Русский изменить

Ошибка: нет перевода

×

глава 1

Main page / Генетика XXII века / ЛИПИДЫ. УГЛЕВОДЫ. БИОХИМИЯ. / Орнитин (диаминовалериановая кислота). Цикл мочевины. Гуанидиевая группа. Гуанидины. Иминогруппа. Биогенные амины и диамины. Путресцин (1,4-диаминобутан). Кадаверин. Птомаины (трупные яды). Биогенные амины. Цитруллин. Углеводы. Моносахариды. Открытые сахара. Альдозы. Кетозы. α- и β-форма моносахарида. Триозы, тетрозы, пентозы, гексозы. Гликоконъюгаты. Гомо- и гетерополисахариды. Хитин. Глюкозамин. N-ацетил. N-Ацетилглюкозамин (НАГ, NAG). Синовиальная жидкость. Морфогенез. Хитиназы. Гликозиды. Агликон. Глюкозиды, фруктозиды, галактозиды. Пентозиды, гексозиды. Аминосахара.

Содержание

    Главная тема этого раздела – липиды и углеводы, и мы будем продолжать, как и раньше, делать попутные общие биохимические вставки.

    Орнитин (Orn) – еще одна α-аминокислота. На рисунке мы видим, что мысленно можно получить ее из лизина, удалив одну метиленовую группу:

    МП: «лизин орёт, лишившись метиленовой группы». Другое название орнитина – диаминовалериановая кислота. Орнитин – непротеиногенная аминокислота, но она является участником важных биохимических путей, например – цикла мочевины. Дело в том, что, когда нуклеотиды в результате тех или иных событий распадаются, образуется аммиак. Также аммиак образуется, когда в печени происходит распад аминокислот. Когда аммиака становится слишком много, это оказывает угнетающее действие на работу нейронов, и нашему организму нужен способ выведения его из организма, и он делает это с помощью поэтапного превращения аммиака в мочевину, и такое превращение – это часть цикла мочевины. Другие азотсодержащие продукты тоже могут превращаться в мочевину и тоже выделяться почками в мочу.

    Несмотря на то, что моча образуется в почках и выделяется ими же, все реакции цикла мочевины происходят только в гепатоцитах – частично в их митохондриях, частично – в цитозоле.

    Можно перечислить важные особенности мочевины, которые и делают ее удобной для вывода азота: маленький размер молекулы, высокая растворяемость в физиологических жидкостях, способность легко проникать через биологические мембраны. Кроме того, она легко переносится кровью и, что понятно, легко выделяется с мочой:

    Интересно, что земноводные и большинство рыб превращением аммиака в мочевину (или в мочевую кислоту) не занимаются, так как они находятся в тесном и постоянном контакте с водой, так что аммиак просто выводится в процессе осмоса через жабры или через кожу.

    Орнитин также участвует в катаболизме аргинина: на начальном этапе этого процесса от аргинина отщепляется гуанидиевая группа (синоним – гуанидиновая группа), заменяясь на аминогруппу, в результате чего и получается наш орнитин:

    У нас появилась новая группа – гуанидиевая, которая в самом общем виде образует класс органических соединений – гуанидинов, которые могут иметь 5 разных радикалов:

    Понятно, что аргинин является гуанидином.

    И теперь мы можем определить еще очень важную группу – иминогруппу – это двухвалентная группа =NH или >NH. В свободном виде она не встречается, а в составе органических молекул – сколько угодно:

    Когда мы изучали пролин, то там упоминалось, что правильно было бы называть его не аминокислотой, а иминокислотой, и мы легко теперь поймем – почему это так, найдя иминогруппу в составе пролина.

    С орнитином мы все косвенно знакомы не самым приятным образом… Когда животное откидывает копыта, играет в ящик, склеивает ласты или даже дает дуба (не в обиду будь сказано кондукторам), то при гниении трупа активно размножающиеся в нем бактерии декарбоксилируют орнитин. Понятно, что в результате получается 1,4-диаминобутан, у которого есть тривиальное название – путресцин:

    (МП: путресцин — путь в иной мир). Путресцин и дает тот самый отвратительный (грифы, скарабеи и крабы с этим не согласятся) запах гнилостного распада белков, но не только он один. Легко догадаться, что если гнилостные бактерии декарбоксилируют орнитин, то они с таким же успехом делают это и с лизином! В результате получается молекула, которая имеет на одно метиленовое звено больше, чем путресцин – 1,4-диаминопентан, у которого тоже есть тривиальное название – кадаверин (от латинского «cadaver» — труп):

    Итак, две пары: орнитин-путресцин и лизин-кадаверин. Второй член в этих парах получается декарбоксилированием первого, и мнемоническое правило элементарно: начальные буквы в каждой паре соседствуют друг с другом в алфавите: «о-п» и «л-к».

