Биологические функции полисахаридов

Поскольку полисахариды в тканях и биологических жидкостях находятся только в связанном состоянии с белком, то правильнее рассматривать биологическое значение преимущественно углеводного компонента в тех углевод-белковых комплексах, в которых на его долю приходится большая часть. Такие углевод-белковые комплексы называют протеогликанами в от­личие от гликопротеидов, у которых углеводный фрагмент меньше, чем белковый, или имеет некоторые особенности (см. гл. «Смешанные макромо­лекулы»). К наиболее важным функциям полисахаридов отйосятсй: энергети­ческая, опорная, защитно-механическая, связующая (структурная), гидро­осмотическая и ионрегулирующая, кофакторная.

Энергетическую функцию выполняют резервные полисахариды — крахмал и гликоген. Они являются депо углеводов в клетке и при необходимости быст­ро расщепляются на легко усвояемый источник энергии — глюкозу. Гликоген и крахмал пищи выполняют ту же функцию после обработки их ферментами пищеварительного тракта.

Опорную функцию выполняют структурный полисахарид целлюлоза в растительных организмах и хондроитинсульфаты в костной ткани.

Защитно-механическая — типичная функция кислых гетерополисахарн- дов. Высокая вязкость и слизеподобная консистенция кислых гетероиоли- сахаридов объясняет их роль биологического смазочного материала, защищающего поверхность клеток. Выстилая трущиеся поверхности сосудов, мочеполовых путей, пищеварительного тракта, слизистой носа, трахеи, брон­хов, суставов (синовиальная жидкость) и т. д.,. они предохраняют их от механического повреждения. Механическую устойчивость внутренним органам при сжатии и вибрации придают межклеточные-гелеподобные мукополиса- хариды; у водных растений они обусловливают упругость и прочность при ударах воды.

Связующая, или структурная, функция — кислые гетерополисахариды являются структурным межклеточным веществом, одновременно выполняю­щим функцию биологического цемента (например, гиалуроновая кислота).

Гидроосмотйческая и ион регулирующая функции. Кислые гетерополиса­хариды благодаря высокой гидрофильности и отрицательному заряду способны удерживать большие количества воды н катионов. Например, ги­алуроновая кислота — чрезвычайно гидрофильный полисахарид. Она связы­вает межклеточную воду и катионы, регулируя межклеточное осмотическое давление. Подобно осмометру эта кислота препятствует излишнему скоплению свободной воды в межклеточном пространстве. Избыточное связывание некоторых ионов может привести к нарушениям, например, к кальцификации сосудистой стенки.

Кофакторная функция. Некоторые гетерополисахариды, такие как гепа­рин и гепарансульфат, действуют как кофакторы ферментов. При соеди­нении с белком они образуют активный белок — полисахаридный комплекс. Гепарин проявляет свойства тех ферментных белков, у которых он играет роль кофактора. Поэтому у него проявляется антисвертывающая функция (задерживает свертывание крови) и Энтилипемическая (снижает уровень липидов в крови, активируя их расщепление). Антикоагулирующими свойст­вами обладает и дерматансульфат, который содержится в аорте.

На практике гепарин и сульфатированные синтетические полисахариды (гепариноиды) широко применяют как антикоагулянты и противоатероскле- ротическне (препятствующие отложению лнпидов в сосудах) препараты.

