МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ КЫРГЫЗСКОЙ РЕСПУБЛИКИ КЫРГЫЗСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Ж. БАЛАСАГЫНА ФАКУЛЬТЕТ ХИМИИ И ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ Кафедра органической химии и образовательных технологий ОТЧЕТ о самостоятельной работе по дисциплине «Научные основы школьного курса химии» на тему «Физическая химия в 21 веке» за 7 семестр 2023-24 учебного года студента 4 курса группы Х(б)-1-20 Рысалиева Айбека Маратовича Преподаватель: доцент Локшина И.М. 1 Содержание Введение........................................................................................3 Биосинтез олигосахаридов........................................................4 Биосинтез полисахаридов..........................................................6 Регуляция биосинтеза олиго- и полисахаридов....................8 Применение биосинтеза олиго-и полисахаридов в медицине и промышленности.....................................................................9 Заключение.................................................................................10 Литература..................................................................................11 2 Введение Биосинтез олиго- и полисахаридов является одним из важных процессов, происходящих в живых организмах. Они являются основными источниками энергии и структурными компонентами клеток. Олиго- и полисахариды состоят из множества моносахаридных единиц, связанных между собой специфическими гликозидными связями. Биосинтез олиго- и полисахаридов осуществляется при участии различных ферментов и ферментных систем, которые катализируют последовательные реакции присоединения моносахаридных единиц к уже существующей цепи. Эти ферменты контролируют скорость и направление синтеза олиго- и полисахаридов, что позволяет клетке регулировать их количество и структуру. Олиго- и полисахариды выполняют разнообразные функции в организме. Некоторые из них служат запасным источникам энергии, например, гликоген в животных и крахмал в растениях. Другие играют важную роль в защите клеток от внешних воздействий, таких как целлюлоза, которая образует структуру клеточной стенки растений. Еще одна группа олиго- и полисахаридов, таких как хитин, являются строительными компонентами экзоскелетов некоторых животных. Понимание механизмов биосинтеза олиго- и полисахаридов имеет большое значение для различных областей науки и промышленности. Это помогает разрабатывать новые методы синтеза полимерных материалов, биотехнологические процессы и лекарственные препараты. Кроме того, изучение биосинтеза олиго- и полисахаридов способствует пониманию эволюции живых организмов и их адаптации к различным условиям среды. В данной работе мы рассмотрим основные этапы и механизмы биосинтеза олиго- и полисахаридов, а также их функции и значение в живых организмах. 3 Биосинтез олигосахаридов Биосинтез олигосахаридов осуществляется путём переноса фосфорного эфира моносахарида к другим моносахаридам или их фосфорным эфирам (реакция трансгликозидирования ). Сахароза (тростниковый, свекловичный сахар) – самый распространенный в природе дисахарид. Сахароза является наиболее важным из образующихся в растениях олигосахаридов, в форме которого связанный углерод и энергия транспортируются по всему растению. Она состоит из α-D-глюкозного остатка в его пиранозной форме, связанного гликозидной связью с β-Dфруктозой в фуранозной форме. Поскольку аномерный углеродный атом обоих моносахаридов участвует в образовании гликозидной связи, их полуацетальные группы заблокированы и ни одно из колец не может открыться. Таким образом, сахароза – это невосстанавливающий сахар (не восстанавливает реактивы Фелинга и Бенедикта), и за исключением ее чрезвычайной чувствительности к кислотному гидролизу, она химически инертна. При нагревании с кислотами, или под действием сахаразы (инвертазы) сахароза гидролизуется, образуя инвертный сахар – смесь глюкозы и фруктозы. Сахароза хорошо растворима в воде и обладает