    Но неправильно было бы отождествлять кадаверин и путресцин только с процессами разложения: в свободном виде они присутствуют и в живых организмах и играют свои важные роли, о которых мы еще будем говорить позже.

    В принципе, такой же неприятный, «трупный» запах имеют и другие диамины, получающиеся при декарбоксилировании других аминокислот. Такие биогенные диамины раньше называли птомаинами или трупными ядами, что эмоционально понятно, но фактически неверно, так как их токсичность как раз невелика, и белки при гниении приобретают ядовитые свойства из-за других веществ. Путресцин и кадаверин – это основные биогенные диамины, но, как уже сказано, далеко не единственные («биогенный» — происходящий от живого организма, имеющий биологическое происхождение).

    Из вышесказанного уже понятно, что биогенные амины (в отличие от биогенных диаминов) – это такие органические вещества, которые получаются путем декарбоксилирования аминокислот, не содержащих аминогрупп в своем радикале. Мы уже встречались со многими биогенными аминами: дофамин, адреналин, норадреналин, серотонин, мелатонин и т.д. Амины характерного трупного запаха, к счастью, не имеют, что имеет понятый эволюционный смысл: трупный запах потому и воспринимается нами как отвратительный, что разлагающиеся белки для нас ядовиты, и те животные, мозг которых не научился интерпретировать такие запахи как отвратительные, время от времени, видимо, употребляли падаль в пищу с понятными последствиями, так что у них было меньше возможностей передать свои гены по наследству, чем у тех животных, чей мозг препятствовал поеданию падали.

    Детально исследовать биохимические циклы и пути мы будем позже, и это касается и цикла мочевины, но отдельные метаболиты и отдельные куски циклов и путей мы будем постепенно изучать уже в этом разделе. Еще одна α-аминокислота, принимающая участие в цикле мочевины – это цитруллин:

    Рассмотрев эту молекулу, мы видим, что ее можно мысленно получить из орнитина таким образом, что на конце боковой цепи вместо аминогруппы появляется мочевина. МП: «орнитин помочился под цитрусом».

    Цитруллин интересен тем, что он входит в состав белка клеток сердцевины волос млекопитающих и игл дикобраза. То есть… это еще одна протеиногенная аминокислота?? А как же везде пишут…:) А вот так. В первом томе было написано, что кроме основных 20 протеиногенных аминокислот есть и другие, которые редко встречаются в составе белков, и мы даже выучили селеноцистеин и пирролизин. Теперь же, добавив к этому списку еще и цитруллин, мы знаем 23 протеиногенные аминокислоты.

    С общей биохимической разминкой на этом закончено, и пора начать разбираться в углеводах.

    Углеводы, или сахара – это самые распространенные на Земле биомолекулы. Углеводами их называют потому, что образуются они в результате синтеза молекул углекислого газа и воды. Только растения и некоторые микроорганизмы способны на синтез углеводов «с нуля», то есть используя исключительно молекулы CO2 для построения углеродного скелета молекулы углевода. Животные могут строить сложные углеводы из более простых, но для этого им необходима «затравка»: молекула, в которой уже соединены между собой хотя бы три атома углерода.

    Для подавляющего большинства организмов углеводы являются основным источником питания, а для тех, кто не умеет напрямую улавливать и использовать энергию солнечного света (кажется, это и о нас в том числе), углеводы – это еще и один из основных источников энергии.

