1

ĮVADAS Biochemija - gana jauna mokslo šaka, kurios pagrindinių tyrimų laikotarpis tęsiasi

apie 70 metų. Šiuo metu žinoma tiksli daugelio biologiškai svarbių molekulių struktūra,

išaiškinti jų apykaitos molekuliniai mechanizmai. Kiekvienas, norintis suprasti

sudėtingą ląstelės pasaulį, turi pradėti nuo pažinties su pagrindiniais to pasaulio

veikėjais - svarbiausių biomolekulių klasėmis, jų chemine struktūra bei savybėmis.

Gyvose ląstelėse yra ribotas cheminių elementų kiekis, iš kurių keturi pagrindiniai

- C, H, N ir O sudaro apie 99% ląstelės masės. Tai labai skiriasi nuo cheminių elementų

paplitimo Žemės plutoje, kur didžiąją dalį sudaro O, Si, Ca, Na.

Labiausiai paplitęs gyvoje gamtoje junginys yra vanduo, sudarantis apie 70%

ląstelės masės. Dauguma gyvybiškai svarbių reakcijų vyksta vandens terpėje, todėl

specifinės vandens savybės (poliškumas, sugebėjimas sudaryti vandenilinius ryšius)

sąlygoja ląstelės struktūros ir gyvybinių procesų ypatumus.

Išskyrus vandenį, didžioji dalis biologinių molekulių yra organiniai junginiai.

Anglis pasižymi išskirtiniu sugebėjimu sudaryti didelę junginių įvairovę dėl mažo

atomo dydžio ir keturių elektronų išoriniame valentiniame sluoksnyje, kurie leidžia

formuoti stabilius kovalentinius ryšius tiek su kitais elementais, tiek su kitais anglies

atomais. Anglies atomų gebėjimas sudaryti įvairaus dydžio grandines ir žiedus lemia

išties didžiulio skaičiaus organinių junginių egzistavimą. Tačiau ląstelės procesuose

dalyvauja tik keturi pagrindiniai mažų organinių molekulių tipai, kuriuose esminį

vaidmenį dažniausiai atlieka metil- (-CH3), hidroksi- (-OH), karboksi- (-COOH) ir

amino- (-NH2) grupės. Tokios molekulių klasės yra aminorūgštys, paprasti

angliavandeniai, riebalų rūgštys ir nukleotidai. Tai organinės molekulės, kurių

molekulinė masė kinta nuo 100 iki 1000 Da, jose yra iki 30 anglies atomų. Tokie

junginiai ląstelėje sutinkami laisvi, jie atlieka cheminių reakcijų tarpininkų vaidmenį,

transformuojant iš maisto medžiagų gautą energiją ir jų struktūrinius elementus į

formas, kurias ląstelė gali panaudoti savo reikmėms.

Labai svarbi šių mažų organinių molekulių savybė yra jų sugebėjimas

polimerizuotis, sudarant dideles biomakromolekules. Taip aminorūgštys sudaro

baltymus, kurie ląstelėje atlieka daugybę svarbių funkcijų, tame tarpe katalizuoja visas

ląstelėje vykstančias chemines reakcijas. Monosacharidai, kurie yra svarbiausias

2

energijos šaltinis ląstelėje, sudaro oligosacharidus ir labai didelius polisacharidus,

palaikančius ląstelės struktūrą bei tarnaujančius ląstelės energijos rezervu. Riebalų

rūgštys taip pat gali būti energijos šaltinis, tačiau svarbiausia jų funkcija yra ląstelės

membraninių struktūrų formavimas. Nukleotidai polimerizuojasi į nukleorūgštis, kurios

lemia genetinės informacijos saugojimą ir perdavimą.

Ši mokymo priemonė skirta biologinio profilio studentams. Ji suteikia esmines

žinias apie pagrindinius gamtinius junginius, jų struktūrą, svarbiausias chemines ir

fizines savybes, trumpai aprašo jų biologines funkcijas.

Autoriai dėkoja Dalei Vieželienei ir Laimai Ivanovienei už įdėmų rankraščio

perskaitymą ir naudingas pastabas. Gaunant užsienio leidyklų naujausių laidų

biochemijos ir ląstelės biologijos vadovėlius, mums labai padėjo VDU bibliotekos

vedėja Janina Masalskienė.

3

1. AMINORŪGŠTYS IR BALTYMAI Baltymai yra makromolekulės, sudarytos iš aminorūgščių, sujungtų

peptidiniais ryšiais. Bet kurio organizmo genetinės informacijos pagrindinė dalis

skirta specifinės aminorūgščių sekos baltymuose kodavimui. Nepriklausomai nuo

organizmo rūšies ar ląstelės tipo, visi baltymai sintetinami iš tų pačių 20

aminorūgščių.

1.1 Aminorūgščių struktūra.

Aminorūgštys yra karboksirūgštys, turinčios amino grupę. Ši grupė į baltymų

sudėtį įeinančiose rūgštyse prijungta prie C atomo (tai yra pirmasis C atomas nuo

karboksigrupės) (pav. 1.1).

C H

COOH

R

H2N

Pav. 1.1.

Tokia struktūra būdinga visoms į baltymus įeinančioms aminorūgštims (tik

prolino R jungiasi su imino grupe, žr. lentelę 1), todėl jos vadinamos -

aminorūgštimis. Aminorūgštys skiriasi šoninės grupės R struktūra ir pagal ją

skirstomos į grupes (lent. 1).

Be šių pagrindinių baltymus sudarančių rūgščių, kai kuriuose baltymuose

sutinkamos retos aminorūgštys, tokios kaip 4-hidroksilizinas, 4-hidroksiprolinas ir 5-

hidroksilizinas kolagene, N-metillizinas mioglobine, -karboksiglutamo rūgštis

protrombine ar desmozinas elastine. Kai kurios aminorūgštys ar jų dariniai yra

biologiškai aktyvūs laisvame pavidale. Tokiais pavyzdžiais gali būti ornitinas,

citrulinas, -aminobutiratas, histaminas, serotoninas, adrenalinas, taurinas.

4

Aminorūgštys Lentelė 1 Grupė R struktūra Pavadinimas Savybės Alifa- tinės

H CH3

CH CH3

CH3

CHCH3

CH3

CH2

CHCH3

CH3CH2

Glicinas (Gly, G) Alaninas (Ala, A) Valinas (Val, V)

Leucinas (Leu, L)

Izoleucinas (Ile, I)

nepolinė, hidrofilinė nepolinė, hidrofobinė nepolinė, hidrofobinė nepolinė, hidrofobinė nepolinė, hidrofobinė

Hidroksi-amino

CH2

OH OHCH

CH3

Serinas (Ser, S) Treoninas (Thr, T)

nepolinė, hidrofilinė nepolinė, hidrofilinė

Dikarbo-ksilinės bei jų amidai

CH2 CO

OH

CH2 CO

OHCH2

CH2

CONH2

CH2 CO

CH2 NH2

Asparto rūgštis (Asp, D) Glutamo rūgštis (Glu, E)

Asparaginas (Asn, N) Glutaminas (Gln, Q)

polinė, turi neigiamą krūvį (kai pH 6-7) polinė, turi neigiamą krūvį (kai pH 6-7) nepolinė, hidrofilinė nepolinė, hidrofilinė

Diamino arba guani- dino

CH2

CH2

CH2

NH2

CH2

CH2 CH

2CH

2NH C NH2

NH2

+

Lizinas (Lys, K)

Argininas (Arg, R)

polinė, turi teigiamą krūvį (kai pH 6-7) polinė, turi teigiamą krūvį (kai pH 6-7)

Aroma- tinės CH2

OHCH2

Fenilalaninas (Phe, F)

Tirozinas (Tyr, Y)

nepolinė, hidrofobinė nepolinė, hidrofilinė

Sierą turin- čios

CH2 SH -CH2-S-S-CH2-

CH2 SCH2 CH3

Cisteinas (Cys) C Cistinas (Cys dimeras) (Cys-Cys, C-C) Metioninas (Met, M)

nepolinė, hidrofobinis nepolinė,sudaro disulfidinius tiltelius nepolinė,hidrofobinė

Hetero- ciklinės

CH2

HN

HC

C

H

CH2

+

_ CH

NHC

HN

C

NH

CH2 CH2

CH2

CH COOH

Triptofanas (Trp,W)

Histidinas (His, H)

*Prolinas (Pro, P)

nepolinė, hidrofilinė polinė, turi teigiamą krūvį (kai pH 6-7) nepolinė, hidrofobinė

* - pateikiamas ne radikalas, o visa prolino rūgštis

5

1.2 Aminorūgščių savybės.

Cheminės aminorūgščių savybės. Jas lemia karboksigrupės ir aminogrupės, o

taip pat šoninės funkcinės grupės savybės. Čia nurodysime kai kurias, biologiniu

požiūriu svarbiausias, aminorūgščių reakcijas:

A. Karboksigrupei būdingos reakcijos:

1. Druskų sudarymas su šarmais:

NH2OOH

RNH2 O

R+ NaOH ONa + H2OCH C CH C

2. Dekarboksilinimas:

NH2 OOHR

tCOCH2

+ 2

o, CCH C NH

2R

aminas

3. Redukcija:

NH2 CH COOH

R

LiAlH4

NH2 CH CH2OH

R

amino alkoholis

4. Esterifikacija (esteriai aktyvesni už aminorūgštis ir naudojami

peptidų sintezei):

NH2 CH COOH

R

NH2 CH C

R

+ CH3OHH

+

O CH3

O

+ H O2

B. Aminogrupei būdingos reakcijos:

1. Ketvirtinių druskų sudarymas su rūgštimis:

H2N CH COOH + HCl H

3Cl

- +N CH COOH

R R

2. Ninhidrino redukcija:

6

R CH

NH2

CO

OH+

O+ H2O

O

O

ninhidrinas 2

NH3 + R CH

O+

O

O

H

HCO

2+

O

redukuotas ninhidrinas

Redukuotas ninhidrinas kondensuojasi su kita ninhidrino molekule ir

amoniaku, sudarydamas sudėtingos struktūros violetinį junginį, naudojamą

aminorūgščių nustatymui:

+ NH3

O

O HO

HO+

O

O

N

O

HO+ 2H2O

O

O

3. Nukleofilinis pavadavimas aromatiniuose junginiuose (Sengerio

reakcija):

H2N CH COOH + O

2N

NO2

F O2N

NO2

RNH-CH-COOH +HF

R

1-fluor-2,4-dinitrobenzenas

Ši reakcija naudojama baltymų N-galinės aminorūgšties nustatymui, nes po

baltymo rūgštinės hidrolizės susidaręs arilinis aminorūgšties darinys gali būti

nustatytas spektrofotometriškai.

