КНОРРЕ_3227

Процесс условно можно разделить на две фазы. Первая проходит на внешней стороне ЭПР. Донором гликозила являются соответственно уридиндифосфатацетилглюкозамин (UDP-N-AcGlc) и гуанозиндифосфатманноза

(GDP-Man).

Первый остаток N-ацетилглюкозамина в виде монофосфата (с освобож­ дением UMP) переносится на заякоренный в мембране остаток долихолфосфата. Далее на внешней стороне мембраны последовательно присоединяются еще один остаток N-ацетилглюкозамина, а затем пять остатков маннозы с освобождением на каждой стадии по одному остатку GDP. Все стадии про­ текают стереоспецифично и по определенным ОН-группам моносахаридов. Так, связывание первого остатка N-AcGlc с остатком аспрагина гликозилируемого белка и второго остатка с первым запишется как (3-GlcNAc-(1 ->4)-р- GlcNАс-(1 —>Asn), а связь второго и третьего остатков маннозы с первым, нахо­ дящимся в точке разветвления, - как a-Man-(1—>3)-Мап и а-Мап-(1—>6)-Мап.

После этого происходит транслокация заякоренного гептасахарида, кото­ рый на внутренней стороне мембраны достраивается до тетрадекасахарида, причем донором моносахарида на этих стадиях является моносахариддолихолфосфаты. Последние образуются путем переноса гликозилов от GDP-Man

иуридиндифосфатглюкозы (UDP-Glc) на заякоренный в мембране долихолфосфат.

Полисахариды могут быть построены из одного (гомополисахариды) или нескольких типов моносахаридов (гетерополисахариды). Полисахариды не­ сут довольно разнообразные функции. Некоторые играют роль запасных по­ лимеров, превращающихся по мере необходимости в соответствующие мо­ номеры. Важнейшими примерами таких полисахаридов являются гликоген

уживотных и крахмал у растений. Другие полисахариды несут структурные функции. В первую очередь таковыми являются целлюлоза у растений и хи­ тин у насекомых. У патогенных бактерий имеются специальные капсульные полисахариды, несущие защитные функции - они закрывают белки оболочки

итаким способом предотвращают иммунный ответ инфицированного орга­ низма. Некоторые гетерополисахариды входят в состав основного вещества соединительной ткани, в которое погружены волокна коллагена.

Помимо тривиальных названий, для полисахаридов принята и системати­

Функциональным и структурным аналогом гликогена у растений является крахмал. Крахмал также построен из остатков D-глюкозы, связанных а-(1—*4)-связями. Он составлен из двух компонентов - амилозы, являющейся линейным полимером, и амшопектина, имеющего многочисленные точки разветвления (примерно каждый 24-30-й остаток глюкозы, т. е. менее раз­ ветвлен, чем гликоген).

Целлюлоза является линейным (неразветвленным) полисахаридом, по­ строенным из остатков глюкозы, связанных (3-(1—*-4) связями. На земле в ре­ зультате фотосинтеза ежегодно производится порядка 1,5х1012тонн целлюлозы.

Хитин является линейным полимером, образованным остатками N- ацетилглюкозамина, связанными, как и у целлюлозы, |3-(1—>4) связями. Он обеспечивает механическую прочность у многих насекомых (муравьи, жуки) и ракообразных.

Гликозаминогликаны представляют собой углеводную часть углеводсо­ держащих биополимеров гликозаминопротеогликанов или протеогликанов. Прежнее название гликозаминопротеогликанов - «мукополисахариды» (от лат. mucus - слизь) и «полисахариды». Гликозаминогликаны в составе проте­ огликанов входят в состав межклеточного вещества соединительной ткани, содержатся в костях, синовиальной жидкости, стекловидном теле и роговице глаза.

Одним из главных полисахаридов соединительной ткани является гиалуроновая кислота, которая образована чередующимися фрагментами глюкуроновой кислоты и N-ацетилглюкозамина. Она является важным компонен­ том синовиальной жидкости, заполняющей области сочленения костей.

В состав основного вещества соединительной ткани входят также поли­ сахариды, содержащие остатки серной кислоты, этерифицированные ОНгруппами моносахаридов. Главным из них является хондроитинсулъфат, со­ стоящий из повторяющихся тетрасахаридных фрагментов, имеющих струк­ туру

-|3-GalNAc(4-S03')-(1 —»4)-|3-GlcUA-(1 —>3)-

-P -G alN A c(6-S03')-(1 -*4)-p -G lcllA -(1 ->3)-

K числу гликозаминогликанов относится также важный компонент крови гепарин, который препятствует самопроизвольному ее свертыванию.