    Сахарами углеводы называют потому, что самый распространенный простой углевод является для нас сладким: это глюкоза. Но несмотря на это название, далеко не все углеводы будут распознаваться нашими вкусовыми рецепторами как сладкие. Например, целлюлоза – это тоже углевод, но сколько ни жуй бумагу или карандаш, сладко во рту не станет, потому что целлюлоза не действует на наши рецепторы сладкого вкуса. А вот крахмал тоже является углеводом, и если сырую картошку некоторое время поразжевывать, то сладковатый вкус начнет возникать. В чем же разница между целлюлозой и крахмалом? Дело в том, что, как и белки, углеводы являются сложными молекулами и состоят из цепочек похожих друг на друга простых молекул, лишь одной из которых является глюкоза. Содержащиеся в нашей слюне пищеварительные ферменты способны отщеплять молекулы глюкозы от крахмала, но не от целлюлозы. А вот термиты едят древесину так, что за ушами трещит – возможно, они не просто способны переваривать целлюлозу в своих желудках, но еще и воспринимают ее сладкой.

    Строительные блоки, из которых состоят сложные молекулы углеводов, называют простыми сахарами или моносахаридами.

    Самые мелкие моносахариды имеют всего два атома углерода:

    В самых длинных углеводах насчитывается девять атомов углерода. Такая граница условна, но нам удобно ее где-то прочертить, например вот на числе 9.

    В водных растворах все простые сахара, в которых есть четыре и более атомов углерода, сворачиваются в кольцо просто потому, что такая форма более энергетически выгодна в растворе:

    Незамкнутую в кольцо молекулу моносахарида называют открытой. Все открытые простые сахара представляют собой неразветвленную цепочку атомов углерода, от которой во все стороны торчат атомы водорода и гидроксильные группы, и только один из углеродов несет присоединенный двойной связью кислород. Этот единственный кислород может быть присоединен к крайнему углероду моносахарида, и этот углерод нумеруют первым в молекуле. Мы, конечно, узнаем в этой конструкции давно нам известный альдегид, поэтому такие сахара называются альдозами. Если же единственный атом кислорода соединен двойной связью не с первым, а с другими углеродами цепочки, то мы узнаём здесь кетоны, и такие сахара – это кетозы:

    И у альдоз, и у кетоз атом кислорода является ключевым для замыкания моносахарида в кольцо: он оттягивает на себя электронную пару, общую с углеродом, поэтому в этом месте образуется диполь с частичными зарядами (положительным у углерода и отрицательным у кислорода). Сюда и притягивается та гидроксильная группа, которая присоединена к предпоследнему атому моносахарида, и молекула замыкается в кольцо.

    Присоединенные к углеродам водороды и гидроксилы торчат перпендикулярно воображаемой плоскости кольца. Так как в образовании кольца участвовал гидроксил не от последнего, а от предпоследнего в цепочке атома углерода, то этот последний тоже торчит вверх вместе со всеми присоединенными к нему атомами.

    Гидроксилы и водороды каждый раз будут занимать одно и то же положение при замыкании в кольцо, но есть одно исключение из этого правила: тот гидроксил, который присоединен к первому атому углерода, может торчать либо вниз (α-форма моносахарида), либо вверх (β-форма):

    МП: если представить себе эту молекулу как стул, то основная альфа-форма будет более устойчива, т.к. стоит все-таки на трех ножках:)

    После замыкания в кольцо гидроксил может менять свое положение. На свойства молекулы эти вариации не влияют, и обычно в растворе моносахарида присутствуют и α, и β-формы.

    Соответственно, когда в кольцо сворачивается представитель кетозов, то предпоследний гидроксил соединяется с тем углеродом, с которым соединен кетозный кислород, и точно так же могут образовываться α- и β-формы циклической молекулы.

    Названия всех моносахаридов заканчиваются на «-оза», и это касается не только собственных названий конкретных молекул (типа «фруктоза»), но также и групп моносахаридов, таких как альдозы и кетозы. Например, все простые сахара, в которых имеется три атома углерода, называются триозами, с четырьмя – тетрозами, с пятью – пентозами, и так далее. Глюкозу можно таким образом назвать альдогексозой, так как это альдоза, содержащая шесть атомов углерода.

    Моносахариды, так же, как и аминокислоты, имеют свойство хиральности, то есть существуют молекулы простых сахаров, являющиеся зеркальными отражениями друг друга, которые не совпадут при совмещении. Это и понятно, ведь отдельные части сахаров еще более активно торчат в разные стороны, чем это происходит у аминокислот, так что конечно хиральность будет им присуща. Поэтому все сахара разделили на условно «правые» и «левые»: D- и L-формы. В основном в организмах встречаются D-сахара. Самые распространенные среди гексоз – D-глюкоза и D-фруктоза, и они используются в составе сложных сахаров. Среди пентоз наиболее распространены D-рибоза и 2-дезокси-D-рибоза, которые используются для построения нуклеотидов.