4. Šifo bazių sudarymas su aldehidais:

7

H2N CH COOH R' CO

H+ CH COOHNR' C + H2O

R RH

Šifo bazė

Šifo bazės yra daugelio fermentinių reakcijų tarpiniai produktai.

C. Karboksigrupėms ir aminogrupėms kartu būdingos reakcijos:

1. Chelatų sudarymas su metalų jonais:

R-CH-NH2 OOC-CH-R

COO NH2

Me2+

Me2+: Mg2, Mn2, Fe2, Cd2, Co2, Zn2, Ni2, Cu2.

2. Kondensacija, sudarant peptidinę jungtį:

C OH

O

CHNH2 + C OH

O

CH

R

C OH

O

CH

R

CHNH2 C

O

N

H

H O2

R

NH2

R

-

Dipeptidas

Tokiu būdu į peptidinę grandinę gali susijungti daug aminorūgščių.

3. Kondensacija su fenilizotiocianatu (Edmano reakcija):

H2N CH COOH + C6H5N C S C6H5 C N

H RRN CH COOH

HS

feniltiohidantoininės rūgšties ir aminorūgšties darinys

Reakcijos produktai rūgštinėje terpėje ciklizuojasi, sudarydami

feniltiohidantoino ir aminorūgšties darinį:

C6H5 C NH R

C6H5

R

+ H2ON CH COOH

HSN NH

CHO

S

Tokie dariniai lengvai nustatomi ir naudojami aminorūgščių sekos polipeptidų

grandinėse nustatymui.

D. Šoninėms funkcinėms grupėms būdingos reakcijos:

8

Visos šoninės funkcinės grupės dalyvauja savo junginių klasei būdingose

cheminėse reakcijose ir lemia labai platų baltymų cheminio elgesio spektrą. Čia

apžvelgsime tik kai kurias biologiškai svarbias šoninių grupių reakcijas.

Dideliu cheminiu aktyvumu pasižymi cisteino merkaptogrupė, kuri svarbi

daugelio baltymų biologiniam aktyvumui. Jos cheminė modifikacija dažnai susijusi

su baltymų aktyvumo pokyčiais. Ši grupė labai lengvai oksiduojasi susidarant

kovalentiniam disulfidiniam ryšiui tarp dviejų cisteino molekulių:

HOOC

H2NCH CH2 SH + HS-CH2

- CHCOOH

NH2

2H+

HOOC

H2NCH CH2 S S-CH2

- CHCOOH

NH2

Cistinas

Cistinas, oksiduota cisteino forma, yra svarbus baltymų struktūros elementas.

Jis sudaro disulfidinius tiltelius tarp atskirų polipeptidinių grandinių ar vienos

grandinės viduje. Disulfidinius tiltelius suardo oksiduojantys arba redukuojantys

reagentai, pavyzdžiui, merkaptoetanolis.

Kita būdinga merkaptogrupei reakcija yra merkaptidų sudarymas su sunkiųjų

metalų jonais, tokiais kaip Ag+ ar Hg2+:

HOOC

H2NCH CH2 SH +-

HOOC

H2NCH CH2

-Ag+

H+

AgS

cisteino sidabro merkaptidas

Tokia sunkiųjų metalų jonų reakcija su baltymų -SH grupėmis sąlygoja toksinį

jų poveikį gyviems organizmams. Tai tik keli pavyzdžiai iš daugelio reakcijų,

kuriose gali dalyvauti -SH grupė.

Serino hidroksigrupė taip pat yra chemiškai aktyvi, pasižymi stipriomis

nukleofilinėmis savybėmis, todėl tiesiogiai dalyvauja katalizės procesuose o taip pat

sudaro vandenilinius ryšius. Labai svarbus jos sugebėjimas fosforilintis, nes tuo būdu

reguliuojamas kai kurių fermentų aktyvumas.

Turinčios krūvį - rūgštinės (Asp, Glu) ir bazinės (Arg, Lys) aminorūgštys

svarbios baltymų struktūros stabilizavime, nes jos sudaro joninius ryšius. Baltymų

struktūra kinta, kuomet jų šoninės funkcinės grupės keičia jonizacijos laipsnį.

9

Hidrofobinė sąveika taip pat yra labai svarbus faktorius, lemiantis baltymų

erdvinę struktūrą. Daugelis aminorūgščių šoninių grupių pasižymi hidrofilinėm arba

hidrofobinėm savybėm. Turinčios krūvį bei polinės grupės sudaro vandenilinius

ryšius, t.y. jos yra hidrofilinės. Asparto, glutamo rūgštys, argininas, lizinas ir

histidinas yra hidrofilinės aminorūgštys. Asparaginas, glutaminas, serinas ir

treoninas yra hidrofiliniai, nors ir neturi krūvio. Tuo tarpu alifatinės grupės yra

hidrofobinės. Tokiomis savybėmis pasižymi prolinas, leucinas, izoleucinas, valinas ir

metioninas. Fenilalanino aromatinis žiedas lemia jo hidrofobiškumą. Tačiau ne visais

atvejais paprasta tiksliai įvertinti aminorūgšties hidrofobiškumą. Nors cisteino ir

alanino šoninės grupės yra hidrofobinės, tačiau dėl mažo jų dydžio hidrofobinės

savybės yra silpnos. Tirozino ir triptofano šoninė grandinė turi ir hidrofobinį

aromatinį žiedą, ir polines grupes (-OH ir >NH, atitinkamai). Neatsitiktinai kai kurių

aminorūgščių hidrofobiškumas įvairiuose vadovėliuose vertinamas nevienodai.

Kai kurioms -R grupėms būdingos spalvinės reakcijos. Tai leidžia jas

kokybiškai nustatyti: cisteino merkaptogrupei nustatyti naudojama Folio reakcija,

tirozino hidroksifenilgrupei - ksantoproteino, Milono, Pauli reakcijos, arginino

guanidinogrupei - Sakaguchi reakcija. Kiekybiniam aminorūgščių nustatymui

naudojami chromatografiniai metodai.

Rūgštinės-bazinės aminorūgščių savybės. Kiekviena aminorūgštis turi

mažiausiai dvi funkcines grupes, karboksi- (rūgštinę) ir aminogrupę (bazinę), kurios

vandeniniuose tirpaluose gali būti jonizuotos:

H2N CH

RCOO

- CHR

COO- CH

RCOO

H2N CH

RCOO

H3N H

3N+

H

+ H

H+

H+

(a)

(b)(c) (d)

Todėl aminorūštys pasižymi amfoteriškumu: tirpaluose gali elgtis ir kaip

rūgštys, ir kaip bazės, priklausomai nuo to, kurios formos (a,b,c,d) yra jų molekulės.

Protonuotos grupės -COOH ir -NH3+ pasižymi rūgštinėm savybėm (protonų donorai),

tuo tarpu -COO- ir -NH2 formos yra bazės (protonų akceptoriai). Pusiausvyra,

nusistovinti tarp šių formų aminorūgšties tirpale, priklauso nuo terpės rūgštingumo

10

(pH). Rūgštinėje terpėje vyrauja forma (d), šarminėje - forma (c). Kai terpės pH 49,

aminorūgštys įgauna formą (b). Tokia forma būdingiausia fiziologinėmis sąlygomis,

nes ši pH reikšmių sritis apima ir organizmo skysčių pH: kraujo plazmos pH 7.4,

tarpląstelinio skysčio - 7.0. Nors iš viso ši forma neutrali, ji yra dipolinis jonas

(cviterjonas). Nors nėra tokio pH, kuriame egzistuotų forma (a), tokia forma

patogumo dėlei naudojama aprašant aminorūgščių chemines savybes.

Bet kurios funkcinės grupės jonizacijos laipsnio priklausomybę nuo terpės pH

tiksliau charakterizuoja disociacijos konstanta K ir jos neigiamas logaritmas pK = -

logK; tai yra pH reikšmė, kuriai esant pusė funkcinių grupių yra jonizuotoje formoje.

Ši konstanta kiekybiškai nustatoma titruojant aminorūgšties tirpalą rūgštimis ir

šarmais. Pav. 1.2. pateikiamos alanino titravimo HCl ir NaOH kreivės.

Tokiu pat būdu nustatomas ir aminorūgšties izoelektrinis taškas pI - tirpalo pH

reikšmė, kuriai esant aminorūgštis neturi krūvio ir yra nejudri elektros lauke.

Alanino pI = 6.02. Žinant izoelektrinį tašką galima numatyti, kokį krūvį aminorūgštis

įgauna tirpaluose - kai terpės pH didesnis nei pI, aminorūgštis turės neigiamą krūvį ir

judės elektros lauke link teigiamo elektrodo ir atvirkščiai. Tai leidžia tinkamai

pasirinkti buferio pH, kuris reikalingas aminorūgščių atskyrimui eletroforetiniu

būdu.

11

pH

0

2

4

6

8

10

12

14

1.0 0.5 0 0.5 1.0

HCl ekvivalentai NaOH ekvivalentai

H2NCH(CH3)COO -

50% H3N+CH(CH3)COO-

pK2=9.69

pI=6.02

H3N+CH(CH3)COO-

50% H3N+CH(CH3)COOH

pK1=2.34

H3N+CH(CH3)COOH

Pav. 1.2.

Izoelektrinio taško reikšmę galima apskaičiuoti, žinant amino rūgšties

funkcinių grupių pK reikšmes:

pIpK pK

1 2

2.

Skaičiavimas sudėtingesnis, kai molekulėje yra daugiau nei dvi joninės grupės,

nes būtina įvertinti ir šoninės funkcinės grupės R jonizaciją.

Eksperimentiškai nustatytos amino rūgščių pK ir pI reikšmės pateiktos

lentelėje 2. Aminogrupių pK yra šarminėje (pH 910), o karboksigrupių - rūgštinėje

srityje (pH 23). Atliekant baltymų elektroforezę svarbu žinoti jų pI, kuris priklauso

nuo baltymą sudarančių aminorūgščių šoninių radikalų ir galinių amino- bei

karboksigrupių jonizacijos lemiamo bendro molekulės krūvio. Baltymų pI gali

žymiai skirtis (Lent. 3).