-3 -G lcU A (2-S 03')-(1—»4)-a-G lc(2-NHS03',6 -S 0 3)-

-(1 —»4)-p-GlcUA-a-Glc(2-NHS03', 6 -S 0 3)

Кроме того, к полисахаридам можно отнести и тейхоевые кислоты. Они представляют собой сложные полимеры, основой которых являются чере­

дующиеся остатки полиолов и фосфорной кислоты. Чаще всего в природе встречаются тейхоевые кислоты, спиртовым компонентом которых является глицерин или рибит. По ОН-группам в тейхоевых кислотах присоединены остатки аминокислот и моносахаридов. В качестве примера ниже приведена структура тейхоевой кислоты из микроорганизма Bacillus subtilis, к рибитфосфатному остову которой присоединены остатки аланина и D-глюкозы

СН-ЙНз СНз

§ 13.5. Гликопротеины и протеогликаны

Сахара в живой природе встречаются не только в самостоятельном виде, но и в виде более сложных конструкций, в частности аддуктов с белками - гликопротеинов и полисахаридов, связанных с пептидами - протеогликанов.

Гликопротеины представляют собой производные белков, в которых к определенным остаткам аминокислот присоединены олигосахариды. Гли­ копротеинами являются многие белки внешней стороны плазматических мембран и большинство секретируемых белков.

Ферментативное присоединение олигосахаридов к белкам (гликозшированиё) является одним из важнейших видов постгрансляционной модифика­ ции белков. Эта модификация обеспечивает локализацию белка внутри клет­ ки. Обычно они связаны с амидной группой аспарагина или ОН-группами серина или треонина. Ниже приводятся структурные элементы этого соеди­ нения.

Гликопротеины часто содержат достаточно сложные олигосахариды, синтез которых происходит в эндоплазматическом ретикулуме. Схема синте­ за одного из таких олигосахаридов рассмотрена в предыдущем § 13.4.

304 Глава 13. Биоорганическая химия углеводов

Огромное многообразие гликопротеинов обеспечивается последующим процессингом связанного с белком тетрадекасахаридного остатка, который обусловлен действием ряда гликозидаз и гликозилтрансфераз.

Рис. 93. Структура и первые стадии процессинга олигосахаридного фрагмента Glc3Man9(GlcNAc)2 в составе гликопротеина. Моносахариды: Glc - глюкоза, GlcNAc - N - ацетилглюкозамин, Man - манноза

На рис. 93 представлена структура связанного тетрадекасахарида и про­ дуктов первых стадий процессинга, катализируемого глюкозидазами I и II (К.Ф. 3.2.1.106), приводящими к отщеплению двух остатков глюкозы, и маннозидазами (К.Ф. 3.2.1.130), приводящими к отщеплению шести остатков маннозы. Образовавшийся после удаления двух остатков глюкозы гликопро­ теин, содержащий TV-связанный додекасахаридный остаток, служит местом опознавания белками-шаперонами: калнексином и калретикулином, помо­ гающими гликопротеину принять правильную пространственную структуру во время его перемещения от места синтеза на мембрансвязанных рибосомах во внутреннюю часть эндоплазматического ретикулума После отщепления третьего остатка глюкозы глюкозидазой эндоплазматического ретикулума

На этом примере видны некоторые черты, характерные для многих гли­ копротеинов: разветвленная структура олигосахарида, наличие остатков ман­ нозы в точке разветвления, присутствие сиаловой кислоты на концах цепей, участие в структуре остатка галактозамина и фукозы.

Пептидогликаны распространены как компоненты клеточной стенки бак­ терий, которые представляют собой жесткие структуры, окружающие клетку и защищающие ее от разрушения под действием высокого внутреннего осмо­ тического давления и от внешних воздействий. В качестве примера можно привести пептидогликан стенки бактерий кишечной палочки Escherichia coli. Он представляет собой сополимер чередующихся остатков N- ацетилглюкозамина и N-ацетилмурамовой кислоты, соединенных (3(1—>4) гликозидными связями. Каждый остаток N-ацетилмурамовой кислоты связан 3С ОН-группой с тетрапептидом, структура которого вместе с модифициро­ ванным им дисахаридным фрагментом приведена на рис. 95.

НО

Рис. 95. Структура дисахаридного фрагмента, связанного с тетрапептидом

Как видно из приведенной структуры фрагмента, тетрапептид состоит из остатков L- и D-аланина, остатка D-глутамата и диаминопимелиновой кисло­ ты. N-концевой L-аланин ацилирован карбоксильной группой N- ацетилмурамовой кислоты, входящей в состав полисахарида. Пептиды связа­ ны между собой амидными связями, образованными аминогруппами остат­ ков диаминопимелиновой кислоты одного и карбоксильными группами С- концевых остатков D-аланина соседнего тетрапептида. В итоге образуется сетка из этих пептидов, представленная на рис. 96.

—(CH2)3-CH-CO-D-Ala-CO

NH

I

—(CH2)3-CH-CO-D-Ala-CO

NH

I

—(CH2)3-<pH-CO-D-Ala-CO

NH

I

Рис. 96. Сетка из пептидов, образованных аминогруппами остатков диаминопимелиновой кислоты одного пептида и карбоксильными группами С-концевых остат­ ков D-аланина соседнего тетрапептида

Следствием этого является сетчатая структура всего протеогликана, схе­ матично изображенная на рис. 97.

