акад. А. С. Спириным в докладе на юбилейной сессии Академии наук СССР (март 1987 г.). Он сводится к преодолению клеточного уровня биосинтеза белков и переходу к масштабированному их синтезу в бесклеточных системах трансляции непрерывного действия, работающих в проточном режиме. Это откроет возможность получать биологически значимые белки (интерферон, инсулин, oti-антитрипсин) и пептиды медицинского назначения, позволит конструировать и производить белки с любыми заданными свойствами, поднимет на новый уровень изучение закономерностей химической коэволюции белков и нуклеиновых кислот. Решающую роль здесь играет наработка необходимых количеств соответствующих мРНК в системах, содержащих РНК-зависимую РНК-полимеразу типа репликазы фага (?р. Уже создана и опробована на РНК-4 вируса мозаики костра, РНК фага MS2 и мРНК кальцитонина установка для твердофазной трансляции типа реактора непрерывного действия. Указанные работы по внеклеточному синтезу белка ведутся в рамках Государственной научно-технической программы «Новейшие методы биоинженерии». Уже сегодня в лабораторных условиях на небольших биореакторах этим методом можно получать достаточное для дальнейших исследований количество пептидных гормонов, антигенов для диагностических целей, белковых токсинов и антитоксинов, антивирусных защитных белков, некоторых ферментов. Революция в молекулярной биологии и биотехнологии продолжается.

ГЛАВА VIII

УГЛЕВОДЫ И ИХ ОБМЕН

СТРОЕНИЕ УГЛЕВОДОВ

Общая характеристика углеводов. К классу углеводов относят органические соединения, содержащие альдегидную или кетонную группу и несколько спиртовых гидроксилов. Их элементарный состав выражается общей формулой СтН2пО„. Из этого правила есть немногочисленные исключения, и хотя указанное определение не является абсолютно точным, оно позволяет наиболее просто характеризовать эту группу разнообразных органических соединений в целом.

Ни название класса, ни общая формула этих соединений не дают ясного представления об их химическом характере и строении. Более того, термин «углеводы», предложенный впервые К. Шмидтом, профессором Юрьевского университета (1844), наводит на мысль, что их следует рассматривать как «гидраты» углерода. На самом деле это было бы совершенно неправильно. Поэтому сравнительно давно (1927) для обозначения этого класса соединений был предложен другой термин—«глюциды», который, к сожалению, с большим трудом пробивает себе дорогу в химической номенклатуре.

К углеводам относятся соединения, обладающие разнообразными и часто совершенно различными свойствами. Среди них есть вещества низкомолекулярные и высокомолекулярные, кристаллические и аморфные, растворимые в воде и не растворимые в ней, гидролизуемые и негидролизуемые, способные очень легко окисляться и сравнительно устойчивые к действию окислителей и т. д. Это многообразие качеств находится в тесной связи с химической природой углеводов, со строением их молекул; оно предопределяет то или иное участие углеводов в процессах жизнедеятельности и в построении тканей животных и растений.

Во всех без исключения организмах углеводы служат материалом, при окислении которого выделяется энергия, необходимая для осуществления химических реакций. Такие углеводы рассматривают как резервные. Наряду с этим промежуточные продукты окисления углеводов используются для синтеза многих других органических соединений.

Перечисленные функции углеводов (структурная, энергетическая и метаболическая) рассматривают как канонические. Однако в последнее время выяснено, что углеводам присущи многие другие, нестандартные, неканонические функции. Многие углеводы и углеводсодержащие биополимеры обладают уникальным строением и специфичностью. Так, групповые вещества крови, являющиеся гликопротеинами, где 80% молекулы представлены углеводами, именно за счет ассимметрических центров, стереоизомеров, таутомеров и кон-формеров последних приобретают поразительную специфичность взаимодействия. Олигосахаридные фрагменты гликопротеинов и гликолипидов клеточных стенок выдвинуты как антенны за пределы клеточных оболочек и служат локаторами, выполняющими рецепторные функции. В частности, при их посредстве с клетками связываются белковые токсины (например, холерный, ботулический, столбнячный, дифтерийный, шигатоксины и др.), бактерии (например, кишечная палочка с олигосахаридами, составленными из остатков

306

маннозы), вирусы (например, вирус гриппа) и т. п. Структуры олигосахаридных фрагментов иммуноглобулинов высоковоспроизводимы и умеренно консервативны, что обеспечивает специфические углеводно-белковые взаимодействия между доменами этих удивительно тонко организованных защитных белков. Более 250 ферментов обладают олигосахаридными фрагментами, которые избирательно взаимодействуют с многочисленными лектинами—белками, дающими конъюгаты с углеводами. Таким образом, наряду с нуклеиновыми кислотами и белками углеводы с современной точки зрения являются информационными молекулами, т. е. кодовыми словами в молекулярном языке жизни. Благодаря этому все более ясно начинают вырисовываться контуры нового направления в биохимии углеводов—гликобиология и гликотехнология.