Lentelė 2

12

Aminorūgštis pK -COOH pK -NH2 pKR pI

Glicinas

Alaninas

Valinas

Leucinas

Izoleucinas

Serinas

Treoninas

Asparto r.

Asparaginas

Glutamo r.

Glutaminas

Lizinas

Argininas

Histidinas

Fenilalaninas

Tirozinas

Triptofanas

Cisteinas

Metioninas

Prolinas

2.34

2.35

2.32

2.36

2.36

2.21

2.63

2.06

2.02

2.19

2.17

2.18

2.17

1.82

1.83

2.2

2.38

1.71

2.28

1.99

9.6

9.69

9.62

9.6

9.68

9.15

10.43

9.82

8.8

9.67

9.13

8.95

9.04

9.17

9.13

9.11

9.39

10.78

9.21

10.60

3.86

4.25

10.53

12.48

6.0

10.07

8.33

5.97

6.02

5.97

5.98

6.02

5.68

6.53

2.97

5.41

3.22

5.65

9.74

10.8

7.58

5.98

5.65

5.88

5.02

5.75

6.10

Lentelė 3

Baltymas pI

Kiaušinio albuminas

Ureazė

Hemoglobinas

Mioglobinas

Chimotripsinas

Lizocimas

4.6

6.8

7.0

9.5

11.0

11.0

13

Baltymų stabilumas izoelektriniame taške yra mažiausias, nes krūvio

neturinčios molekulės lengviau “limpa” tarpusavyje ir gali iškristi nuosėdų pavidalu.

Dar viena svarbi aminorūgščių (ir baltymų) amfoteriškumo pasekmė yra ta, jog

vienu metu turėdamos rūgštines ir bazines grupes jos gali atlikti buferio vaidmenį, t.

y. mažinti terpės pH pokyčius rūgščių ir šarmų poveikyje, nes gali rišti H+ ir OH-

jonus:

H2N CHR

COOH CHR

COOH3N+ HH2N CH

RCOO

-H2O +

+OH- +H+

Didžiausias buferinis aminorūgščių talpumas yra pH srityse, artimose jų

funkcinių grupių pK. Histidinas yra vienintelė aminorūgštis, kurios buferinis

talpumas pH 68 srityje yra žymus.

Optinės aminorūgščių savybės.

Optinė izomerija. Visos dvidešimt baltymus sudarančių aminorūgščių,

išskyrus gliciną, yra optiškai aktyvios, t. y. jos suka poliarizuotos šviesos plokštumą.

Toks aktyvumas būdingas chiraliniams junginiams, kurie turi asimetrinius atomus ir

todėl egzistuoja keliose optinių izomerų formose, kurios skiriasi atomų išsidėstymu

erdvėje. Optiniai izomerai yra tarsi vienas kito veidrodiniai atspindžiai. Alanino

molekulėje yra asimetrinis anglies atomas, prijungęs keturias skirtingas grupes,

galinčias išsidėstyti erdvėje dviem būdais:

L-alaninas D-alaninas

Skirtingos optinių izomerų formos (enantiomerai) žymimos raidėmis L ir D.

Toks žymėjimas parodo optinio izomero struktūros atitikimą glicerolio aldehido

14

(mažiausio angliavandenio, turinčio asimetrinį C atomą) L- ir D-formų erdvinei

konfigūracijai. Enantiomerų molekulės skiriasi viena nuo kitos, kaip kairė ranka

skiriasi nuo dešinės (pabandykite ant dešiniosios rankos uždėti kairės rankos

pirštinę). Fizinės ir cheminės optinių izomerų savybės daugmaž vienodos, nors su

kitais asimetriniais junginiais jie gali reaguoti skirtingu greičiu. Tačiau optiniai

izomerai suka poliarizuotą šviesą (vienodu dydžiu) priešinga kryptimi.

Asimetriškumas yra biologiškai svarbus, pvz., daugumos fermentų aktyviuose

centruose gali jungtis tik vienas iš optinių izomerų. L-aminorūgštys gali sukti

poliarizacijos plokštumą tiek į kairę (-), tiek į dešinę (+). Specifinės rotacijos dydis ir

net ženklas kinta priklausomai nuo pH ir temperatūros.

Kai aminorūgštys sintetinamos cheminiu būdu, susidaro ekvimoliarinis abiejų

stereoizomerų mišinys, vadinamas racematu (D, L-aminorūgštis). Racema-tas

optiškai neaktyvus, nes jame esančios D ir L enantiomerų formos kompen-suoja

viena kitos optinį veikimą. Visos į baltymų sudėtį įeinančios aminorūgštys yra L-

izomerai. Treoninas ir izoleucinas, be asimetrinio -C atomo, turi antrąjį asimetrijos

centrą ir todėl galimi keturi optiniai izomerai. Nors D-aminorūgščių baltymuose

nerandama, jos sutinkamos gamtoje. Jų yra bakterijų sienelėse ir peptidinių

antibiotikų (gramicidino, valinomicino ir aktinomicino D) struktūroje.

Sugerties spektrai. Nei viena iš dvidešimties į baltymus įeinančių

aminorūgščių nesugeria šviesos matomų bangų srityje. Ultravioletinėje srityje trys

aminorūgštys - tirozinas, triptofanas ir fenilalaninas skirtingu intensyvumu sugeria

šviesą (lent. 4). Šią savybę lemia jų aromatinis žiedas.

Lentelė 4

Ami

norūgštis

max ,

nm

ekstinkcijos koeficientas , M-

1/cm

Phe

Tyr

Trp

259

278

279

2.0 x 102

1.1 x 103

5.2 x 103

15

Molinis ekstinkcijos koeficientas parodo, kokio dydžio šviesos sugertis

būdinga medžiagai, kai jos tirpalo koncentracija 1 M, o šviesos kelio ilgis per

tiriamos medžiagos tirpalą yra 1 cm. Matome, kad triptofanas šviesą sugeria

stipriausiai. Baltymų sugerties savybės labiausiai priklauso nuo triptofano ir tirozino

kiekio jų molekulėse, todėl daugelio baltymų sugerties maksimumas matuojamas ties

280 nm sritimi. Baltymų bendrą sugebėjimą sugerti šviesą tolimoje ultravioletinėje

srityje (<220 nm) sąlygoja jų peptidinis ryšis.

16

1.3. Baltymai

Baltymai - pagrindinė junginių, randamų gyvuose organizmuose, klasė. Kiekvienoje ląstelėje gali

būti keletas tūkstančių skirtingų baltymų. Baltymai ląstelėse atlieka tiek įvairių funkcijų, kad buvo

pavadinti “proteinais” (proteios - graikų k. pirmas), pabrėžiant jų pirmaeilį vaidmenį. Svarbiausios

baltymų funkcijos:

1. Katalitinė. Baltymai fermentai katalizuoja ląstelėje vykstančias chemines reakcijas, todėl jos

švelniomis sąlygomis vyksta dideliu greičiu. Tai viena svarbiausių baltymų funkcijų.

2. Pernašos. Baltymai perneša įvairias medžiagas nuo elektronų iki makromolekulių.

Hemoglobinas neša deguonį iš plaučių į audinius. Labai svarbi pernašos baltymų klasė yra membraniniai

baltymai - nešikliai, arba baltymai, formuojantys membranose kanalus. Jie per ląstelės ar organoidų

membranas perneša jonus, aminorūgštis, angliavandenius, baltymus bei kitas medžiagas, būtinas ląstelės

medžiagų apykaitai.

3. Struktūrinė. Baltymai kartu su lipidais sudaro biologines membranas. Pagrindinis jungiamojo

audinio baltymas yra kolagenas. Plaukai, nagai taip pat yra sudaryti iš baltymų.

4. Hormoninė. Insulinas reguliuoja cukraus koncentraciją kraujyje, somatotropinis hormonas -

augimą.

5. Apsauginė. Organizme sintetinami antikūnai apsaugo jį nuo įvairių bakterijų. Virusinė infekcija

iššaukia baltymo interferono sintezę, kuris stabdo tolesnį virusų dauginimąsi.

6. Energetinė. Oksiduojantis baltymuose esančioms aminorūgštims, išsiskyrusi energija gali būti

panaudojama organizmo energetiniams poreikiams tenkinti. Pieno kazeinas, kiaušinio baltymas yra

atsarginės maisto medžiagos, reikalingos organizmo vystymuisi.

7. Motorinė. Raumenys sudaryti iš baltymų aktino ir miozino. Jų pagalba cheminė energija

paverčiama mechanine. Judėjimui taip pat svarbūs tubulinas, flagelinas, kinezinas, dineinas ir kiti

baltymai.

8. Toksinė. Choleros, botulizmo, difterijos, gangrenos toksinai yra baltymai.

9. Receptorinė. Baltymai receptoriai, išsidėstę ant membranų paviršiaus, sąveikauja su hormonais,

neuromediatoriais, šviesa ir kitomis medžiagomis ir signalą perduoda per membraną. Skonio, uoslės ir

kiti receptoriai taip pat yra baltymai.

10. Reguliacinė. Baltymai gali prisijungti prie nukleorūgščių, kitų baltymų ir keisti jų biologinį

aktyvumą.

Baltymai, sudaryti tiktai iš aminorūgščių, vadinami paprastais baltymais, arba proteinais. Tačiau

dažnai į baltymų sudėtį įeina įvairios organinės ar neorganinės medžiagos. Tokie baltymai vadinami

sudėtiniais baltymais arba, proteidais. Sudėtinių baltymų pavyzdžiai pateikti lentelėje 5.

Lentelė 5

Pavadinimas Nebaltyminė dalis Pavyzdys

Nukleoproteinai Nukleorūgštys Ribosomos, chromosomos

Glikoproteinai Angliavandeniai Imunoglobulinas G

17

Lipoproteinai Lipidai Kraujo lipoproteinai, membranos

Fosfoproteinai Fosforo rūgštis Pieno kazeinas

Metaloproteinai Metalų jonai:Geležies Cinko Kalcio Seleno Vario

Feritinas Karboksipeptidazė Kalmodulinas Glutationperoksidazė Citochromoksidazė

Hemoproteinai Hemas Hemoglobinas

Flavoproteinai Flavinas Sukcinatdehidrogenazė

Baltymų bendrus bruožus apsprendžia cheminė struktūra - tai makromolekulės, sudarytos iš

aminorūgščių, sujungtų peptidiniais ryšiais. Nepriklausomai nuo organizmo rūšies ar ląstelės tipo, visi

baltymai sudaryti iš tų pačių aminorūgščių, kurios (panašiai kaip 32 abėcėlės raidės gali sudaryti daugybę

skirtingų žodžių, sakinių ar knygų) besijungdamos tarpusavyje skirtinga tvarka ir kiekiu sudaro begalinę

įvairovę baltyminių molekulių.