    Из свернутых в кольцо моносахаридов строятся олигосахариды и полисахариды. По этим названиям уже понятно, что олигосахариды – это небольшие цепочки из простых сахаров. Точнее было бы называть структурные единицы олиго- и полисахаридов «моносахаридными остатками», ведь при соединении в цепочки некоторые атомы простых сахаров теряются, но из контекста обычно понятно, что имеется в виду, так что нет смысла усложнять описание излишними словами.

    Олигосахариды, состоящие из двух простых сахаров, называются дисахаридами, и они могут встречаться в клетке в свободном состоянии, не быть присоединенными к чему-то другому. Например, молекула сахара – сахароза – состоит из D-глюкозы и D-фруктозы, каждая из которых является шестиуглеродным моносахаридом. Другие олигосахариды в клетке просто так не плавают, они обычно присоединены к молекулам белков или липидов, образуя гибридные молекулы – гликоконъюгаты. Мы уже упоминали ранее о протеогликанах и гликопротеидах: теперь можно сказать, что они относятся к классу гликоконъюгатов. Гликокаликс – «клеточная шерсть» — это тоже гликоконъюгаты.

    Полисахаридами называют молекулы, составленные из двадцати и более моносахаридов. Как и олигосахариды, они могут образовывать разветвленные структуры: например, состоящий из тысяч простых сахаров гликоген. На рисунке две молекулы гликогена окружают разноцветный белок:

    Как мы уже знаем, именно в виде гликогена наш организм запасает глюкозу, которая прямо сейчас не нужна для его нужд. У растений ту же функцию «глюкозного депо» играет крахмал, тоже являющийся разветвленным полисахаридом.

    Полисахариды бывают и линейными, например целлюлоза, тоже состоящая из глюкозы. Ее длинные прямые нити соединяются друг с другом с помощью водородных связей и сил Ван-дер-Ваальса, и получающееся вещество может быть очень прочным.

    Интересно, что хотя употреблять в пищу древесину мы не можем – и невкусно, и не переварится, тем не менее мы можем переваривать попадающую в наш организм целлюлозу клеточных стенок какой-нибудь капусты, потому что с целлюлозой в такой форме отлично справляются живущие в нашем кишечнике бактерии-симбионты, у которых есть нужные ферменты.

    Целлюлоза играет роль формообразователя клеточных стенок растений. Эту же роль у обладающих наружным скелетом животных (например, креветок и жуков) играет хитин – тоже полисахарид, только азотсодержащий: каждый моносахарид хитина имеет в своем составе один атом азота.

    Гликоген, крахмал, целлюлоза и хитин являются гомополисахаридами, то есть каждый из них построен из одинаковых мономерных звеньев. Гетерополисахариды могут содержать два и более типов моносахаридов, могут быть линейными или ветвящимися. Из них состоят внеклеточные каркасы у всех живых организмов – например, прочные оболочки бактериальной клетки содержат в своем составе гетерополисахариды. Ткани животных не состоят исключительно из прижатых друг к другу клеток, в них есть межклеточные пространства, заполненные разными молекулами, в том числе гетерополисахаридами разных типов. Они удерживают рядом друг с другом отдельные клетки, обеспечивают их защиту, и вместе с другими молекулами участвуют в создании формы тканей и органов.

    Синтезируются полисахариды не по «генным чертежам», как белки, а путем присоединения одного моносахарида к другому и так далее, и это делают специальные ферменты. Поэтому если у полинуклеотидов и белков есть определенная длина, задаваемая «чертежом» в виде генов, то у полисахаридов такого ограничения нет: фермент может продолжать присоединять один моносахарид за другим, наращивая молекулу, пока не слипнется доступные ему моносахариды не закончатся.

    Для того, чтобы изучать структуру разных углеводов, в качестве базы мы будем использовать молекулу глюкозы – взглянем на нее еще раз:

    На такой скелетной формуле может затеряться атом углерода, не входящий в кольцо, поэтому на этом рисунке он дополнительно выделен.