ГЛАВА 5. НУКЛЕИНОВЫЕ КИСЛОТЫ

Нуклеиновые кислоты были впервые выделены швейцарским ученым Ф. Ми- " шером (1868) из ядер клеток гноя. Он показал, что это соединение содержит фосфор, и назвал его нуклеином (от лат. nucleus.— ядро). По современным понятиям это был нуклеопротеид. В 1872 г. Мишер использовал другой материал, богатый ядрами, — сперму лососей — для выделения нуклеиновых кислот. И вновь им была получена нуклеиновая кислота в соединении с ве­ществом основного характера, получившим название протамин. Впоследствии из объектов животного, растительного мира и микроорганизмов были выделены разные нуклеиновые кислоты. Наилучшим источником нуклеиновых кислот оказались клетки, имеющие большое ядро, поэтому широко исполь­зовалась вилочковая железа (тимус). Гидролиз нуклеиновой кирлоты из тимуса показал, что в ней содержатся пуриновые и пнримидиновые осно­вания (аденин, гуанин, цитозин, тимин), 2-дезокси-0-рибоза и фосфорная кислота. Эту кислоту назвали дезоксирибонуклеиновой (ДНК)- Из дрож­жей была получена другая нуклеиновая кислота, содержащая вместо тимина урацил и вместо дезоксирибозы рибозу. Ее назвали рибонукленновЬй кисло­той (РНК)- Лишь в начале 40-х годов нашего столетия было доказано, что РНК тоже является обязательным компонентом всех животных, растительных и бактериальных клеток.

1. Общая характеристика нуклеиновых.кислот

Нуклеиновыми кислотами или полинуклеотидами называются высокомолеку­лярные вещества, ' состоящие из мононуклеотидов, соединенных в цепь З'.б-фосфодиэф ирными связями.

Общее содержание ДНК и РНК в клетках зависит от их функци­онального состояния. В сперматозоидах количество ДНК достигает 60% (в пересчете на сухую массу клеток), в большинстве клеток 1 — 10, а в мышцах около 0, 2%. Содержание РНК, как правило, в 5—10 раз больше, чем ДНК- Соотношение РНК/ДНК в печени, поджелудочной железе, эмбриональных тканях и вообще в тканях, активно синтезирующих йелок, составляет от 4 до 10. В тканях с умеренным синтезом белка соотно­шение колеблется от 0, 3 до 2, 5. Особое место занимают вирусы. У них в качестве генетического.материала может быть либо ДНК (ДНК-овые вирусы), либо РНК (РНК-овые вирусы).

В клетках бактерий, не имеющих ядра (прокариоты), молекула ДНК (хромосома) находится в специальной зоне цитоплазмы — нуклеоиде. Если она связана с клеточной мембраной бактерии, то ее называют мезосо- мой. Фрагмент ДНК меньших размеров локализуется вне этой хромосомной зоны. Такие участки ДНК в бактериях называются, плазмидами или эписомами. В клетках, имеющих ядро (эукариоты), ДНК распределена между ядром, где она входит в состав хромосом и ядрышка, и внеидерными орга­ноидами (митохондриями и хлоропласта ми). Имеются наблюдения, что в очень малых количествах ДНК присутствует в микросомах. Однако это еще требует доказательств.

Примерно 1 — 3% ДНК клетки приходится на внеядерную ДНК, а остальное сосредоточено в ядре. Значит, наследственные свойства характерны не только для ядра, но и для митохондрий и хлоролластов клеток. Необычно высоким содержанием внеядерной ДНК отличаются зрелые яйцеклетки, у которых она присутствует в многочисленных митохондриях и желточных пластинках, причем в последних является не генетическим материалом, а резервом нуклеотидов.

РНК в отличйе.от ДНК распределена по клетке более равномерно. Уже одно это обстоятельство говорит о том, что функция РНК более динамична и многообразна. В клетках высших организмов около 11% всей РНК находится в ядре, около 15% —в митохондриях, 50% —в рибосомах и 24% — в гиалоплазме. 70

Молекулярная масса ДНК зависит от степени сложности живого объекта: у бактерий она составляет 2 • 10^s, у человека и животных достигает 10". У бактерий ДНК находится в виде единичной гигантской молекулы, слабо связанной с белками. В других объектах ДНК окружена белками или простейшими аминами. У вирусов это простейшие основные белки или поли­амины (путресцин я спермидин), которые нейтрализуют отрицательный заряд молекулы ДНК, связываясь с ее фосфатными группами., В - сперматозоидах некоторых животных и рыб ДНК образует комплексы с протаминами и гистоноподобнымн белками. В хромосомах клеток человека и других высших организмов ДНК связана с гистонами и негистоновыми белками. Такие комп­лексы белка с ДНК называют дезоксирибонуклеопротеидами (ДНП).

