М. Клейстер
Сладкое топливо, прочные конструкции и другие углеводы

Простые углеводы, они же сахара, возникли в космосе или на древней Земле ещё до того, как в её океанах закопошились первые клетки. А потом и простейшие существа, начиная с бактерий, научились использовать и самостоятельно делать сладкие соединения. Это было замечательное приобретение молекулы простых углеводов хорошо растворяются в жидкостях организма, их легко делить на части, превращать в другие вещества и окислять с получением энергии. Сахара стали топливом и строительным материалом для создания разнообразных молекул и структур.

С этого и началась на нашей планете сладкая жизнь. Некоторые простые углеводы есть в каждом живом существе (таков самый распространённый из них — глюкоза, или виноградный сахар), некоторые встречаются только у представителей отдельных групп. Нет сомнения, что лучше всех ими распорядились многие цветковые растения и пчёлы первые стали накапливать сахара в плодах, стеблях или корнеплодах и выделять с нектаром, а вторые — перерабатывать нектар в мёд.

В анналы химии сахара попали в начале XVII века: в 1615 году итальянец Фабрицио Бартолетти выделил из молока лактозу. В 1637 году его земляк Анджело Сала описал способ очистки тростникового сахара. В 1747 году немецкий химик и металлург Андреас Маргграф, разглядывая в микроскоп корнеплоды сахарной свеклы, нашел в них кристаллы сахара, а затем научился и выделять его. Это открытие положило начало сахарной промышленности в Европе, избавило европейцев от импорта сахара из колоний, сбило цены на этот товар и сделало его доступным широким слоям населения. В 1802 году француз Жозеф Луи Пруст выделил глюкозу из виноградного сока. В 1811 году Константин Сигизмундович Кирхгоф получил виноградный сахар из крахмала (это была первая каталитическая реакция, зафиксированная историками химии). В 1844 году Карл Эрнестович (он же Карл Генрихович) Шмидт ввёл термин „углеводы“, а позже обнаружил виноградный сахар не в соке растения, а в крови.

В 1884 году работы с углеводами начал великий Эмиль Герман Фишер. Он разработал рациональные формулы, номенклатуру и классификацию этих веществ (1890), превратил глюкозу во фруктозу, синтезировал маннозу, глюкозу, фруктозу и другие сахара, а также установил, какому из 16 возможных изомеров соответствует глюкоза. В 1915 году Уолтер Норман Хеуорс придумал новый метод для исследования структуры углеводов, усовершенствовал их номенклатуру и предложил удобные формулы для изображения циклических молекул сахаров.

В результате всех трудов выяснилось, что строение у моносахаридов простое: к скелету из трех-девяти атомов углерода прицеплены атомы водорода и гидроксильные группы, а к одному из атомов скелета присоединена альдегидная или кетонная группа. Так построены глюкоза, фруктоза, манноза, галактоза, арабиноза, ксилоза и другие -озы (рис 1). У нескольких атомов углерода все четыре заместителя разные, и углеводы существуют парами левые и правые оптические изомеры. Ферменты их различают, поэтому некоторые сахара встречаются только в виде левого изомера, а другие — в виде правого. В растворе моносахариды образуют циклы через атом кислорода. Это приводит к тому, что у циклических форм появляются ещё два изомера, а альдегидная группа превращается в полуацетальную (или кетонная в полукетальную).

Группы с атомом кислорода образуют водородные связи, благодаря чему сахара растворимы в воде и могут связываться с ферментами и другими веществами. Эти же группы делают атомы углерода более реакционноспособными, чем в хвостах жирных кислот. Из-за них углерод более окислен, и потому углеводы менее калорийны, чем жиры.

Моносахаридов в организме много, и он не жалеет их на образование производных. При этом электрически нейтральные молекулы часто превращаются в заряженные, которые ведут себя совсем по-другому. К примеру, в сахарных кислотах вместо альдегидной или одной гидроксильной группы введена карбоксильная. Самая знаменитая из таких кислот — аскорбиновая — служит антиоксидантом в живых клетках, другие часто используются для строительства полимеров. В аминосахарах гидроксильная группа замещена аминогруппой, в которой на атом азота дополнительно навешивается ацетильная группа (рис 2).


