Каллоза отличается от целлюлозы наличием β 1 → 3-D-глюкано-вых цепочек, которые могут образовывать спиральные дуплексы и триплексы. Каллоза образуется в нескольких типах клеток на определенных стадиях формирования клеточной стенки, например в прорастающей пыльцевой трубке или срединной пластинке делящихся клеток. Каллоза может также синтезироваться при стресс-реакциях или в ответе на грибную инфекцию.
Синтез целлюлозы катализируется мультимерными комплексами ферментов, расположенными на концах удлиняющихся микрофибрилл целлюлозы. Эти терминальные комплексы хорошо различимы под электронным микроскопом.
Рис. 1.30. Схема строения и работы целлюлозосинтазы
В некоторых морских водорослях терминальные комплексы синтеза целлюлозы расположены линейно; у всех покрытосеменных растений они формируют розеточные структуры. Терминальные комплексы появляются в мембране плазмалеммы в момент активации синтеза целлюлозы.
Исходным субстратом для целлюлозосинтазы является УДФ-глюкоза. Она образуется с помощью фермента сахарозосинтазы непосредственно из сахарозы. Ряд изоформ этого фермента находятся в плазматической мембране. Они ассоциированы с целлюлозосинтазой и могут поставлять УДФ-глюкозу непосредственно к ее каталитическому центру (рис. 1.30).
Относительно недавно были идентифицированы несколько растительных генов, кодирующих ферменты синтеза целлюлозы, в частности гены CesA, которые интенсивно экспрессируются в хлопковых волокнах во время активного синтеза целлюлозы вторичной клеточной стенки. Кодируемые этими генами полипептиды имеют восемь трансмембранных доменов и массу около 110 кДа. Открытие генов CesA дало возможность идентифицировать ряд других генов, кодирующих синтазы полисахаридов клеточной стенки.
Гемицеллюлозы, состоящие в основой из безводных остатков D-ксилозы, широко распространены в растительном царстве как компоненты клетки. Часто их рассматривают в качестве веществ, цементирующих ткани растения. Были исследованы гемицеллюлозы, выделенные из соломы, листьев, отрубей, эндосперма и зародыша пшеницы Triticum vulgare.
Синтез целлюлозы и пентозанов в растении недостаточно изучен. Гипотеза о том, что пентозаны образуются непосредственно из гексоз в результате окислительного декарбоксилирования, получила поддержку в работах Кострубина, который показал, что содержание свободных фруктозы и фруктозанов в стебле пшеницы уменьшается по мере усиления процессов лигнификации и возрастания количества гемицеллюлозы. Путем подкормки растущих растений пшеницы простыми сахарами, меченными С14, Нейш установил, что предшественником как целлюлозы, так и ксилозы является глюкоза. Распределение С14 указывает, что главным путем синтеза ксилана является отщепление углерода от глюкозы в положении 6 и что пентозы превращаются в ксилан только при образовании в качестве промежуточного соединения глюкозы.
Внешний вид выделенных гемицеллюлоз зависит в основном от метода извлечения. При наличии заметных количеств воды и высушивании образца на воздухе полученный продукт обычно представляет твердую, роговидную массу янтарного цвета, с трудом поддающуюся диспергированию или растворению. В том случае, когда образец высушивался с помощью растворителей с постепенно уменьшающейся полярностью, как правило, получали порошки белого цвета. При лиофильном высушивании очень разбавленных водных дисперсий гемицеллюлозы выделяли продукты с наименьшей плотностью и наибольшей растворимостью.
При гидролизе гемицеллюлозы и пентозаны дают производные пентоз и гексоз. Мономерными единицами, чаще всего встречающимися в пентозанах и гемицеллюлозах злаков, являются пентозосахара D-ксилоза и L-арабиноза. Кроме того, имеются данные о наличии некоторых гексозо-сахаров и их производных. К ним относятся D-галактоза, D-глкжоза, D-глюкуроновая кислота и 4-О-метил-1)-глюкуроновая кислота. В общем гемицеллюлозы и пентозаны, выделяемые из хлебных злаков и трав, характеризуются присутствием остатков L-арабофуранозы, соединенных в виде боковой цепи из единственного остатка с основной цепью из D-ксилопиранозных остатков. Обычно боковые цепи присоединяются в положении третьего остатка D-ксилозы, однако в некоторых случаях остатки D-глюкуроновой кислоты или 4-О-метил-глюкуроновой кислоты могут присоединяться в положении 2 или 3.
В своем обзоре, посвященном растительным гумми, Херст установил, что большинство этих гумми и растительных слизей обладает сильно разветвленной структурой, при которой гидроксильные группы расположены идеально для связывания молекул воды. Вследствие этого даже в наиболее концентрированных растворах гумми остаются сильно гидра — тированными. Тем не менее должны существовать межмолекулярные водородные связи между самими молекулами гумми, которые в сильно разбавленных растворах не проявляются достаточно сильно, но с удалением воды обнаруживают тенденцию к образованию структуры возрастающей жесткости. Возможно, что характерные физические свойства гумми и растительных слизей объясняются каким-то тонким взаимодействием между этими противоположными реакциями.
При получении и выделении углеводов из растительных тканей ферменты могут осуществлять их случайное расщепление или вызывать модификацию. Опыты на непроросших пшенице и ячмене показали, что встречающиеся в естественных условиях ферменты могут разрушать межмолекулярные связи молекулы пентозана, что приводит к быстрому снижению вязкости, сопровождающемуся медленным образованием свободных восстанавливающих групп. Это действие ферментов усиливается при прорастании зерна. Изменение соотношения между ксиланом и арабаном в пентозане изменяет его растворимость и может вызвать также растворение первоначально не растворяющихся в воде гемицеллюлоз. Хотя атакуемость пентозанов пентозаназами часто облегчает выделение некоторых компонентов клеточных стенок, а также клейковины и крахмала, остается непреложным фактом необходимость соблюдения определенных предосторожностей, чтобы в процессе получения гемицеллюлоз и пентозанов избежать их ферментативного расщепления.
