Структурная биохимия

Бессолицына Е.

Среди позвоночных только крупный рогатый скот и другие жвачные (овцы, козы, верблюды, жирафы и т. д.) могут использовать целлюлозу в качестве пищи, однако делают они это весьма необычным способом: большая часть кишечника, составляющая 15% общего веса коровы, приходится на долю четырех последовательно соединенных друг с другом желудков. Первые два из них составляют так называемый рубец. Содержащиеся в нем микроорганизмы секретируют целлюлазу и расщепляют целлюлозу до D-глюкозы, которую далее сбраживают до короткоцепочечных жирных кислот, двуокиси углерода и газообразного метана (СН₄). Образовавшиеся жирные кислоты всасываются в кровоток коровы, проникают в ткани и используются как топливо. Метан и СО₂,

которые вырабатываются со скоростью 2 л/мин, постоянно выводятся посредством непроизвольного процесса, напоминающего едва уловимую на слух отрыжку. В остальных двух желудках жвачных микроорганизмы, сделавшие свое дело, перевариваются ферментами, секретируемыми слизистой желудка; при этом образуются аминокислоты, сахара и другие продукты, которые всасываются и используются в организме коровы в качестве питательных веществ.

Таким образом, между коровой и населяющими ее рубец микроорганизмами устанавливаются отношения симбиоза, при котором микроорганизмы получают возможность насладиться короткой, но счастливой жизнью в удобной и теплой среде; при этом целлюлоза из клевера и другой травы служит основным источником топлива и для «жильцов», и для организма-хозяина.

Гемицеллюлозы

Это многообразные полисахариды растений входящих в клеточную стенку, примерами являются ксилоза и пектины.

Ксилоза. Линейный редуцирующий гомополимер ксилозы, в -пиранозной форме, мономеры соединяются (1—4) гликозидной связью (Рисунок 23, Е).

Пектины. Эти полимеры встречаются очень часто в клеточных стенках плодов и отвечают за их «желирующие» свойства (чем больше пектинов, тем плотнее джемы и повидло). Это линейный редуцирующий гомополимер, мономером является метиловый эфир галактуроновой кислоты (Рисунок 23, Ж). Мономеры соединяются (1—4) гликозидной связью. Пектиновыми веществами богаты плоды айвы, некоторых сортов груш и яблок, они обеспечивают процесс «желирования», то есть образования более плотного мармелада. Это свойство до последнего времени привлекало только кондитеров. Но в последнее время этим молекулам уделяется большое внимание, так как было показано, что пектины участвуют в выводе солей тяжелых металлов и радионуклидов. Поэтому пектины и продукты их частичного гидролиза используются как антирадиационные препараты или добавки к ним.

Структура клеточных стенок растений

Клеточная стенка растений формируется при участии плазматической мембраны и является экстраклеточным (внеклеточным) многослойным образованием, защищающим поверхность клетки и служащим, как бы наружным скелетом растительной клетки. Клеточная стенка растений состоит из двух компонентов: аморфного пластичного гелеобразного матрикса (основы) с высоким содержанием воды и опорной фибриллярной системы (Рисунок 24). Эта структура напоминает железобетон. Роль железной арматуры выполняют фибриллы из пучков молекул целлюлозы, образующие трехмерную сеть. Пространство между молекулами «арматуры» заполняют гемицеллюлозы, образующие желеобразный матрикс.

Дополнительные полимерные вещества и соли, часто входящие в состав оболочек, придают им жесткость и делают их несмачиваемыми. В химическом отношении главные компоненты оболочек растений относятся к структурным полисахаридам. В состав матрикса оболочек растений входят гетерогенные группы полисахаридов, растворяющиеся в концентрированных щелочах, гемицеллюлозы и пектиновые вещества. Гемицеллюлозы представляют собой ветвящиеся полимерные цепи, состоящие из различных гексоз (глюкоза, манноза, галактоза и др.), пентоз (ксилоза, арабиноза) и урановых кислот (глюкуроновая и галактуроновая). Эти компоненты гемицеллюлоз сочетаются между собой в разных количественных отношениях и образуют разнообразные комбинации.