РНК имеет значительно меньшую молекулярную массу, чем ДНК- В зависимости от выполняемой функции, молекулярной массы и состава нуклеотидов выделяют следующие главные типы РНК: информационная, или матричная (мРНК), транспортная (тРНК) и рибосомальная (рРНК). Разные рРНК различаются по молекулярной массе (табл. 13). Кроме трех

главных типов есть минорные, или редкие, РНК, содержание которых в клетке незначительно, и функции их только изучаются.

Большинство типов РНК связано в клетке с различными белками. Такие комплексы называются рибонуклеопротеидами (РНП). Характеристика нуклеиновых кислот суммирована в табл. 13.

2. Компоненты нуклеиновых кислот Выделенные и очищенные ДНК и РНК гидролизуют в специальном режиме кислотами (ДНК) или щелочами (РНК); чаще гидролиз проводят специаль-

Нуклеопротенды i

{-------

дкп

(Дезок сирибонуклеопротенд)

протамнны и яр.)

ДНК

Главные мононуклеотиды - (дезоксирибоиуклеотнды)

д-АМФ д-ГМФ д-ЦМф д-ТМФ

Главные мононуклеотиды (рибонуклеотнды)

АМФ ГМФ ЦМФ УМФ

X

Дезок сир ибоиук леознцы д-Аденозмн д-Гуаиозин д-Цитндии ц-Тимишн

XI

Г

N-Основаиия Аденин Гуанин Цитоэии

Рнбонуклеоэиды Аде но энн Гуанозия Цитидин Урнднн —t—

Ы-0 снования Аденци Гуанин Цитоэии; Урация;

Рис. 7. Схема разделения нуклеиновых к

ными ферментами — нуклеазами, которые разрывают фосфодиэфирные связи в полинуклеотидах. При гидролизе фосфоднэфнрных связей нуклеиновых кислот освобождаются их структурные мономеры — мононуклеотиды, которые состоят из азотистого основания, пентозы и фосфорной кислоты {рис. 7).

Азотистые основания

Азотистые основания нуклеиновых кислот делятся по химическому строению на две группы — пуриновые и пиримидиновые. Среди них имеются главные и редкие (минорные) пуриновые и пиримидиновые основания. К главным пуриновым относятся аденин и гуанин; к пиримидиновым — цитозин, урацил и тимин. В ДНК входят аденин, гуанин, цитознн и тимнн, а в РНК — все те же основания, за исключением тимина, который замёнен урацилом. Глав­ные основания имеют следующее строение:

Nf^CH

14 5 14' Ln П1» un " И V™'V.

«У»

(5-м егклурядил)

I ' I

*fh< ^x N ^VX HM -V\

ll л»сн СН I У с

Важной особенностью их является способность к лактам-лактимной -тауто­мерии. Например:

но о........

ноАЛ

У

Минорные основания встречаются главным образом в тРНК и в следовых количествах в рРНК. К ним относятся дополнительно метилированные пури­новые и пиримидиновые основания (например, 2-метиладенин, {-метилгуанин, 5-метилцитозин, 5-оксиметилцитозин н др.).

Нуклеозиды

Вещества, в которых азотистые основания соединен^ с пентозой, назы­ваются нуклеозидами. Нуклеозиды относятся к N-гликоЗкдам'. У них атом, С-1 пентозы связан с N-3 пурина или N-1 пиримидина. Ъ зависимости от типа пентозы различают два вида нуклеозидов — дезоксирибонуклеозиды, содержащие 2-дезоксирибозу, и рибонуклеозиды, содержащие рибозу:

NH,

Дезоксирибонуклеозиды входят только в ДНК, а рибонуклеозиды — только в РНК. Пиримидиновые и пуриновые-нуклеозиды содержат соответствующие азотистые основания:,