сладким вкусом. Сахароза используется как продукт питания, а также в производстве поверхностно-активных веществ (эфиры сахарозы с высшими кислотами). Основным источником получения сахарозы является сахарная свекла, содержащая до 23 % сахарозы, и сахарный тростник, стебли которого содержат 10–18 % сахарозы. У растений имеются два фермента, катализирующие синтез сахарозы, а именно сахарозо-синтаза и сахарозо-фосфат-синтаза, которые синтезируют реакции АДФ-глюкоза + D-фруктоза → Сахароза + АДФ (1) УДФ-глюкоза + D-фруктозо-6-фосфат → → Сахарозо-6-фосфат + УДФ (2) Сахарозо-фосфат-синтаза может использовать только УДФ- глюкозу, тогда как сахарозо-синтаза использует АДФ-, УДФ- и ГДФ- глюкозу. Сахарозо-64 фосфат, образовавшийся в результате реакции (2), при действии сахарозофосфатазы превращается в свободную сахарозу. Сахарозо-6-фосфат +Н2О → Сахароза + ортофосфат (3) Данные последних лет свидетельствуют, что биосинтез сахарозы в растениях происходит предпочтительно путем комбинации реакций (2) и (3). В настоящее время установлено, что сахароза синтезируется не только в хлоропластах, но и в цитоплазме фотосинтезирующих клеток из УДФглюкозы и фруктозо-6-фосфата, возникшего из дигидроксиацетонфосфата. Это вещество образуется при фотосинтезе в хлоропластах и затем поступает в цитоплазму. В нефотосинтезирующих тканях (например, в эндосперме прорастающих бобов клещевины) образование сахарозы из УДФ-глюкозы и фруктозо-6-фосфата также происходит в цитоплазме клеток. Полагают, что фермент сахарозо-синтаза связан не с биосинтезом сахарозы, а с ее превращением в крахмал, катализирую реакцию (1) справа налево и образую АДФ-глюкозу из сахарозы. Трегалоза содержится в синезеленых и красных водорослях, у некоторых папоротникообразных и семенных растений Echinops persicus, Carex brunescens и Fagus sulvatica. Трегалоза состоит из двух остатков D-глюкозы в пиранозной форме. У папоротника Selaginella этот дисахарид заменяет сахарозу в качестве транспортной формы углерода и энергии. Трегалоза синтезируется в результате комбинированного действия реакций (4) и (5), которые катализируются трегалозофосфат- синтазой и трегалозофосфатазой соответственно. УДФ-D-глюкоза+D-глюкозо-6-фосфат → → Трегалозо-6-фосфат+УДФ (4) Трегалозо-6-фосфат + Н2О → Трегалоза + ортофосфат (5) Мальтоза (солодовый сахар) – дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Она обнаружена во многих растениях, но обычно в небольших количествах. Образуется мальтоза главным образом при расщеплении крахмала под действием амилазы. Содержится в большом количестве в солоде и солодовых экстрактах. Под действием фермента мальтазы гидролизуется с образованием двух молекул глюкозы. Целлобиоза – является основной строительной единицей клетчатки. Она образуется при действии фермента целлюлазы. Этот фермент выделяется многими микроорганизмами, благодаря чему они способны переваривать растительные остатки. Целлюлаза содержится также во многих прорастающих семенах, где она участвует в расщеплении клеточной стенки паренхиматозных клеток эндосперма. Целлобиоза не синтезируется в растениях из остатков моносахаридов и существует в растительных тканях в 5 свободном виде только после целлюлолиза – процесса, происходящего исключительно в прорастающих семенах. Лактоза (молочный сахар) – дисахарид, образованный остатками Dгалактозы и D-глюкозы. Она содержится в молоке всех млекопитающих в свободном виде (2–8,5 %), а для растений является редким углеводом. Лактоза найдена в пыльцевых трубках цветов Forsythia и в каучуконосном растении Achras sapota. Сбраживается лактоза особыми лактозными дрожжами, содержащимися в кефире, кумысе. В растениях она может гидролизоваться ферментом галактозидазой. Три-, тетра-, и пентасахара содержатся в растениях в небольших количествах. Исключение из этого правила составляет трисахарид – рафиноза. Рафиноза встречается во многих растениях, в частности, в семенах хлопчатника, зернах злаков, в бобовых растениях, сахарном тростнике и сахарной свекле. Так, в свежеубранных