1.4. Baltymų struktūra

Baltymai yra linijiniai aminorūgščių polimerai, kurių seka nereguliari, tačiau specifinė, būdinga tik

tam baltymui. Aminorūgščių išsidėstymas polipeptidinėje grandinėje vadinamas baltymo pirmine

struktūra. Pirminė struktūra lemia aukštesnės organizacinės eilės struktūras, biomolekulės erdvinį

išsidėstymą. Kiti du baltymo struktūros lygiai - antrinė ir tretinė struktūros, yra polipep-tidinės grandinės

išsidėstymas erdvėje. Antrinę struktūrą sąlygoja vandeniliniai ryšiai tarp peptidinių grupių tos pačios

grandinės viduje arba tarp skirtingų polipeptidinių grandinių. Pagal konfigūraciją antrinė struktūra gali

būti spiralinė (-spiralė) ir klostyta (-struktūra). Kai kurios fermento dalys gali visai neturėti kokios

nors apibrėžtos struktūros. Tretinė struktūra yra antrinės struktūros elementų išsidėstymas erdvėje vienas

kito atžvilgiu. Ją sąlygoja kovalentiniai disulfidiniai ryšiai, vandeniliniai ryšiai, elektrostatinė sąveika tarp

šoninių radikalų įkrautų funkcinių grupių, van der Waals ryšiai, taip pat hidrofobinė sąveika. Tretinė

struktūra būtina biologiniam baltymų aktyvumui pasireikšti. Kadangi šią struktūrą lemia didelis

skaičius silpnų sąveikų, ji labai jautri įvairiems aplinkos poveikiams. Pagal molekulės formą baltymai

gali būti skirstomi į globulinius ir fibrilinius. Globulinių baltymų molekulėms būdinga sferinė forma.

Paprastai tai tirpūs vandenyje baltymai, ląstelėje atliekantys labai įvairias (katalizinę, transportinę,

reguliacinę) funkcijas. Tuo tarpu fibriliniams baltymams būdinga cilindrinė ilga molekulių forma. Jie

blogai tirpsta vandenyje ir dažniausiai atlieka struktūrinį vaidmenį - tokių baltymų pavyzdžiai yra

kolagenas, -keratinas, fibroinas.

Ketvirtinė struktūra būdinga baltymams, sudarytiems iš daugiau nei vienos polipeptidinės

grandinės. Tokie baltymai vadinami oligomeriniais (tuo tarpu baltymai, sudaryti iš vienos grandinės -

monomeriniais). Atskiri polipeptidai, įeinantys į oligomerinių baltymų sudėtį (kiekvienas iš jų turi

būdingą tretinę struktūrą), vadinami subvienetais. Subvienetai sujungti į oligomerinį baltymą silpnų ryšių

pagalba. Homomerinių baltymų visi subvienetai vienodi, heteromerinių - skirtingi.

18

Pirminė baltymų struktūra yra aminorūgščių, sujungtų peptidiniu ryšiu į polipeptidinę grandinę,

seka. Pirminė baltymų struktūra unikali kiekvienam polipeptidui. Ji nustatoma, suardžius aukštesnes

struktūras. Daugelio baltymų pirminė struktūra yra nustatyta.

Peptidiniu ryšiu vadinamas kovalentinis ryšis, susidarantis tarp vienos aminorūgšties -

aminogrupės ir kitos aminorūgšties -karboksigrupės. Tarkime, kad peptidinės jungties sudaryme

dalyvauja glicino karboksigrupė, o alanino - aminogrupė. Joms reaguojant tarpusavyje, atskyla vandens

molekulė ir susidaro peptidinis ryšis:

C O

O

CH2NH3

Glicinas (Gly)

+ C O

O

CHNHH

H CH3

C O

O

CH

CH3

CH2NH3 C

O

N

H+ H O2

Alaninas (Ala) Glicilalaninas (Gly-Ala)

Peptidinis ryðis

+ +

Dviejų aminorūgščių, susijungusių peptidiniu ryšiu, junginys vadinamas dipeptidu. Alanino

karboksigrupei reaguojant su glicino aminogrupe susidarys kitoks dipeptidas. Dipeptidai turi laisvas -

NH3 ir -COO- grupes, todėl gali reaguoti su trečia aminorūgštimi ir sudaryti tripeptidą:

NH3 C C N C COO-+

HR

O

H

R

1

2H

+ NH3 C COO

R

H

3

-

- H O2

NH3 C C N C C N C COO+ -

R

H O

H H

R O

H R

H

1

2

3

Dipeptidas

Tripeptidas

+

Kiekvienas tripeptidas turi laisvas -NH3 ir -COO-

grupes ir gali sudaryti tetrapeptidą ir t.t.

Susidarant peptidiniam ryšiui ląstelėje, pirmiausiai aktyvuojasi vienos aminorūgšties karboksigrupė, kuri

po to jungiasi su kitos aminorūgšties aminogrupe. Peptidai, į kurių sudėtį įeina nuo 2 iki 20

aminorūgščių, gali būti vadinami oligopeptidais, kai grandinėje yra daugiau nei 20 aminorūgščių -

polipeptidais (šios ribos nėra griežtos). Polipeptidai, kurių masė viršija 5000 Da, vadinami baltymais.

Peptidų pavadinimai sudaryti iš juos sudarančių aminorūgščių pavadinimų. Kiekvienas peptidas ar

polipeptidinė grandinė turi N-galinę aminorūgštį, turinčią laisvą aminogrupę ir C-galinę aminorūgštį,

turinčią laisvą karboksigrupę. Polipeptido pavadinime iš eilės vardijamos visos aminorūgštys, pradedant

nuo N-galo aminorūgšties ir keičiant jų pavadinime priesagą -in- į -il (išskyrus C-galo aminorūgštį),

pavyzdžiui, leucilfenilalaniltreoninas. Naudojant trijų raidžių simbolius, pavaizduoti polipeptido struktūrą

19

galima labai glaustai. Pirmas simbolis reiškia laisvą aminogrupės galą, o paskutinis simbolis - laisvą

karboksigrupės galą. Pavyzdžiui, tripeptidas gali būti vaizduojamas Leu—Phe-Thr arba LFT.

Nedidelės molekulinės masės peptidai ir oligopeptidai atlieka labai svarbias biologines funkcijas.

Jie skiriasi dydžiu, ciklinių struktūrų buvimu, išsišakojimu, D-aminorūgščių buvimu, kai kuriais atvejais -

unikaliu peptidiniu ryšiu. Paprasčiausi iš peptidų - dipeptidai karnozinas (-alanilhistidinas) ir anserinas

(-alanil-N-metilhistidinas) aptinkami raumeniniame audinyje. Manoma, kad jie palaiko pastovų pH

raumenų ląstelėse. Tripeptidas glutationas Glu-Cys-Gly yra paplitęs visų rūšių organizmuose (augalų,

gyvūnų, mikroorganizmų). Jis lengvai oksiduojasi ir vėl redukuojasi, dalyvaudamas daugelyje

oksidacijos-redukcijos procesų. Glutationas aktyvuoja daugelį fermentų, be to, apsaugo įvairias

biomolekules nuo žalingo oksidantų poveikio. Kai kurie hormonai (oksitocinas, vazopresinas,

angiotenzinas, somatostatinas), toksinai (melitinas, apaminas, antamanidas) bei daug antibiotikų

(gramicidinas, valinomicinas) taip pat yra peptidai. Neuropeptidai (pentapeptidai enkefalinai ir

polipeptidai endorfinai) svarbūs reguliuojant smegenų veiklą.

Baltymų pirminės struktūros nustatymas yra svarbus keliais aspektais:

1) Žinant pirminę struktūrą, galima nagrinėti baltymo veikimo mechanizmą (pvz., fermento

katalizės mechanizmą).

2) Aminorūgščių seka sąlygoja baltymo erdvinę struktūrą. Ją žinant, galima nagrinėti

polipeptidinės grandinės susisukimą erdvėje.

3) Baltymų pirminės struktūros pakitimai sąlygoja įvairias ligas. Nustačius baltymo pirminę

struktūrą, diagnozuojami kai kurie susirgimai. Pavyzdžiui, pjautuvine anemija sergančių ligonių

hemoglobino molekulėje viena glutamo rūgštis yra pakeista valinu.

4) Žinant įvairių baltymų aminorūgščių seką, galima spręsti apie šių baltymų evoliucinį

vystymąsi.

Pirminės stuktūros nustatymui naudojami įvairūs metodai. Šiuo metu aminorūgščių seka

nustatoma pagal DNR pirminę struktūrą. Dažnai lengviau nustatyti DNR pirminę struktūrą ir pagal

genetinį kodą (žinant, kokie tripletai kokias aminorūgštis koduoja) nustatoma aminorūgščių seka baltymo

molekulėje.

Plačiau naudojamas cheminis baltymų pirminės struktūros nustatymo metodas, susidedantis iš

etapų:

1. Baltymas išvalomas. Jeigu baltymo molekulėje yra daugiau nei viena polipeptidinė grandinė,

šios grandinės atskiriamos ir išvalomos.

2. Nustatomos N-galinės aminorūgštys ir įvertinama, iš kelių disulfidiniais ryšiais sujungtų

polipeptidinių grandinių sudarytas tiriamas baltymas. Viduje grandinės esantys disulfidiniai ryšiai

suardomi, juos redukuojant merkapto-etanoliu arba oksiduojant perskruzdžių rūgštimi.

20

3. Nustatoma, kiek ir kokių aminorūgščių yra polipeptidinėje grandinėje. Visiškai hidrolizavus

baltymą, aminorūgščių kiekybinė ir kokybinė analizė atliekama automatiniu aminorūgščių analizatoriumi.