Знаменитый яд рицин — гликопротеин
Небольшие цепочки или разветвлённые структуры из таких производных часто присоединяются к белкам после их синтеза, и получаются гликопротеины (рис 3). Почти всегда они отправляются на внешнюю поверхность мембраны или во внеклеточную среду. Олигосахаридные хвосты на белках помогают клеткам узнавать соседние клетки, с которыми можно установить контакт. Это особенно важно при оплодотворении и при формировании тканей. Такие гликопротеины — сильные антигены, и во многом благодаря им ткани и клетки могут быть совместимыми или несовместимыми при пересадке. Именно олигосахаридными навесками (сиаловыми кислотами) различаются эритроциты у людей с разными группами крови. Белки — рецепторы сигналов на клеточной поверхности тоже часто присоединяют олигосахариды.

В живой природе нередко встречаются гликозиды — эфиры сахара и спирта или азотистого основания. Таких веществ много у растений. Среди них — распространённые лекарства, которые с древнейших времён используют в медицине. Так, гликозиды наперстянки (дигиталиса), ландыша и строфанта стимулируют сердечную деятельность. У животных тоже есть гликозиды эфиры стероидных гормонов, желчные пигменты и другие.

Самые важные и повсеместно распространённые гликозиды — нуклеозиды. Это эфиры рибозы или дезоксирибозы с азотистыми основаниями. Они входят и в небольшие, но совершенно необходимые всем молекулы (АТФ, НАД, НАДФ и другие), и в полимеры рибоза — в РНК, а дезоксирибоза — в ДНК.

У простых углеводов много достоинств, но есть и недостаток их трудно запасать. Сахарный сироп в клетке не сохранишь вода устремится внутрь, чтобы его разбавить, и клетку разорвёт осмотическим давлением. Был найден замечательный выход: делать из простых сахаров полимеры. Из остатков глюкозы, например, выстроены три важных полимеpa: крахмал, гликоген и целлюлоза. Поскольку у глюкозы три гидроксилыные группы, к одной молекуле могут присоединиться две или три других. В результате полимеры получаются линейными или разветвлёнными. Такие углеводы пригодны и как запас топлива, и как строительный материал.

Гликоген — запасной источник энергии у большинства животных. Расщепляя его и выделяя глюкозу в кровь, человек может два-три дня снабжать ей мозг, мышцы и другие органы (если он не занят тяжёлой работой). Но мы окисляем не только собственные сложные углеводы. Крахмал хлеба, каш, картошки и макарон даёт большую часть калорий в рационе российского жителя. Этот полимер состоит из линейной амилозы и ветвистого амилопектина. Смысл ветвления, видимо, в том, чтобы можно было отщипывать порции горючего сразу от многих концов.

Клетки бактерий, грибов и растений начали сооружать из сложных углеводов клеточные стенки, чтобы защитить нежную белково-липидную мембрану и внутренности клетки. Бактерии немного перестраивают молекулы углеводов и делают из них и из аминокислот полимер пептидогликан, или муреин. Его цепочки сшиты поперечными химическими связями и образуют сетчатую сверхмолекулу, обволакивающую всю клетку. Есть в клеточных стенках бактерий и другие полисахариды.

Ещё один сложный углевод — целлюлозу — для строительства выбрали растения. Она сделана проще, чем пептидогликаны, и обходится растениям сравнительно дёшево. Вот они и производят её в таких количествах, что в целлюлозе заключено более 50% всего органического углерода биосферы. Её делают все растения, от крохотных одноклеточных хлорелл до гигантских секвой. В 1920 году Р. Герцог, В. Янке и М. Полани определили структуру целлюлозы с помощью рентгеноструктурного анализа — тогда этот метод впервые был применён для изучения органического вещества.