корнях сахарной свеклы, содержится до 20 % сахарозы, а содержание рафинозы составляет до 1 % в расчете на сахарозу. Интересно, что при хранении свеклы содержание рафинозы в ней возрастает. В сухом веществе пшеничных зародышей содержится от 4 до 7 % рафинозы. При нагревании с кислотами рафиноза гидролизуется, образуя одну молекулу фруктозы, одну – глюкозы и одну – галактозы. Поскольку рафиноза и другие схожие с ней олигосахариды – стахиоза, вербаскоза – содержаться в семенах многих растений, считается, что они представляют собой запасную форму D-галактозильных, D-глюкозильных и Dфруктозильных остатков в растении. Биосинтез олигосахаридов семейства рафинозы включает последовательный перенос D-галактозильного остатка от галактинола к С6гидроксильной группе конечного D-гликозильного или D- галактозильного остатка олигосахарида. Образование рафинозы, стахиозы и вербаскозы из сахарозы и галактинола представлено в уравнениях. Сахароза + Галактинол → Рафиноза + Мио-инозитол (6) Рафиноза + Галактинол → Стахиоза + Мио-инозитол (7) Стахиоза + Галактинол → Вербаскоза + Мио-инозитол (8) Биосинтез полисахаридов Биосинтез полисахаридов происходит в клетках при участии различных ферментов и ферментных систем. Он начинается с активации моносахаридов, которые связываются с активирующими агентами, такими как нуклеотидные дифосфаты или долихолфосфаты, образуя активированные сахарные нуклеотиды. 6 Затем активированные сахарные нуклеотиды переносятся на носительные молекулы, которые находятся в клеточной мембране. Этот процесс называется донорно-акцепторной реакцией и осуществляется при участии ферментов, таких как гликозилтрансферазы. После переноса активированных сахарных нуклеотидов на носительные молекулы, моносахаридные единицы присоединяются к уже существующей цепи полисахарида. Этот процесс осуществляется при участии специфических гликозилтрансфераз, которые катализируют образование гликозидной связи между моносахаридными единицами. Моносахариды, образовавшиеся в результате фиксации углекислоты, служат источником синтеза полисахаридов, который осуществляется с помощью глюкозидных связей, возникающих между глюкозидным гидроксилом одного моносахарида и любой группировкой другого. (Гидроксильные группы, расположенные при первом углеродном атоме глюкозы и втором - фруктозы, в параноидной форме называются глюкозидными гидроксилами). Для образования глюкозвдкой связи необходима энергия. Поэтому прежде всего происходит фосфорилирование глюкозы с превращением ее в глюкозо- 1 -фосфат при участии фермента фосфорилазы Превращение идет в два этапа. Вначале в результате реакция между глюкозой и АТФ образуется глюкозо-6-фосфат: Затем под действием фермента фосфоглюкомутазы глюкозо-6- фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат: Образовавшийся гексозофосфат и его аналоги идут на синтез полисахаридов. Это основной путь образования полисахаридов из простых сахаров. Бактерии дифтерии и некоторые стрептококки синтезируют полисахариды типа крахмала только из глюкозе-1- фосфата и не могут их синтезировать из нефосфорилированных сахаров. Но многие бактерии обладают способностью синтезировать полисахариды из сахаридов без участия фосфатов. Например, Leuconostoc mesenteroides синтезирует декстран из сахарозы, причем в состав декстрана входит только глюкоза, а фруктоза остается свободной: 7 Многочисленные бактерии синтезируют полисахариды, состоящие из многих типов простых сахаров. Например, Streptococcus faecalis синтезирует полисахарид, состоящий из галактозы, глюкозы, рамнозы и гексозамина. В общих чертах сущность синтеза ди- и полисахаридов всех типов состоит в реакциях переноса остатков моносахаридов, соединенных глюкозидной и фосфатной связями, богатой энергией, с глюкозиддоиора на акцептор. Донорами моносахаридов могут быть глюкозсн 1 -фосфат, различные глюкозиды и полисахариды; акцепторами - неорганический фосфат, моносахариды и полисахариды. Реакции синтеза полисахаридов в большинстве обратимы и идут с затратой энергии. Регуляция