4. Nustatomos N- ir C-galinės aminorūgštys. Galinės aminorūgštys dažniau-siai nustatomos

cheminiais metodais. Cheminiu agentu pažymima atitinkama aminorūgštis, baltymas skaidomas iki

aminorūgščių ar peptidų ir chromatografijos metodu identifikuojama pažymėta galinė aminorūgštis.

Yra keletas efektyvių N-galinės aminorūgšties nustatymo metodų:

1) Dansilchloridas reaguoja su pirminiais aminais, sudarydamas dansilintus polipeptidus. Po

rūgštinės hidrolizės dansilinta N-galinė aminorūgštis pasižymi intensyvia geltona fluorescencija ir

chromatografiškai galima nustatyti jos kiekį iki 100 pmol.

2) Sengerio metodas. Prie baltymo molekulės N-galinės aminorūgšties aminogrupės prijungiamas

dinitrofluorbenzenas (žr. sk. 1.3). Hidrolizuojant baltymą rūgštimi, jis suskyla iki laisvų aminorūgščių,

kurių viena yra pažymėta. Chromatografijos metodais šią N-galinę aminorūgštį galima identifikuoti. Šis

metodas buvo pritaikytas, nustatant insulino pirminę struktūrą. Sengerio metodo trūkumas yra tas, kad

nustatoma tik viena aminorūgštis.

3) Plačiausiai vartojamas Edmano metodas. Prie polipeptidinės grandinės N-galo prijungiamas

fenilizotiocianatas ir po to atskeliamas feniltiohidantoino ir aminorūgšties darinys, kuris nustatomas

chromatografijos metodu.

N C S

Fenilizotiocianatas(FITC)

+ NH3 C C N C C N C C N C COO+

R

R

R

R

O O O

H H

H

H H H

H1

2

3

4

-

FITC-peptidas

NC

NH

C CH

O R1

+ NH3C C N C C N C COO

+

R

R

R

O OH

H H H

H

2

3

4

-

peptido grandinë be N-galinës aminorûgðtiesFenilhidantoino iraminorûgðties darinys

H+

N C

S

C C N C C N C C N C COO

R

R

R

R

O O O

H H

H

H H H

H1

2

3

4

-N

tiriamo peptido grandinë

H

21

Sutrumpėjusi viena aminorūgštimi, polipeptidinė grandinė vėl reaguoja su fenilizotiocianatu.

Edmano metodo pagrindu yra sukurti automatiniai prietaisai (sikvenatoriai), kuriais galima nustatyti

daugiau negu 70 N-galinių aminorūgščių.

Polipeptidinės grandinės C-galinės aminorūgšties nustatymui naudojami fermentai

karboksipeptidazės, kurios hidrolizuoja nuo C- galo po vieną aminorūgštį, identifikuojamą

chromatografijos metodu.

5. Jeigu polipeptido grandinė labai ilga, ji skaidoma į trumpesnius fragmen-tus. Polipeptidinę

grandinę galima hidrolizuoti rūgštimis, specifiniais proteoliti-niais fermentais, įvairiomis cheminėmis

medžiagomis (pav. 1.3).

Pav. 1.3.

Tripsinas skaido polipeptidinę grandinę ties arginino ir lizino karboksigrupe, chimotripsinas - ties

fenilalaninu, triptofanu, tirozinu. Cheminis agentas ciano bromidas specifiškai skaido polipeptidinę

grandinę ties metioninu. Naudojant skirtingus polipeptidinės grandinės skaidymo būdus, gaunami įvairūs

fragmentai (pav. 1.4), juose nustatoma aminorūgščių seka.

22

Pav. 1.4.

6. Rekonstruojama aminorūgščių seka baltymo molekulėje, lyginant įvairiais būdais gautų

fragmentų aminorūgščių sekas. Tokiai analizei būtina, kad sekos persidengtų.

7. Nustatomos disulfidinių ryšių buvimo vietos.

Antrinė baltymų struktūra. Pirminės baltymo struktūros išsidėstymas erdvėje vadinamas antrine

struktūra. Peptidinis ryšys yra pasikartojantis polipeptidinės grandinės elementas, kurio savybės sąlygoja

ne tik pirminę struktūrą, bet ir aukštesnius polipeptidinės grandinės struktūrinės organizacijos lygius.

1951 m. amerikiečių mokslininkai L. Pauling ir R. Corey pasiūlė antrinės baltymų struktūros modelį,

pagrįstą pastebėjimu, kad peptide amidinis ryšis -CO-NH- yra dalinai dvigubas. Azoto atomo elektronų

pora peptidiniame ryšyje yra delokalizuota ir suteikia jam dalinai dvigubo ryšio charakterį. Tai

peptidiniam ryšiui suteikia tokias savybes:

1. Peptidinis ryšys yra trumpesnis (0,133 nm) nei paprastas C-N ryšys (0,150 nm), bet ilgesnis

nei dvigubas CN ryšis (0,127 nm).

2. Sukimasis apie peptidinį ryšį nevyksta.

3. 6 atomai (gretimų aminorūgščių -C atomai kartu su peptidinio ryšio CO ir NH atomais) yra

vienoje plokštumoje.

Galimos dvi šių šešių atomų plokščios sistemos (“peptidinio vieneto“) konfigūracijos, vadinamos

cis ir trans konfigūracijomis. Peptidinio ryšio O ir H atomai yra transpadėtyje - tai suteikia ryšiui

stabilumo, nes šoninių grandinių radikalai R ir R’ taip pat yra transpadėtyje. Baltymuose ciskonfigūracija

sutinkama apie 1000 kartų rečiau nei transkonfigūracija. Atomų tarpusavio išsidėstymas peptidiniame

ryšyje (transkonfigūracija) pavaizduotas pav. 1.5.

N atomas turi dalinai teigiamą krūvį, o C atomas - neigiamą. Tai suteikia galimybę sudaryti

pakankamai stiprius vandenilinius ryšius tarp atomų, sudarančių skirtingus peptidinius ryšius.

23

Pav. 1.5.

Taigi, peptidinė grandinė susideda iš sujungtų peptidinių vienetų grandinės, sudarančios tam tikrą

geometrinę formą. Sukimas galimas apie C-C ryšį (ryšys tarp -anglies atomo ir karbonilo grupės

anglies atomo žymimas (psi), ir N-C ryšį (ryšys tarp azoto atomo ir -anglies atomo žymimas (fi)).

Dėl įtempimų yra galimas tik ribotas konfigūracijų skaičius. Stabiliausios yra tos konfigūracijos, kurioms

esant susidaro maksimalus vandenilinių jungčių skaičius, o tai priklauso nuo tikslios funkcinių grupių

kampinės pozicijos. Kai ir būdingos pastovios reikšmės visoje peptidinėje grandinėje, galimas

reguliarus grandinės išsidėstymas. Galimi peptidinio ryšio sukimosi variantai parodyti pav. 1.6.

24

Pav. 1.6.

Žinomos dvi pakankamai stabilios antrinės baltymų strukūros - tai -spiralė ir -struktūra. Taip

pat aptarsime ir nuo šių struktūrų besiskiriančią kolageno tipo spiralę.

spiralė ( = -57 = -47). Peptidinė grandinė yra dešiniojo sukimosi spiralė, kurios forma

išlaiko vandeniliniai ryšiai, susidarantys tarp kas ketvirtos aminorūgšties >C=O ir >N-H grupių

polipeptidinės grandinės viduje. Šios formos kiekviena peptidinė grupė sudaro po du vandenilinius

ryšius: vieną su ketvirtos prieš ją sekoje esančios aminorūgšties peptidiniu ryšiu, o kitą - su ketvirtos po

jos esančios aminorūgšties peptidiniu ryšiu. Taip susidarę ryšiai lygiagretūs spiralės ašiai ir pakankamai

stiprūs. Spiralės viduje nėra vandens. Vienoje spiralės vijoje telpa 3,6 aminorūgštys. Spiralės žingsnis

(viena pilna vija) yra 0,54 nm. Tokioje spiralėje šoninės grupės išsidėsto spiralės išorėje, todėl erdviniai

trukdymai mažiausi. Baltymų -spiralės erdvinė struktūra vaizduojama pav. 1.7.

25

Pav. 1.7.

-spiralė globuliniuose baltymuose gali sudaryti nuo 0 iki 80-90 molekulės struktūros.

Spiralinę struktūrą trikdantys faktoriai: 1) prolino buvimas, kurio ciklinė struktūra išlenkia peptidinę

grandinę, 2) elektrostatinis atostūmis tarp vienodą krūvį turinčių šoninių grupių (teigiamų lizino ir

arginino grupių arba neigiamų glutamo ir asparto grupių), 3) hidrofobinė ir erdvinė sąveika tarp greta

esančių didelių grupių.

klostyta struktūra. Šią struktūrą taip pat stabilizuoja vandeniliniai ryšiai tarp peptidinių grupių,

bet šiuo atveju susidaro tarpmolekuliniai vandeniliniai ryšiai tarp dviejų arba daugiau grandinių

(fibriliniuose baltymuose), arba vidumolekuliniai vandeniliniai ryšiai tarp skirtingų vienos grandinės

sričių (globuliniuose baltymuose). Abiem atvejais peptidinė grandinė ištempta. Vandeniliniai ryšiai gali

susidaryti tarp grandinių, besitęsiančių ta pačia kryptimi, lygiagrečiai, kai = -119, o = +113, arba

tarp priešingos krypties grandinių, išsidėsčiusių antilygiagrečiai, kai = - 139, o = +135. Šoninės

26

grupės išsidėsto statmenai grandinės viršuje arba apačioje. Gamtoje sutinkami abu tipai, tačiau

antilygiagretus išsidėstymas yra stabilesnis, nes >C=O ir >N-H dipoliai sąveikauja optimaliai. Baltymų -

klostyta struktūra vaizduojama pav. 1.8.

Pav. 1.8.

Tokios klostytos struktūros sutinkamos fibriliniame šilko baltyme - fibroine.