Цепи гемицеллюлозных молекул не кристаллизуются и не образуют элементарных фибрилл, они образуют аморфное гелеобразное вещество. Из-за наличия полярных групп урановых кислот они сильно гидратированы. Пектиновые вещества – гетерогенная группа, в которую входят разветвленные, сильно гидратированные полимеры, несущие отрицательные заряды из-за множества остатков галактурононой кислоты. Благодаря свойствам своих компонентов матрикс представляет собой мягкую пластическую массу, укрепленную фибриллами. Волокнистые компоненты клеточных оболочек растений состоят обычно из целлюлозы – линейного, неветвящегося полимера глюкозы. Молекулярная масса целлюлозы варьирует от 5—10⁴ до 5—10⁵, что соответствует 300—3000 остаткам глюкозы. Такие линейные молекулы целлюлозы могут соединяться в пучки или волокна.

Рисунок 24. Схема строения клеточной стенки растений; 1 – первичная оболочка (два слоя по обе стороны от 2); 2 – срединная пластинка; 3 – слои вторичной оболочки; 4—третичная оболочка

В клеточной оболочке целлюлоза образует фибриллы, которые состоят из субмикроскопических микрофибрилл толщиной до 25 нм, а они в свою очередь состоят из множества параллельно лежащих цепей молекул целлюлозы.

Количественные соотношения целлюлозы к веществам матрикса (гемицеллюлозы) могут быть весьма различными у разных объектов. Свыше 60% сухой массы первичных оболочек составляет их матрикс и около 30% приходится на скелетное вещество – целлюлозу. В сырых клеточных оболочках почти вся вода связана с гемицеллюлозами, поэтому масса основного вещества в набухшем состоянии достигает 80% сырой массы всей оболочки, тогда как содержание волокнистых веществ сводится всего к 12%. В волосках хлопчатника целлюлозный компонент составляет 90% в древесине на долю целлюлозы приходится 50% от компонентов клеточной стенки.

Кроме целлюлозы, гемицеллюлозы и пектинов в состав клеточных оболочек входят дополнительные компоненты, придающие им особые свойства. Так, инкрустация (включение внутрь) оболочек лигнином (полимер кониферилового спирта) приводит к одревеснению клеточных стенок, повышению их прочности. Лигнин замещает в таких оболочках пластические вещества матрикса, и играет роль основного вещества, обладающего высокой прочностью. Часто матрикс укреплен минеральными веществами (Si0₂, Са₂СО₃ и др.).

На поверхности клеточной оболочки могут скапливаться различные адкрустирующие вещества, например кутин и суберин, приводящие к опробковению клеток (Рисунок 25). В клетках эпидермиса на поверхности клеточных оболочек откладывается воск, который образует водонепроницаемый слой, препятствующий потере клеткой воды. Из-за своего пористого, рыхлого строения клеточная стенка растений проницаема в значительной степени для низкомолекулярных соединений, таких как вода, сахара и ионы. Но макромолекулы проникают через целлюлозные оболочки плохо: величина пор в оболочках, позволяющая свободную диффузию веществ, составляет всего лишь 3—5 нм.

Опыты с мечеными соединениями показали, что при росте клеточной оболочки выделение веществ, из которых она строится, происходит по всей поверхности клетки. Аморфные вещества матрикса, гемицеллюлозы и пектины синтезируются в вакуолях аппарата Гольджи и выделяются через плазмалемму путем экзоцитоза. Фибриллы целлюлозы синтезируются специальными ферментами, встроенными в плазмалемму. Оболочки дифференцированных, зрелых, клеток обычно многослойные, в слоях фибриллы целлюлозы ориентированы по-разному, и количество их также может значительно колебаться. Обычно описывают первичные, вторичные и третичные клеточные оболочки. Для того чтобы разобраться в строении и появлении этих оболочек, необходимо познакомиться с тем, как они образуются после деления клеток.