В зависимости от состава, строения и свойств, в частности от поведения при нагревании с разбавленными водными растворами кислот (т. е. в зависимости от отношения к гидролизу), углеводы делят на две группы: простые и сложные. Простые углеводы не подвергаются гидролизу. Сложные углеводы при гидролизе распадаются с образованием простых углеводов.

Простые углеводы. Подавляющее большинство простых углеводов имеет состав С„Н2пО„. Ввиду того что простые углеводы не гидролизуются, их называют моносахаридами. Все простые углеводы—кристаллические тела, хорошо растворимые в воде и имеющие, как правило, сладкий вкус. По химическим свойствам они бифункциональны и могут быть охарактеризованы как полиоксиальдегиды или полиоксикетоны. Это значит, что в их молекулах содержится альдегидная или кетонная группа и несколько спиртовых (окси-) групп. В зависимости от числа кислородных атомов в молекуле моносахариды делят на несколько групп, названия которых образуют из греческих числительных с добавлением окончания-оза, характерного для углеводов. Ряд простых углеводов в целом называют поэтому рядом моноз. Сейчас известно более 200 природных моноз. В зависимости от положения в молекуле карбонильной группы моносахариды существуют в виде изомеров: альдоз и кетоз.

Так как в молекулах моносахаридов присутствуют асимметрические атомы углерода и, следовательно, молекулы в целом построены асимметрично, данной группе соединений свойственна оптическая, или зеркальная, изомерия. Как и у других оптически деятельных соединений, зеркально построенные формы моносахаридов носят название оптических антиподов. Эквимолекулярные смеси или соединения последних друг с другом называются рацематами. Стереоизоме-ры моносахаридов, отличающиеся пространственным расположением водорода и ОН-группы у соседнего с альдегидной группой углеродного атома, являются эпимерами. Природные сахара относятся в основном к правому ряду, что, видимо, связано с особенностями их первичного биосинтеза в растениях.

Из альдоз особенно широко распространены в природе D-рибоза, D-глюкоза, D-манноза и D-галактоза:

но-с-н

н-С-он

но—с—н

НО-С—н

НО-С—н

Н—С—ОН

Н—С—ОН

Н—С—ОН

НО-С—Н

Н—С—ОН

Н—С—он

Н—С—он

Н-С-ОН

CHgOH

D(—)-Рнбоза

СН2ОН

СН2ОН

D (+) -Манном

D (-f-)-Глюкоза

D (-Н-Галактоза

307

Из кетоз наиболее известными являются D-рибулоза и D-фруктоза; из гептоз целесообразно отметить D-седогептулозу:

СН2ОН

U

I

н—С—ОН

I

н—с—он I

сн,он

D-Рибулоза

СН2ОН

. I

с=о

I

но—с—н I

н—с—он I

н—с—он I

сн2он

D-Фруктоза

СН2ОН

I

с—о I

НО—с—н

I

н—с—он I

н—с—он I

н—с—он I

СН2ОН

D-Седогептулоза

Все указанные кетозы активно участвуют в превращениях углеводов в организме.

Характерной особенностью моносахаридов является их ярко выраженная способность к таутомерным превращениям. Различают два вида таутомерии моносахаридов: кето-енольную и кольчато-цепную.

Кето-енольная таутомерия моносахаридов состоит в переходе формы с карбонильным кислородом в альдегидной или кетонной группе в енольную форму (с ОН-группой при углеродном атоме, связанном двойной связью). Благодаря кето-енольной таутомерии эпимерные моносахариды могут превращаться друг в друга.

Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов заключается в существовании кольчатых (циклических) форм и цепной (т. е. с открытой углеродной цепью) формы моносахарида, находящихся в динамическом равновесии. Мысль о существовании циклических форм моносахаридов была впервые (1870) высказана профессором Московского высшего технологического училища А. А. Колли. Замыкание цикла осуществляется при сближении СО-группы моносахарида с гидроксилом углеродного атома, удаленного от нее на 3—4 звена. По карбонильному кислороду проходит реакция присоединения атома водорода упомянутой спиртовой группы, в результате чего образуется новый гидроксил, получивший название гликозидного или полуацетального. Одновременно с этим замыкается кислородный мостик, дающий начало пяти- или шестичлен-ному гетероциклу (типа фурана или пирана):

I Н н он н ОН ОН н он

нон2с—

Открытая (альдегидная, или оксо-) форма глюкозы

eCHjOH „

н

он

CHsOH

.... \?н

он

HO TJ

I

н

Открытая форма глюкозы со сближенными кето-группой и спиртовым радикалом 5-го углеродного атома

Кольчатая (окис-ная) форма глюкозы

308

Углеродные атомы шести- или пятичленного гетероцикла в циклических формулах моносахарида, а иногда и все остальные боковые группы опускают, и тогда они при написании приобретают следующий вид:

Глюкофураноза Глюкопираноза Глюкопираноза

Жирными линиями изображают те связи между углеродными атомами цикла, которые направлены к наблюдателю, тонкими—те, что находятся за плоскостью бумаги; это облегчает пространственное восприятие циклической формулы. Атомы водорода и ОН-группы представляются расположенными соответственно над и под плоскостью гетероцикла.