биосинтеза олиго- и полисахаридов Регуляция биосинтеза олиго- и полисахаридов является важным процессом в организмах, поскольку эти вещества играют роль в структуре клеток, энергетическом обмене и сигнальных механизмах. Регуляция этого процесса позволяет организмам адаптироваться к изменяющимся условиям и поддерживать гомеостаз. На уровне генов, регуляция биосинтеза олиго- и полисахаридов осуществляется через включение и выключение генов, кодирующих ферменты, ответственные за синтез этих веществ. Это контролируется различными механизмами, такими как регуляция активности промоторных областей генов с помощью транскрипционных факторов и влияние эпигенетических механизмов, таких как метилирование ДНК и модификация гистонов, на экспрессию генов. На уровне ферментов, регуляция биосинтеза олиго- и полисахаридов осуществляется через модуляцию активности ферментов с помощью кофакторов и активаторов, а также пост-трансляционных модификаций ферментов. Кроме того, регуляция экспрессии генов, кодирующих ферменты, может осуществляться с помощью транскрипционных факторов. Питательные вещества также оказывают влияние на регуляцию биосинтеза олиго- и полисахаридов. Наличие определенных питательных веществ может стимулировать или подавлять синтез этих веществ. 8 Регуляция активности ферментов, связанных с метаболизмом питательных веществ, также может влиять на синтез олиго- и полисахаридов. Изменения в окружающей среде, такие как температура, pH или наличие стрессовых факторов, могут вызывать изменение экспрессии генов и активности ферментов, связанных с синтезом олиго- и полисахаридов. Эти изменения позволяют организмам адаптироваться к новым условиям и поддерживать необходимый уровень олиго- и полисахаридов. В целом, регуляция биосинтеза олиго- и полисахаридов является сложным и многоуровневым процессом, который включает в себя контроль на уровне генов, ферментов, питательных веществ и окружающей среды. Эта регуляция играет важную роль в поддержании гомеостаза и адаптации организма к изменяющимся условиям. Применение биосинтеза олиго-и полисахаридов в медицине и промышленности Биосинтез олиго- и полисахаридов имеет широкое применение в медицине и промышленности. В медицине, они используются в качестве лекарственных препаратов и добавок к пище. Например, гиалуроновая кислота, которая является полисахаридом, применяется в косметической и медицинской индустрии для увлажнения кожи и смягчения морщин. Олиго- и полисахариды также используются в качестве компонентов вакцин для усиления иммунного ответа организма. В промышленности, олиго- и полисахариды используются в производстве пищевых добавок, например, как загустители или стабилизаторы. Они также используются в производстве бумаги, текстиля, пластиков и других материалов. Например, целлюлоза, которая является полисахаридом, используется в производстве бумаги и текстиля. Биосинтез олиго- и полисахаридов также может быть использован в биотехнологии для производства биополимеров. Например, бактерии могут быть генетически модифицированы для производства полисахаридов, которые могут быть использованы в качестве биоразлагаемых пластиков. Таким образом, биосинтез олиго- и полисахаридов имеет широкое применение в медицине и промышленности, и его регуляция является важным процессом для поддержания гомеостаза и адаптации организма к изменяющимся условиям 9 Заключение Таким образом, биосинтез олиго- и полисахаридов является сложным и важным процессом, который играет ключевую роль в медицине и промышленности. Они имеют широкий спектр применений и используются в различных областях, от лекарственных препаратов до материалов для производства продуктов. Регуляция биосинтеза олиго- и полисахаридов также является важным аспектом для поддержания гомеостаза организма и его адаптации к изменяющимся условиям. 10 Литература. Ленинджер А. Основы биохимии. М.: Мир, 1985 Албертс Б. и др. Молекулярная биология клетки. М.: Мир, 1994. Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. М.: Высшая школа, 2002. 11
