Основные олигосахариды растений, их функции и биосинтез.
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-D-фруктозой 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-6-фосфат, образовавшийся в результате реакции (2), при действии сахарозо-фосфатазы 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 УДФ-глюкозы 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 свободном виде только после целлюлолиза – процесса, происходящего исключительно в прорастающих семенах.
Лактоза (молочный сахар) – дисахарид, образованный остатками D-галактозы 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 D- фруктозильных остатков в растении.
Биосинтез олигосахаридов семейства рафинозы включает последовательный перенос D-галактозильного остатка от галактинола к С6-гидроксильной 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)