Kolageno tipo spiralė. Kitoks spiralės tipas sutinkamas kolagene. Kolagenas yra jungiamojo

audinio fibrilinis baltymas, esantis kremzlėse, sausgyslėse, odoje, kraujagyslėse, kauluose. Žinduolių

organizmuose jis sudaro daugiau nei 25% visų baltymų. Kolageno molekulėje yra labai didelis (apie

30%) glicino kiekis. Polipeptidinėje grandinėje kartojasi seka -Gly-X-Y-, kur X dažniausiai prolinas, o Y

- hidroksiprolinas. Kolageno molekulėje aptinkamos dvi aminorūgštys - 4-hidroksiprolinas (I) ir 5-

hidroksilizinas (II), kurios kituose baltymuose labai retos:

N

OH

COOH H2N-CH2-CH-CH2-CH2-C-COOH

OH NH2

(I) (II)H

27

Šis baltymas sudarytas iš atskirų struktūrinių vienetų, vadinamų tropokolagenu. Tropokolageno

molekulėje trys kairio sukimo spiralės (jos skiriasi nuo klasikinės -spiralės) susisuka tarpusavyje ir

sudaro dešinio sukimo superspiralę. Tokio tipo spiralė pavaizduota pav. 1.9. Kolageno molekulėje

vandeniliniai ryšiai pačioje spiralėje nesusidaro. Superspiralę stabilizuoja vandeniliniai ryšiai tarp atskirų

spiralių, svarbūs ir hidroksiprolino sudaromi vandeniliniai ryšiai. Kolageno skaidulas sutvirtina

kovalentiniai ryšiai tarp lizino ir hidroksilizino molekulių, tiek esančių vienoje tropokolageno molekulėje,

tiek skirtingose tropokolageno molekulėse. Artimą grandinių išsidėstymą sąlygoja kas trečioj sekos

padėtyje pasikartojantis glicinas, kurio šoninė grupė (R = H) pati mažiausia iš visų aminorūgščių šoninių

grupių. Spiralės žingsnyje yra 3 aminorūgštys, todėl kiekvienoje grandinėje glicino grupės išsidėsto

vienoje spiralės pusėje. Kaip tik tomis pusėmis (briaunomis) ir sąveikauja trys superspiralę sudarančios

polipeptidinės grandinės.

Pav. 1.9.

(a) parodytas stambesnio plano superspiralės modelis, (b) matomas detalesnis grupių išsidėstymas, o

struktūros palaikyme svarbūs vandeniliniai ryšiai atvaizduoti šviesesnėmis jungtimis.

28

Kolageno molekulės sudėtyje yra 0.4-12% angliavandenių. Gliukozė, galaktozė ir jų disacharidai

kovalentiškai prijungti prie 5-hidroksilizino.

Sintetinant kolageną, į polipeptidinę grandinę įjungiamos aminorūgštys prolinas ir lizinas. Prolino

hidroksilinimą baltymo molekulėje katalizuoja fermentas prolilhidroksilazė. Šio fermento aktyviame

centre yra Fe2+ jonas. Fermento aktyvumui reikalinga askorbo rūgštis (vitaminas C), kuri palaiko šį joną

redukuotame būvyje. Trūkstant vitamino C, kolageno struktūra praranda stabilumą.

Superantrinė struktūra. Kai kurie plačiai sutinkami antrinės struktūros elementai vadinami

superantrine struktūra, arba motyvais.

1. Plačiai sutinkamas yra motyvas, kur dvi lygiagretės klostytos struktūros yra sujungtos

-spirale;

2. plaukų smeigtuko formos motyvas - antilygiagretės klostytos struktūros sujungtos trumpu

oligopeptidu;

3. H-L-H (helix-loop-helix) motyvas, kai dvi antilygiagretėsspiralės sujungtos trumpu

oligopeptidu, vadinamu lanku (ar linkiu).

4. Ištemptos lygiagretės ir antilygiagretės klostytos struktūros susisuka ir sudaro cilindro ar

statinės formos struktūras (strėle pažymėta struktūra, lenkta linija - lankas):

5. Graikiško rakto motyvas (pavadinimai dažnai kilę iš analogijos su geometriniais raštais,

sutinkamais graikų ir Amerikos tautų audiniuose ir keramikoje).

Tretinė struktūra. Tretine baltymo struktūra vadinamas polipeptidinės grandinės antrinės

struktūros elementų išsidėstymas erdvėje. Polipeptidinė grandinė erdvėje sudaro kompaktišką struktūrą,

29

kurios vidinė energija minimali, kuomet aminorūgščių šoniniai radikalai sudaro didžiausią kiekį galimų

ryšių. Pavyzdžiu gali būti hemoglobino A1 subvieneto tretinė struktūra, parodyta pav. 1.10.

Pav. 1.10.

Taigi, tretinę struktūrą stabilizuoja ryšiai, susidarantys tarp šoninių aminorūgščių grupių. Tai gali

būti kovalentiniai, elektrostatiniai, vandeniliniai ryšiai, hidrofobinė sąveika. Labai svarbūs tretinei

struktūrai yra disulfidiniai ryšiai (-S-S-), susidarantys tarp cisteino, esančio skirtingose polipeptidinės

grandinės vietose, šoninių merkaptogrupių. Taip pat galimi izopeptidiniai, arba pseudopeptidiniai, ryšiai

tarp šoninių lizino ir arginino aminogrupių bei šoninių glutamo ir asparto rūgšties karboksigrupių. Retai

sutinkamas esterinis ryšys tarp glutamo bei asparto rūgšties karboksigrupių ir serino bei treonino

hidroksigrupių.

Polinių ryšių grupei priklauso vandeniliniai ir joniniai ryšiai. Vandeniliniai ryšiai paprastai

susidaro tarp aminorūgščių šoninių -NH2, -OH grupių ir kitų aminorūgščių karboksigrupių.

Elektrostatiniai ryšiai susidaro tarp įkrautų šoninių grupių: -NH3+ (lizinas, argininas, histidinas) ir -COO-

(asparto ir glutamo rūgštys).

Hidrofobiniai ryšiai susidaro tarp hidrofobinių aminorūgščių: alanino, valino, izoleucino,

metionino, fenilalanino šoninių grupių. Kuo daugiau nepolinių aminorūgščių baltyme, tuo didesnę

reikšmę polipeptidinės grandinės erdviniam išsidėstymui turi hidrofobinės sąveikos jėgos. Tretinės

struktūros sudaryme taip pat svarbios labai silpnos van der Waals traukos jėgos tarp arti esančių atomų,

kurie ima veikti vienas kito elektroninius sluoksnius. Polipeptidinei grandinei formuojantis erdvėje, gali

būti daug tokių sąveikų. Dar viena svarbi sąveika, kuomet du greta esantys aromatiniai žiedai traukia

vienas kitą, vadinama - elektronų sąveika.

Tretinės baltymų struktūros susidarymo ypatybė yra ta, kad tretinę polipeptidinės grandinės

struktūros konformaciją lemia aminorūgčių šoninių grupių sąveika su mikroaplinka. Baltymo

polipeptidinei grandinei išsidėstant erdvėje, ji užima energetiškai naudingą padėtį, charakterizuojamą

30

laisvos energijos minimumu. Nepolinės šoninės grupės “vengdamos” vandens sąveikauja tarpusavyje ir

pasisuka į baltymo molekulės vidų. Tokios baltymų globulės centre beveik visai nėra vandens. Polinės,

hidrofilinės amino rūgščių grupės išsidėsto šio hidrofobinio branduolio išorėje ir linkusios sąveikauti su

vandeniu. Grandinė gali “lūžti” taškuose, kur yra prolinas arba hidroksiprolinas, nes šių aminorūgščių

sudaromas peptidinis ryšis C-N yra paslankesnis, be to, ji sudaro tik vieną vandenilinį ryšį. Kitas

išlinkimo vietas sąlygoja glicinas, kurio šoninė grupė yra maža (vandenilis). Todėl kitų aminorūgščių R-

grupės užima laisvą erdvę glicino buvimo vietoje. Alaninas, leucinas, glutamo rūgštis, histidinas

stabilizuoja -spiralę, o metioninas, valinas, izoleucinas, asparto rūgštis linkę sudaryti klostytą

struktūrą. Baltymų molekulėse gali būti ir -spiralės, ir -struktūros elementų. Pav. 1.11 triozių

fosfatizomerazės tretinėje struktūroje esančios -spiralės pavaizduotos susukta juosta, o -struktūros

elementai - strėlėmis.

Pav. 1.11.

Baltymų tretinėje struktūroje dažnai galima išskirti tam tikrus specifinius elementus. Domenais

vadinami diskretiški, nepriklausomai susisukantys baltymų tretinės struktūros funkciniai ir struktūriniai

vienetai. Jie gali turėti nuo 30 iki 300 aminorūgščių. Dažniausiai domenai tarpusavyje susijungia

polipeptidine grandinėle. Dalinės proteolizės būdu ją hidrolizavus, galima lengvai atskirti atskirus

domenus. Judrūs sujungimai tarp domenų leidžia jiems judėti erdvėje, tai yra labai svarbu substratui

jungiantis su fermentu, fermento aktyvumo reguliavimui. Glicerolio aldehido-3-fosfatdehidrogenazėje

yra du domenai: vienas suriša kofaktorių NAD, kitas - substratą glicerolio fosfatą. Fermentui

heksokinazei prijungiant gliukozę, du domenai suartėja ir “uždaro” substratą fermento molekulėje.

Tiriant tretines baltymų struktūras pasirodė, kad domenai, turintys analogiškas funkcijas, pasižymi ne tik

didele aminorūgščių homologija, bet jų erdvinės struktūros taip pat labai panašios. Pvz, daugelis NAD-

priklausomų dehidrogenazių turi panašų NAD-surišantį domeną.

31

Unikali erdvinė baltymo struktūra būtina specifinėms jo funkcijoms pasireikšti. Pažeidus

tretinę struktūrą, pasikeičia baltymo savybės, jis netenka biologinio aktyvumo. Net labai maži

konformacijos pasikeitimai gali sukelti baltymo funkcijos pokyčius. Tarkim, jeigu fermento aktyviame

centre pakinta katalitiniam aktyvumui pasireikšti būtinos šoninės grupės konformacija arba jonizacijos

laipsnis, fermentas gali netekti aktyvumo. Vieno vandenilinio ryšio, elektrostatinės ar hidrofobinės

sąveikos suardymas gali sumažinti specifinės baltymo tretinės struktūros stabilumą. Tuo paaiškinamas

ypatingas erdvinės baltymų struktūros (tuo pačiu ir biologinio jų aktyvumo) jautrumas pH, joninės jėgos

bei temperatūros pokyčiams. Visiškas natyvios antrinės, tretinės (ir ketvirtinės) struktūros suirimas

vadinamas baltymo denatūracija. Denatūracijos metu pirminė baltymo struktūra išlieka nepažeista.