Рис. 97. Схема пептидогликана стенки бактерий кишечной палочки Escherichia coli. Белые прямоугольники изображают дисахаридные фрагменты, а узкие верти­ кальные прямоугольники - связывающие их между собой тетрапептиды

§13.6. Химический синтез олигосахаридов

Внастоящее время наука не располагает данными о существовании гете­ рополисахаридов с достаточно протяженным уникальным чередованием мо­ номерных звеньев подобно белкам и нуклеиновым кислотам. В то же время

вприроде существуют и выполняют важные биологические функции гетеро­ полисахариды с регулярным чередованием олигосахаридных блоков. Таки­ ми, в частности, являются гепарин и хондроитинсульфат (см. § 13.4). В пре­ дыдущем § 13.5 приведены примеры олигосахаридов с уникальной структу-

рой в составе гликопротеинов, которые играют важную роль в функциониро­ вании их белкового компонента. В связи с этим синтез гетероолигосахаридов представляет интерес для получения новых путем поликонденсации синтети­ ческих олигомеров. Интересным может оказаться синтез нерегулярных оли­ госахаридов определенной структуры для их присоединения к белкам для получения гликопротеинов с измененными биологическими функциями.

Поскольку в олиго- и полисахаридах мономерные звенья связаны гликозидной связью, то центральным вопросом для синтеза олиго- и полисахари­ дов является образование именно такого вида связи. Поэтому при соедине­ нии мономерных звеньев или их присоединения к наращиваемой цепи один из компонентов должен фигурировать как донор гликозила с защищенными ОН-группами, а второй - как акцептор гликозила, у которого защищены все ОН-группы, кроме одной определенной. Получение таких мономеров пред­ ставляет собой нетривиальную задачу и требует в зависимости от выбранной группы акцептора специальных решений.

Так как защитные группы должны быть удаляемыми с одновременным сохранением образованной гликозидной связи, то чаще всего с этой целью используются ацильные группы, удаляемые в щелочной среде, и алкилиденовые группы, легко удаляемые в кислой среде или, в случае бензилиденовых групп, каталитическим гидрированием. Применение алкилиденовых защит имеет еще одной важное свойство - при этом защищаются сразу две гидроксигруппы.

Относительно несложной задачей является получение акцептора гликози­ ла с экспонированной 6-ОН-группой. С этой целью в моносахаридеакцепторе эта группа сначала защищается обработкой тритилхлоридом, ко­ торый избирательно атакует первичную ОН-группу. Затем проацилируются все остальные ОН-группы, а тритильная защита с 6-ОН-группы селективно деблокируется кислотной обработкой. Сложнее обстоит дело с избиратель­ ным экспонированием гидроксилов в положениях 2, 3 и 4. Некоторые такие синтоны были получены. Например, описано получение а-метил-1,2,5,6-ди- О-изопропилиден-а-О-глюкофуранозы со свободным гидроксилом при 3С.

Для образования гликозидных связей при синтезе олигосахаридов было предложено несколько методов. Первый основан на реакции Кенигса и Кнорра и представляет собой взаимодействие а-галогенида, защищенного по всем остальным ОН-группам, с соответствующим акцептором, например:

Процесс сопровождается обращением конфигурации, поэтому при ис­ пользовании г/ис-галогенидов образуются дисахариды с транс- конфигурацией гликозидной связи по отношению к О-ацильной группе при атоме 2С донора гликозила.

Однако основные достижения по синтезу олигосахаридов и их поликон­ денсации связаны с предложенным и разработанным академиком Н. К. Ко­ четковым методом цианэтшиденовой конденсации. Основой метода является реакция 1,2-цианэтилиденовых производных сахаров в качестве донора гли­ козила и тритил-ОН-группы акцептора. В зависимости от решаемой задачи все ОН-группы и донора, и акцептора должны быть блокированы временны­ ми (т. е. удаляемыми перед каждой очередной стадией) или постоянными (удаляемыми в конце синтеза) защитными группами. Цианэтилиденовые производные моносахаридов получаются из бромидов защищенных по всем ОН-группам мономеров обработкой цианидом калия или натрия. Образова­ ние их происходит через промежуточное образование диоксалениевого про­ изводного по схеме

Н.С-ОАс

Цианэтилиденовые производные с полностью защищенными ОНгруппами могут выступать в качестве доноров гликозила и в мягких условиях реагируют с монотритиловыми эфирами моносахаридов-акцепторов. У ак­ цепторов одна, необходимая для присоединения гликозила, ОН-группа тритилирована, а остальные блокированы постоянными защитными группами. Реакция требует участия следовых количеств тритилхлорида как катализато­ ра. Образование гликозидной связи проходит по схеме

Тг

_ 0 0 R

° Y °

Me

где ROH - моносахарид, акцептор гликозила.

В качестве примера ниже приводится синтез с помощью цианэтилидено-