    Теперь взглянем на мономер хитина:

    Мы видим, что этот мономер составлен из двух одинаковых молекул, представляющих собою видоизмененную глюкозу: к 2’-углероду присоединена аминогруппа, в которой один водород еще и замещен ацетильной группой. Не запутайся тут: один мономер хитина – это комплект из двух молекул.

    Значит мы можем сказать, что к 2’-углероду присоединен N-ацетил. Возможно, ты помнишь, что ацетил переносится на аминогруппу ферментом N-ацетилтрансферазой, которую мы уже встречали, рассматривая превращение серотонина в мелатонин. Соединены оба мономера хитина между собой атомом кислорода, и каждая такая отдельная молекула называется N-Ацетилглюкозамином или, короче, НАГ или NAG, так что мономер хитина состоит из двух НАГ:

    N-Ацетилглюкозамин является производным более простого вещества: глюкозамина:

    Хитина в нашем теле нет, а вот глюкозамин вырабатывается хрящевой тканью суставов и входит в состав синовиальной жидкости – прозрачной густой эластичной массы, заполняющей полость суставов и играющей роль внутрисуставной смазки.

    Теперь, подобрав красивого жука с жестким панцирем, или выловив краба в море, ты можешь испытать удовольствие от того, что знаешь – из каких именно молекул состоят их панцири: хитин является основным компонентом внешнего скелета (экзоскелета) членистоногих и ряда других беспозвоночных. Хитин также входит в состав клеточной стенки грибов. Насекомые и грибы составляют огромную часть живой природы, а кроме того, хитин образуется также и в организмах многих других животных — червей, кишечнополостных и т.д., так что неудивительно, что хитин – это один из наиболее распространённых в природе полисахаридов, и каждый год на Земле в живых организмах образуется и разлагается около 10 миллиардов его тонн.

    Интересно, что во всех организмах, в которых хитин вырабатывается и используется, он никогда не находится в чистом виде: он всегда существует в комплексе с другими полисахаридами, и, кроме этого, он очень часто ассоциирован с белками.

    Также интересно, что несмотря на то, что хитин очень близок к целлюлозе по строению, физическим и химическим свойствам, по биологической роли, тем не менее в организмах, образующих целлюлозу (растения, некоторые бактерии) хитина не найдено. Вот таким образом растения и бактерии с одной стороны, животные и грибы с другой сделали для себя выбор.

    Насекомое, имеющее жесткий хитин-содержащий скелет, неизбежно должно иметь также и ферменты, разлагающие хитин, иначе как бы оно росло и развивалось, меняя форму и размеры своего экзоскелета. То есть такие ферменты необходимы для морфогенеза клеточной стенки или экзоскелета (морфогенез — это возникновение и развитие органов, систем и частей тела организмов).

    Такими разлагающими хитин ферментами являются хитиназы.

    Вообще говоря, гликозидами мы называем такие органические соединения, молекулы которых состоят из двух частей: углеводного остатка и неуглеводного фрагмента (агликона), но в реальном словоупотреблении гликозидами также называют и углеводы, состоящие из двух или более моносахаридных остатков. Поэтому мы можем сказать, что хитиназы разрушают гликозидную связь между углеводными остатками, а также между углеводным и неуглеводным компонентом.

    Если при гидролизе гликозидов образуется глюкоза, то такие гликозиды принято называть глючными глюкозидами. Если образуются пока неизвестные нам фруктоза или галактоза, то такие гликозиды мы называем соответственно фруктозидами и галактозидами.

    Мы сейчас не будем влезать в химическую классификацию углеводов, пока только можно сказать, что эта классификация основана на химическом строении тех агликонов или сахаров, которые образуются при гидролизе гликозидов. Если мы опираемся на характер образующихся сахаров, то гликозиды получают название этих сахаров с прибавлением суффикса «ид». Например, гликозиды, сахарным продуктом распада которых является пентоза, мы называем пентозидами, а если образуется гексоза – то это гексозиды.

    Если мы в каком-либо углеводе заменим один или несколько гидроксилов аминогруппой, то получим класс веществ, которые называются аминосахарами – такое терминообразование нам уже понятно после изучения аминокислот. Понятно, что рассмотренный выше глюкозамин входит в класс аминосахаров.