Baltymų molekulės tretinės struktūros susidarymas. Baltymo polipeptidinė grandinė

sintetinama ribosomoje ir iš jos išeina ištemptos formos. Kaip ir kada susiformuoja specifinė biologiniu

aktyvumu pasižyminti tretinė baltymo struktūra? Ar polipeptidinės grandinės pradinė dalis, išeidama iš

ribosomos, iš karto “teisingai” susivynioja, ar pradžioje sintetinama visa polipeptidinė grandinė, o tik po

to prasideda tretinės struktūros formavimasis? Gal pradžioje susidaro nedideli antrinės struktūros

elementai, kurie yra tretinės struktūros susidarymo inicijacijos centrai? 1975 m. C. Anfinsenas tyrė

ribonukleazės A denatūracijos ir renatūracijos procesus. Fermentą ribonukleazę paveikus 8 M karbamidu,

kuris suardo vandenilinius ryšius, bei merkaptoetanoliu, redukuojančiu disulfidinius ryšius, suardoma

baltymo tretinė ir antrinė struktūros, todėl fermentas praranda aktyvumą. Pašalinus denatūruojančius

agentus, fermentas vėl tapo aktyvus. Tai reiškia, kad šis baltymas in vitro atgauna natyvią tretinę

struktūrą. Baltymo molekulėje yra 8 cisteinai, sudarantys 4 disulfidinius tiltelius. Aktyviame fermente

disulfidiniai ryšiai turi susidaryti tiktai tarp atitinkamų aminorūgščių. Renatūruojantis baltymui, pradžioje

susidaro termodinamiškai stabiliausia konformacija, kurią sutvirtina disulfidiniai ryšiai. Ribonukleazės

renatūracijos greitis padidėja, kai terpėje yra fermentas proteindisulfidizomerazė, katalizuojantis

atsitiktinį naujų didsulfidinių ryšių susidarymą ir skilimą. Šis eksperimentas rodo, kad iš pirminės

struktūros savaime gali susidaryti tretinė, ir denatūruotas baltymas visiškai renatūruojasi. Tačiau paprastai

baltymų susisukimas nėra atsitiktinis konformacijos su minimalia laisvąja energija ieškojimas. Ląstelėje

naujai sintetinti baltymai susisuka per 10-1-10-3 s. Jeigu baltymo molekulė tretinės struktūros formavimosi

metu pereitų visas galimas konformacijas, tai polipeptidui, sudarytam iš 100 aminorūgščių, susisukti

reikėtų 1087 metų.

Eksperimentai su ribonukleaze buvo atlikti mėgintuvėlyje, kuriame sąlygos įgauti natyvią

(būdingą baltymui in vivo) konformaciją žymiai palankesnės negu ląstelėje. Ląstelėje yra didelė baltymų

bei kitų medžiagų koncentracija. Sintetina-mas baltymas gali patirti didžiulį skaičių sąveikų su jį

supančiomis molekulėmis. Naujų, dar nesusisukusių baltymų paviršiuje gali būti daug į išorę nukreiptų

hidrofobinių aminorūgščių grupių, kurios gali netaisyklingai susisukti, sudaryti agregatus su kitomis

baltymo molekulėmis arba susijungti su hidrofobiniais membranos segmentais. Todėl ląstelėje

taisyklingam baltymų susisukimui padeda molekuliniai šaperonai. Ši neseniai atrasta baltymų šeima

reikalinga natyvios baltymo konformacijos susidarymui in vivo, taisyklingam baltymų monomerų

susijungimui į oligomerus. Jie dalyvauja ir baltymų pernešime per membranas. Dauguma šių baltymų

32

buvo nustatyti kaip šiluminio streso baltymai (anglų k. - heat shock proteins, trumpinama Hsp), kurių

sintezė indukuojama, ląstelei patekus į aukštesnę temperatūrą ar kitokio streso metu.

Vienas iš tokių baltymų yra Hsp 70. Šis baltymas randamas eukariotuose ir prokariotuose ir

pasižymi dideliu konservatyvumu. Jis apsaugo baltymus nuo denatūracijos ir agregacijos. Žinoma, kad

Hsp 70 baltymai prisijungia prie ką tik iš ribosomų pasirodžiusios polipeptidinės grandinės hidrofobinių

segmentų. Jis stabilizuoja naujai sintetintą polipeptidą, kol susidaro visi baltymo susisukimui reikalingi

hidrofobiniai segmentai. Šaperonų veikimo mechanizmas tiriamas. Šaperonai jungiasi prie dalinai

susukto ar agreguoto baltymo hidrofobinių sričių. Susidaręs kompleksas lengvai disocijuoja, o baltymo

hidrofobinės sritys po to gali teisingai susijungti tarpusavyje. Dauguma šaperonų yra ATPazės, jie

prisijungia pertvarkomus baltymus ir, panaudodami ATP hidrolizės energiją, atpalaiduoja jau natyvios

konformacijos baltymą.

Antra panašių baltymų grupė yra šaperoninai. Geriausiai yra ištirta GroEL (Hsp 60) šeima. Šio

tipo šaperoninai sudaryti iš 14 vienodų ~60 kDa subvienetų. Subvienetai, susijungę į du žiedus, sudaro

cilindrą su 5 nm anga, į kurią gali įeiti baltymai. Cilindro viduje yra domenai, prie kurių jungiasi ATP ir

pertvarkomas baltymas. Cilindrą dengia mažesnis baltymas GroES, kurio žiedas sudarytas iš septynių 10

kDa subvienetų. Į cilindrą patenka nesusuktas, blogai susuktas ar agreguotas baltymas ir, panaudojant

ATP energiją, jis paverčiamas natyviu baltymu (pav. 1.12).

Pav. 1.12.

Baltymai Hsp 70 veikia baltymo formavimosi pradinėse stadijose, o Hsp 60 - vėlesnėse stadijose.

Natyvios baltymo struktūros susidaryme svarbus fermentas proteindisulfid- izomerazė, kuris

palengvina disulfidinių ryšių persitvarkymą. Šis fermentas katalizuoja vienų disulfidinių ryšių redukciją

ir naujų -S-S- tiltelių susidarymą tose vietose, kurios reikalingos baltymo aktyvumui.

Ketvirtinė baltymų struktūra. Baltymai gali būti sudaryti iš vienos polipeptidinės grandinės,

kuriai būdinga unikali tretinė struktūra. Tokiems baltymams priklauso mioglobinas - raumens audinio

baltymas, kai kurie hidrolitiniai fermentai - lizocimas, pepsinas, tripsinas ir t.t. Tačiau kai kurie baltymai

sudaryti iš keletos polipeptidinių grandinių, kurių kiekvienai būdinga savita tretinė struktūra. Tokių

baltymų apibūdinimui įvestas ketvirtinės struktūros terminas. Polipeptidinės grandinės nekovalentiniais

33

ryšiais susijungia į vieną baltymą. Erdvinis polipeptidinių grandinių išsidėstymas jame vadinamas

ketvirtine baltymo struktūra. Tokio tipo baltymai yra vadinami oligomeriniais, o jų polipeptidinės

grandinės - protomerais, arba subvienetais. Dažniausiai sutinkami dimerai, trimerai ir tetramerai, nors yra

žinomi baltymai, sudaryti ir iš žymiai daugiau subvienetų. Ketvirtinę struktūrą stabilizuoja elektrostatiniai

ir vandeniliniai ryšiai tarp molekulės paviršiuje esančių šoninių grupių. Hidrofobinė sąveika yra mažiau

reikšminga, nes dauguma nepolinių grupių išsidėsčiusios subvienetų viduje. Tokio tipo baltymų

pavyzdžiu gali būti hemoglobinas - tai heterotetrameras, sudarytas iš dviejų vienodų -grandinių ir dviejų

vienodų -grandinių.

Ketvirtinė baltymų struktūra yra svarbi įvairiais aspektais:

1. Reguliuoja baltymų biologinį aktyvumą. Subvienetų sąveika gali skatinti baltymo veikimas,

pavyzdžiui, hemoglobino atveju stebimas deguonies prisijun-gimo kooperatyvus efektas. Neatsitiktinai

daugelis reguliacijai svarbių fermentų yra oligomeriniai, jie turi papildomas reguliacines galimybes.

Sudėtingi fermentai sudaryti iš skirtingų - katalitinių ir reguliacinių subvienetų. Domenas, surišantis

fiziologinius efektorius, yra kitame subvienete nei prijungiantis katalizuojamos reakcijos substratus,

tačiau tie subvienetai sugeba asocijuotis.

2. Kai kuriais atvejais subvienetų sąveika būtina biologiniam aktyvumui pa-sireikšti, nes

suartinamos svarbios funkcinės grupės. Fermentas -galaktozidazė laktozę skaido, tiktai kai yra tetramero

formos.

3. Genetinė ekonomija pasireiškia tuo, kad reikalingas vienas genas užkoduoti vieną subvienetą.

4. Padidėja baltymo stabilumas, sumažėja santykinis paviršius, tūris, hidrofobinės grupės,

esančios subvieneto paviršiuje, paslepiamos globulės viduje. Žinomi fermentai, kurių ketvirtinę struktūrą

suardžius, suyra tretinė ir net antrinė struktūros. Oligomerai atsparesni temperatūrai, denatūracijai,

proteolitinių fermentų poveikiui.

Į sudėtingus polifermentinius kompleksus gali įeiti ir skirtingu fermentiniu aktyvumu pasižymintis

subvienetai. Tuomet sudėtingų cheminių procesų atskirų stadijų tarpininkai gali tiesiogiai patekti iš vieno

fermento aktyvaus centro į kito fermento aktyvų centrą. Tokio fermento pavyzdžiu gali būti E. coli

piruvatdehidrogenazės kompleksas. Jo modelis parodytas pav. 1.13.

34

Pav. 1.13.

Šį polifermentinį kompleksą sudaro simetriškai išsidėstę 24 dihidrolipoil-dehidrogenazės

subvienetai, 12 piruvatdehidrogenazės dimerų ir 6 dihidrolipoil-dehidrogenazės dimerai. Tokie

kompleksai matomi elektroniniu mikroskopu.