Целлюлоза образует арматуру клеточных стенок (рис.4), а промежутки между её волокнами заполнены другими полисахаридами: гемицеллюлозами и пектином, изготовленными из производных моносахаридов. Все эти вещества содержат гидроксильные группы и легко присоединяют молекулы воды — благодаря этому стенка становится упругой. В молодых клетках оболочка тонкая, а волокна целлюлозы расположены рыхло — на вырост. Когда клетка растёт, они раздвигаются, а затем на стенку слоями накладываются новые волокна. В каждой порции они ориентированы в одном направлении, а в соседних — перекрещиваются. В механических и проводящих тканях у растений к этим полимерам добавляется лигнин, и они становятся достаточно крепкими, чтобы служить несущими элементами травинок и листьев, стволов и веток, а заодно и трубами, по которым текут соки.


Гиалиновый хрящ
Водоросли помещают целлюлозу в матрикс из других полисахаридов: агара, агароида, каррагинана, альгинатов, которые состоят из производных моносахаридов. Кондитеры используют эти вещества, чтобы мармелад, пастила и зефир держали приданную им форму. Для той же цели применяют пектины яблок, смородины и других плодов.

Грибы для строительства клеточных стенок облюбовали хитин, при гидролизе которого образуется N-ацетил-глюкозамин.

Животные не делают своим клеткам прочные оболочки, но тоже не обходятся без структурных полисахаридов. Самый распространённый из них тот же, что и у грибов, — хитин. Он укрывает и защищает тела наиболее многочисленной по количеству видов группы животных — членистоногих, служа им наружным скелетом. Клешни и панцирь краба, крылья бабочки, жало пчелы, челюсти каракурта изготовлены из хитина.


Эластичный хрящ
Этим не ограничивается участие полисахаридов в построении тел животных. Цепочки из сахаров и их же производных вместе с белками образуют хрящи (рис.5, 6) и межклеточное вещество. Заряды, которые несут эти молекулы, регулируют транспорт веществ в соединительной ткани. Важную роль в этом играет гиалуроновая кислота, состоящая из глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина (рис.7). Благодаря сильной гидратации карбоксильных групп один объём этого вещества связывает 10 000 объёмов воды. Кстати, мы смотрим на мир сквозь гель, образованный гиалуроновой кислотой, — стекловидное тело глаза.

Углеводные полимеры важны не только для жизни природы. Изделия из древесины, то есть целлюлозы, укрепленной гемицеллюлозами и лигнином, служили нашим предкам на протяжении тысячелетий. Целлюлозу (а также крахмал, агар, пектины, хитин и другие полимеры) вовсю используют в промышленности как сырьё и не собираются от них отказываться. Значение природных полимеров будет только расти по мере того, как подходят к концу ископаемые органические ресурсы.

Вместе с тем целлюлоза стала топливом. Вязанка хвороста, поленница дров, торф и уголь — это концентраты энергии, заключающие в себе целлюлозу или продукты её разложения. Она же оказалась главным горючим всех пожаров до той поры, пока люди не заменили вату поролоном, а доски — ДСП и не наполнили наши дома пластмассами.

Углеводы помогают нам решить множество проблем. Они питают, одевают, согревают, лечат, помогают двигаться, сохранять постоянство внутренней среды, хранить и воплощать наследственную информацию. Едва ли уместно пренебрегать ими, пытаясь определить самые главные вещества жизни.

Химия и жизнь — XXI век

Статьи близкой тематики:
Недостающее звено.  Е. Котина.
Дезоксирибону… и так далее.  Е. Котина.
Первые, они же белые.  М. Литвинов.
Жидкое золото организмов.  М. Литвинов.
Малые молекулы организмов.  М. Литвинов.
«Амины» с аминогруппами и без.  Е. Котина.
От убийства до исцеления.  М. Ускарин.
Серьёзные игры гормонов.  Е. Котина.
Переносчики мыслей.  Е. Котина.
Новая глава биологии.  Ал Бухбиндер.


AthleticMed магазин спортивной медицины по низким ценам!
2007 Copyright © GenDNA.ru Мобильная Версия v.2015 | PeterLife и компания
Пользовательское соглашение использование материалов сайта разрешено с активной ссылкой на сайт. Партнёрская программа.
Яндекс.Метрика Яндекс цитирования