Резервные полисахариды

Большинство резервных полисахаридов организмов представляют собой гомополисахариды, в которых преобладают a(1→4)-гликозидные связи. Эти вещества выполняют роль источников углерода и энергии для клеток в периоды голодания, поэтому их структура отвечает основному требованию —доступности для гидролитических ферментов, расщепляющих их. Молекулы преобладающих в живом мире резервных полисахаридов — крахмала и гликогена — представляют собой рыхлые, разветвленные структуры, доступные для ферментативного расщепления в большом количестве участков.

Крахмал. Этот резервный гомополисахарид преобладает в клетках растений, микроводорослей, а также имеется у некоторых бактерий. Крахмал состоит из двух компонентов: a-амилозы и амилопектина. a-Амилоза представляет собой полимер D-глюкозы, остатки которой соединены с помощью a(1→4)-гликозидных связей. При этом в молекуле появляется большая свобода вращения вокруг связей ¹С—О и О— ⁴С, и цепочка образует стабильную спираль с шестью остатками глюкозы на один виток. Молекулы йода по своим размерам очень точно подходят к центральной полости этой спирали и образуют комплекс, обусловливающий приобретение темносиней окраски растворами a-амилозы при иодно-крахмальном тесте.

Амилопектин состоит из цепей poly(D-глюкозы) с a(1→4)-гликозидными связями; от этих цепей отходят боковые ветви, присоединенные к основной цепи a(1→6)-гликозидными связями. Ветви представляют собой короткие цепочки a(1→4)-глюкозида и мешают основной цепи образовывать спираль. Амилопектин имеет структуру «куста» и вместе с a-амилозой образует сложную сеть. Молекулы амилопектина содержат сотни тысяч остатков глюкозы — это одни из самых крупных природных молекул.

Гликоген. Этот гомополисахарид преобладает в клетках животных, грибов и некоторых бактерий. Его структура сильно напоминает структуру амилопектина, но у гликогена боковые ветви, присоединенные к основной цепи связями a(1→6)-типа, расположены значительно чаще, чем у амилопектина (рис. 5.2). У гликогена отсутствует спиральная структура. Поэтому в целом молекулы гликогена еще более разветвлены и «открыты» действию ферментов.

Кроме охарактеризованных выше внутриклеточных резервных полисахаридов, некоторые организмы (в первую очередь, бактерии и дрожжи) образуют внеклеточные запасные вещества, которые формируют капсулы и слизи. В большинстве случаев эти структуры состоят из полисахаридов. В качестве примера можно привести капсульные полисахариды — декстраны, образуемые молочнокислыми бактериями Leuconostoc mesenteroides и некоторыми видами стрептококков. Декстраны представляют собой полиглюканы, в которых преобладают a(1→6)-гликозидные связи. Цепи декстранов могут быть линейными или разветвленными по положениям 4 или 3 (штаммоспецифичный признак).

Декстраны синтезируются бактериями в условиях высокого содержания источников углерода (в первую очередь, сахарозы), а в период голодания могут расщепляться внеклеточными ферментами до глюкозы, которая поступает в клетки и используется в качестве источника углерода и энергии. Показано, что капсульные полисахариды могут защищать клетки от перепадов рН, действия токсичных факторов, от кратковременного высушивания. Некоторые капсульные полисахариды (не обладающие антигенными свойствами) защищают патогенные микроорганизмы от фагоцитоза, повышая их вирулентность по отношению к животным и человеку, — явление, позволившее Гриффиту открыть трансформацию генетических признаков у пневмококков (глава 1).

Капсульные полисахариды находят применение в хозяйственной деятельности человека. В частности, декстраны используются для получения сефадексов — молекулярных сит. Их получают в ходе образования «сшивок» между линейными цепями декстранов с применением особых агентов. Степень «сшивки» определяет размер пор и соответственно размер фракционируемых молекул. Кроме этого, декстраны широко используются в качестве заменителей плазмы крови, в медицине для создания гидрофильного слоя на обожженных поверхностях (для поглощения жидких экссудатов). Среди других капсульных полисахаридов, находящих применение в медицинской, пищевой (в составе пудингов, кремов, мороженого), фармацевтической промышленности, получили распространение ксантаны, альгинат, пуллулан.