Так как в момент замыкания цикла углеродный атом бывшей СО-группы становится асимметрическим, появление циклической формы моносахарида сопровождается возникновением двух новых оптических изомеров. Тот из них, у которого гликозидный гидроксил направлен в ту же сторону, что и спиртовой гидроксил при предпоследнем углеродном атоме моносахарида (определяющем принадлежность его к D- или L-ряду), называют а-формой. Противоположная по пространственному расположению гликозидного радикала форма называется Р-формой. Ниже приведены соответствующие примеры а и р-форм, называемых также анамерами (от греч. она—вверх, так как гликозидные радикалы располагаются обычно при 1-м, верхнем углеродном атоме):

а-О-Рнбофура- р-?>-РнСофура- а-С-Глюкопи- 8-Д-Глюкопи-

ноза ноза раноза раноза

Кетозы, как и альдозы, образуют кольчатые формы. В качестве примера рассмотрим кольчато-цепную таутомерию фруктозы. Как и другие моносахариды, фруктоза образует 4 циклические формы, находящиеся в динамическом равновесии с открытой формой (см. с. 310).

Обычно циклические формы моносахаридов в растворе резко преобладают над открытой цепной формой; кроме того, как правило, одна из циклических форм моносахарида присутствует в равновесной смеси всех форм в большем количестве, чем другие. Так, среди 4 циклических форм D-глюкозы резко преобладает в растворе P-D-глюкопираноза (64%); содержание же альдегидной формы глюкозы в равновесной смеси составляет всего 0,024%. Концентрация а и р-глюкофураноз в смеси также ничтожна и все остальное количество глюкозы представлено а-анамером. В целом пиранозные формы резко преобладают над фуранозными формами.

309

он

но' -afichjOH но н

f-D- Фруктопираноэа

снгон

снаон

/он

но н

О-С-Фруктопираиоза

СН,ОН О-Фруктоза

HO H Р-С-Фруктофураноэа

НОСНа П СНгОН Кн НО/

н\_Уон

НО Н В-С-Фруктофураноза

Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов является причиной любопытного свойства простых углеводов. В кристаллическом состоянии моносахариды находятся только в циклической форме. В зависимости от условий кристаллизуется либо а-, либо Р-форма. Так, при кристаллизации из воды глюкоза получается в а-форме, а из пиридина—в Р-форме. После растворения Конформации углеводов крайне разнообразны. Известно, что шестичлен-ные, алициклические соединения (циклогексан) существуют в геометрически различных формах, которые принимает молекула, без нарушения длины валентных связей и углов между ними. Указанные формы называются конформаци-онными изомерами. Для моносахаридов, которым присуща в основном пира-нозная структура, конформационная изомерия также характерна. Однако если для циклогексана известно всего две конформации—типа кресла и типа лодки:

Кресло (сокращенно С- от Chair - кресло)

Лодка (сокращенно В-от Boat-лодка)

то для моносахаридов в пиранозной форме известно 8 конформации—2 типа кресла и 6 типа лодки ввиду присутствия в шестичленном цикле гетеро-атома—кислорода:

310

4

3 2^Л I

CI 1 * 1С

Конформацни типа кресла

\^

В1 5 6 1В 1 В2

Коиформации типа лодки

Из перечисленных 8 конформацни пиранозного цикла наиболее устойчивы креслообразные. В свою очередь, из них С1-изомер более предпочтителен, так как подавляющее число заместителей в нем ориентировано в экваториальном, совпадающем с плоскостью цикла, направлении. Именно в виде С1-конформацни существует большинство моносахаридов, например:

g-D-Глюкоза P-D-Глюкоэа (36% в равновесной смеси) (64% в равновесной смеси)

Естественно, что Р-анамер D-глюкозы преобладает в равновесной смеси над а-анамером, так как гликозидный гидроксил в конформацни С1 у первого расположен экваториально:

e-D-Глюкояв о-D- Галактоза

Так обстоит дело не только у анамеров глюкозы, но и у анамеров ряда других моносахаридов.

Кольчато-цепная таутомерия моносахаридов является свойством, которое зависит от одновременного присутствия в их молекулах СО-группы и спиртовых радикалов. Поведение гликозидного гидроксила, возникающего при образовании циклической формы моносахарида, своеобразно: он гораздо активнее вступает в химические реакции, чем остальные гидроксильные группы. Произв