Рибонуклеозиды

Аденнк + рибоза — яденозии Гуакнн + рнбоэа — гуанознн ЦНтозхн + рнбоэа — цетклин Ураикл +■ рнбоэа — урнднн

Д еэоксирибоиукдеои иды

Аденнн + дезоксирибоза — дезоксиадепоэин Гуаннн+дезоксиркбоза — дезокснгуанознн Цитознн + дезоксирибоза — дезоксииитидин Тниин + дезоксирибоза — дезокситииндин

Кроме' главных встречаются минорные нуклеозиды, в которые входят минорные азотистые основания. Больше всего минорных нуклеозидов содер­жится в тРНК. Наиболее распространенными минорными нуклеозидами, входящими во все тРНК, являются дигидроуридин, псевдоуридин {обозначае­мый сокращенно значком и риботимидин. В псевдоуридине отсутствует обычная N-гликозидная связь. В нем атом С-1 рибозы соединен с атомом С-5 урацила.

Нуклеотиды

Нуклеотиды представляют собой соединения соответствующего типа нуклеози- да с фосфорной кислотой. Они также делятся на рибонуклеотиды, содержа­щие рибозу, и дезоксирибонуклеотиды, содержащие 2'-дезоксирибозу. Ниже приведено строение адениловых нуклеотидов.

Фосфат может присоединяться в разные положения кольца пентоза {в рибонуклеотидах — в положениях 2', 3', 5', в дезоксирнбонуклеотидах — в по­ложения 3', 5'). Имеющиеся в клетке свободные нуклеотиды содержат фосфат­ную группу в" положении 5'. Нуклеознд-5'-фосфаты участвуют в биологиче­ском синтезе; нуклеиновых кислот и образуются при их распаде. Поскольку нуклеозид-5'-фосфаты, или моно'нуклеотиды, являются производными соответ­ствующих куклеозидов, то различают те же главные и редкие рибомоно- нА

снош н- 5' -моЪюфоефцт

нуклеотнды и дезоксирибомононуклеотнды. Удлинение фосфатного конца мо- нонуклеотида за счет присоединения дополнительных фосфатов приводит к образованию нуклеозидполифосфатов:

—I—О—СН- Ан '

т-5'-чонофоеф»т (АМФ) i-js-iwфосфат (ад»)

5ИН-5'-трифосф1Г (АТФ)

Чаще Всего в клетках встречаются нуклеозиддифосфаты и нуклеозидтрифос- фаты. Ниже приводятся названия и сокращенные обозначения нуклеознд- фос фатов:

Рибонуклеоэидфосфаты ю-, дн-, трифосфат «о-, ли-, трифосфат ю-, ди-, трифосфат «о-, ди-, трифосфат

Дезоксирибомухлеоэ идфосфаты MOHO-, ди-, трифосфат НОИО-, дн-, трифосфат иоио-, ди-, трифосфат моно-. ди-. трифосфат

Все нуклеоз ид фосфаты находятся в клетке в виде анионов, поэтому аденсх- зинфосфаты правильнее обозначать АМФ^2-, АДФ^3-, АТФ⁴~. АДФ и АТФ являются макроэргическими, т. е. богатыми энергией, соединениями, химиче­ская энергия которых используется организмом для различных функций. Остальные нуклеозидди- и трифосфаты также участвуют в реакциях синтеза биологических веществ.

Производные нуклеозидов. Среди производных нуклеотндов можно выде­лить циклические нуклеотиды {например, 3', 5'-АМФ и 3', 5'-ГМФ), которые являются универсальными регуляторами обмена вещества внутри клетки. Большая группа производных нуклеотндов служит коферментами различных Ферментов, участвуя в реакциях превращения веществ. Имеются кофермен- ты — производные моионуклеотидов и динуклеотидов (см. гл. 10 «Фер­менты»).

3. Строение н уровни организации нуклеиновых кислот

Нуклеиновые кислоты имеют первичную, вторичную и третичную структуру.