Биосинтез олиго-и полисахаридов

Олигосахариды построены из небольшого числа (не более 10) моносахаридных остатков. Они широко распространены в природе и выполняют различные функции.

Молекулы полисахаридов содержат, но нескольку десятков и сотен тысяч моносахаридных остатков. Такая концентрация глюкозы в клетке привела бы резкому увеличению осмотического давления (р_жи), поскольку глюкоза хорошо растворимое вещество. Соединение множества отдельных молекул глюкозы в одну большую структуру придает полимеру совсем другие свойства. Например, гликоген и крахмал в клетке находятся в виде малорастворимых гранул, не влияющих на увеличение р_жы. Поэтому биосинтез полисахаридов — возможность создать углеводный запас с сохранением постоянства внутренней среды в организме.

Биосинтез олигои полисахаридов катализируется гликозилтрапсферазами, которые могут переносить моносахаридные остатки из различных соединений. Однако установлено, что наибольшая эффективность процесса наблюдается, если источником моносахаридов являются нуклеозиддифосфосахара (НДФ-сахара). Во-нервых, это энергетически более выгодно, так как изменение уровня свободной энергии при гидролизе НДФ-сахаров значительно выше, чем при гидролизе простых фосфорных эфиров моносахаридов. Во-вторых, что не менее значимо, нуклеотидные фрагменты НДФ-сахаров обеспечивают избирательность ферментов. Например, известно, что гуанозиндифосфатглюкоза необходима для синтеза целлюлозы, гуанозиндифосфатманноза — для синтеза полисахарида дрожжей (маннана) и т. д. [27].

НДФ-сахара образуются из фосфорных эфиров моносахаридов. На примере глюкозы это выглядит следующим образом. Сначала происходит изомерное превращение глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат, катализируемое фосфоглюкомутазой (рис. 10.49).

Далее с помощью трансферазы образуется нуклеотидное производное глюкозы — НДФ-глюкоза или уридилдифосфо-1-глюкоза (рис. 10.50).

Углеводный остаток из нуклеотидного производного используется для синтеза олигои полисахаридов при участии соответствующей гликозилтрансферазы.

Рис. 10.49. Изомеризация глюкозо-6-фосфата в глюкозо-1-фосфат при участии фосфоглюкомутазы.

Рис. 10.50. Образование уридилдифосфо-1-глюкозы.

Например, в разных тканях животных и человека таким образом синтезируется ГОС, входящие в состав гликопротеинов. УДФ-галактоза образуется изомеризацией УДФ-глюкозы (см. рис. 6.42), а фермент галактозилтрансфераза переносит УДФ-галактозу на N-ацетилглюкозамии, как на рис. 10.51.

В составе гликопротеинов галактозил-Ы-галактозамин соединяется О-гликозидной связью с ОН-группой аминокислоты Сер, Тре, оксилизина или оксипролина.

Интересно, что тот же фермент участвует в синтезе молочного сахара — лактозы. Лактоза синтезируется в организме млекопитающих в клетках молочной железы — лактоцитах. Субстратом служит глюкоза крови. Основным ферментом является лактозосинтаза. Она формируется в период лактации из двух составляющих: а-лактальбумина и галактозилтрансферазы.

Присоединение а-лактальбумина к галактозилтрансферазе резко изменяет ее специфичность. В результате остаток галактозы переносится на глюкозу, а не на N-ацетилглюкозамин (рис. 10.52).

Рис. 10.51. Синтез галактоолигосахаридов

Вероятно, в процессе синтеза происходит еще и мутаротация галактозы, так как в УДФ-производном она находится в a-форме, а в составе лактозы и галактозил-Ы-галактозамина — в р-конфигурации.

Рис. 10.52. Синтез лактозы

Процесс биосинтеза полисахаридов можно представить в виде двух этапов — активации глюкозы и полимеризации цепочки, каждый из которых включает определенные превращения (табл. 10.14).

Таблица 10.14

Схемы превращений биосинтеза полисахаридов

Полимеризация (удлинение) цепочки заключается в переносе остатка глюкозы из УДФ-1-глюкозы на «затравочное» количество полисахарида (рис. 10.53). Например, в случае синтеза гликогена реакция катализируется ферментом гликогенсиптазой, которая активна, если растущая цепь гликогена содержит не менее четырех остатков глюкозы. В результате возникает новая 1,4-О-гликозидная связь.

Вероятно, затравка предопределяет тип образуемой связи, чтобы синтезировался полисахарид, аналогичный исходному.

Установлено, что связи 1,6 образуются гликогенветвящим ферментом. Благодаря ветвлению создается большое количество невосстанавливающих концевых остатков, на которых начинаются распад и синтез гликогена.

Рис. 10.53. Полимеризация цепочки

Синтез гликогена протекает в клетках печени и мышц животных и человека. Этот процесс ограничен возможностями ферментов в этих тканях и прекращается после синтеза гликогена в количестве 5—6% массы печени и 1—2% массы мышц. Поскольку общая масса мышечной ткани больше массы печени, то основной запас гликогена сосредоточен в мышцах. Подсчитано, что общего количества гликогена в организме хватит на одни сутки полного голодания при условии умеренной физической нагрузки.