35

2. NUKLEOTIDAI IR NUKLEORŪGŠTYS

Nukleotidai ir iš jų sudarytos nukleorūgštys yra svarbios biologinės molekulės, į kurių sudėtį įeina

heterociklinės azoto bazės. Nukleorūgštys ląstelėje atlieka informacinių molekulių vaidmenį. Jos saugo ir

perduoda genetinę informaciją, sąlygoja paveldimumo procesus. Jos susidaro, jungiantis nukleotidams

3’,5’-fosfodiesteriniu ryšiu į ilgas polimerines grandines. Visi nukleotidai sudaryti iš trijų komponentų:

heterociklinės bazės,

angliavandenio,

fosforo rūgšties.

Nukleotidams būdinga didelė biologinių funkcijų įvairovė:

1. Nukleotidai yra nukleorūgščių pirmtakai, t.y. struktūriniai monomerai, iš kurių sintetinamos

nukleorūgštys (polinukleotidai).

2. Dalyvauja energijos metabolizme - ATP yra pagrindinė energijos forma ląstelėje, įgalinanti

savaiminių reakcijų metu išsiskiriančią energiją panaudoti nesavaiminėms reakcijoms, lemianti raumenų

susitraukimą, aktyvų transportą, jonų gradientų palaikymą ir kitus energijos reikalaujančius procesus.

3. Dalyvauja signalo perdavime - nukleozidai ir nukleotidai yra svarbiausių metabolinių procesų

fiziologiniai tarpininkai;

4. Nukleotidai įeina į kofermentų, pvz., NAD, NADP, FAD, KoA, sudėtį.

5. Nukleotidai yra kai kurių kofaktorių pirmtakai, pvz., GTP - tetrahidrobio-pterino pirmtakas.

6. Nukleotidai ląstelėje aktyvuoja biosintetinių reakcijų pirmtakus, pvz., glikogeno ir

glikoproteinų sintezei būtina UDP-gliukozė.

7. Nukleotidai yra alosteriniai fermentų efektoriai.

8. Nukleotidai sieja medžiagų apykaitą į visumą, nes jie yra bendri svarbiausių medžiagų

apykaitos kelių tarpininkai. Be to, daugelio reguliacijai svarbių fermentų aktyvumas priklauso nuo

ATP/ADP, NAD(P)H/NAD(P) ir acetilKoA/KoA koncentracijų santykio.

2.1. Nukleotidų struktūra ir svarbiausi dariniai

Heterociklinės bazės

Į nukleotidų sudėtį įeina 5 heterocikliniai baziniai dariniai. Tai pirimidino dariniai: uracilas,

timinas ir citozinas (pirimidino bazės) ir purino dariniai: adeninas ir guaninas (purino bazės).

Pirimidino bazės

N

NO

O

H

H

N

NO

O

H

H

CH3 N

NOH

NH2

Uracilas (Ura)

2,4-Dioksopirimidinas

Timinas (Thy)

5-Metil-2,4-diokso-pirimidinas(5-Metiluracilas)

Citozinas(Cyt)4-Amino-2-oksopirimidinas

123

456

Purino bazės

36

Adeninas (Ade)

6-Am inopurinas

G uaninas (G ua)

2-Am ino-6-okso-purinasN

NN

NH

NH2

N

NN

NH

O

H2N1

2 3456 7

89

Sutartinis anglies atomų žymėjimas pirimidino žiede pavaizduotas uracilo pavyzdžiu, o purino

žiede - adenino pavyzdžiu. Heterociklai turi po vieną (Cyt, Gua) arba po dvi oksogrupes (Ura, Thy), po

vieną aminogrupę (Ade) arba ir okso- ir aminogrupes (Cyt, Gua). Heterociklinėms bazėms būdingos

tautomerinės formos. Pavyzdžiui, uracilo yra trys tautomerinės formos

N

N

OH

HO N

N

OH

OH

Dilaktaminë forma

Monolaktiminë forma

N

NH

HO

O

Dilaktiminë forma

Biologiniuose junginiuose šie heterociklai būna laktaminės - amino formos. Tokia forma išlaiko

žiedo aromatiškumą ir plokščią struktūrą, o tai labai svarbu stabilumo požiūriu.

Be šių pagrindinių 5 bazių, sutinkamos ir kitos heterociklinės bazės, vadinamos minorinėmis

nukleino bazėmis. Tai hipoksantinas, dihidrouracilas ir metilintos heterociklinės bazės:

N

NN

NH

O

HN

NO

O

H

H

N

NOH

NH2CH3

N

NN

NH

NHCH3

N

NN

NH

O

H2N

H3C

Hipoksantinas Dihidroura- 5-Metilcitozinas 6-N-Metilade- 1-N-metilgua- cilas (UH2)

(m5Cyt) ninas(m6Ade) ninas (m1Gua)

Angliavandeniai.

Nukleotidų sudėtyje aptinkami du angliavandeniai - D-ribozė, arba 2-deoksi-D-ribozė (detaliau

apie angliavandenius žr. sk. “Angliavandeniai”). Pagal tai, koks angliavandenis įeina į polinukleotido

sudėtį, nukleorūgštys skirstomos į ribonukleino rūgštis (RNR) ir deoksiribonukleino rūgštis (DNR).

37

OHOCH2 OH

OHHO

OHOCH2 OH

HO

-D-Ribozë 2-Deoksi-D-ribozë

H

Nukleozidai. Heterociklinėms bazėms sudarius N-glikozidinę jungtį su D-riboze, arba 2-deoksi-

D-riboze, gautas junginys vadinamas nukleozidu. Tokiuose junginiuose monosacharidas būna furanozės

formos, ir susidaro glikozidinis -konfigūracijos ryšys. Ryšio sudaryme dalyvauja heterociklinės bazės

pirimidino N-1 atomas arba purino N-9 atomas.

HOCH2

OHHO

N

N N

N

NH2

O HOCH2

HO

N

N N

N

NH2

OHOCH2

OHHO

N

N O

O

H

OHOCH2

HO

N

N O

O

H

O1'

2'3'4'

5'

1

2345

678 9

Adenozinas Deoksiadenozinas Uridinas Deoksiuridinas (A) (dA) (U) (dU)

Kaip parodyta adenozino pavyzdžiu, angliavandenio anglies atomai nuo heterociklinių bazių

anglies atomų nukleozidų ir jų darinių molekulėse atskiriami, pažymint papildomu štrichu prie numerių,

pvz., C3’ arba 3’. Pagal tai, koks monosacharidas įeina į nukleozido sudėtį, nukleozidus skirsto į

ribonukleozidus ir deoksiribonukleozidus. Praktikoje naudojami trivialūs nukleozidų pavadinimai,

sudaromi iš atitinkamos bazės pavadinimo, pridedant galūnę -idinas pirimidino nukleozidams ir -ozinas

purino nukleozidams:

Citozinas + ribozė Citidinas

Citozinas + deoksiribozė Deoksicitidinas

Adeninas + ribozė Adenozinas

Adeninas + deoksiribozė Deoksiadenozinas

Guaninas + ribozė Guanozinas

Guaninas + deoksiribozė Deoksiguanozinas

Uracilas + ribozė Uridinas

Uracilas + deoksiribozė Deoksiuridinas

Timinas + ribozė Ribotimidinas

Timinas + deoksiribozė Timidinas

38

Išimtį sudaro timidinas, o ne deoksitimidinas, nes pastarasis sutinkamas tik DNR. Tais retais

atvejais, kai timinas vis tik sutinkamas RNR, jis vadinamas ribotimidinu.

HOCH2

OHHO

O

O

H

HOCH2

OHHO

OHOCH2

HO

N

N O

O

H

O

N

N N

N

O

NH2

H3C

N

N

O

H3C

Ribotimidinas Timidinas (dT) Guanozinas (G)

Kaip ir visi glikozidai, nukleozidai yra atsparūs šarminei hidrolizei ir gana nesunkiai

hidrolizuojasi rūgščioje terpėje. Pirimidino nukleozidai stabilesni už purino nukleozidus.

Nukleozidai žymimi viena didžiąja raide (A, G, T, U, C). Deoksiribonukleo-zidai žymimi taip pat,

tik prieš raidę pridedama mažoji "d".

Kai kuriose RNR sutinkami neįprasti nukleozidai - inozinas, kuris gali būti gaunamas deamininant

adenoziną, taip pat pseudouridinas, kuris yra ne N, o C glikozidas. Pastarasis dar atsparesnis hidrolizei.

N

N N

N

O

O

H

HOCH2

OHHO

HOCH2

OHHO

N N

O

O

H

O

H

Inozinas Pseudouridinas

Gydant kai kuriuos vėžinius susirgimus naudojami preparatai, kurių erdvinė struktūra labai panaši

į nukleozidų. Pvz., 5-fluoruracilas inhibuoja uracilo ir timino sintezę, o 6-merkaptopurinas - adenino

sintezę. Jie vadinami šių natūralių nukleino bazių antimetabolitais.

N

NO

O

H

H

5-Fluoruracilas

F

6-Merkaptopurinas

N

NN

NH

SH

Pastaruoju metu ląstelėse rasta į nukleozidus panašių darinių, kurie turi kai kurių struktūros

skirtumų. Visi jie gali blokuoti natūralių nukleozidų įsijungimą į nukleorūgštis ir taip stabdyti ląstelės

39

dauginimosi funkcijas. Dėl to jie pasižymi antibiotinėmis savybėmis ir įgauna vis didesnę svarbą gydant

vėžinius susirgimus. Tokių antibiotikų žinoma jau kelios dešimtys. Pvz., kordicepinas, išskiriamas iš

grybų Cordyceps militaries, nuo adenozino skiriasi tik viena hidroksigrupe prie C-3 atomo

monosacharide. Puromicinas, labai stiprus antibiotikas, blokuojantis baltymų sintezę ribosomose,

išskiriamas iš Streptomyces alboniger. AIDS viruso dauginimąsi stabdo azidotiminas.

HOCH2

OH

N

N N

N

NH2

O

HOCH2

OH

N

N N

N

O

NCH3H3C

HN-CO-CHNH2

OCH3

PuromicinasKordicepinas

Į kai kurių gamtinių antibiotikų sudėtį vietoje ribozės įeina D-arabinozė. Pvz., stipriu antivirusiniu

ir antigrybeliniu veikimu pasižymi arabinozilcitozinas ir arabinoziladeninas.

HOCH2

N

N O

O

H

O

H3C

N3

HOCH2

HO

N

N N

N

NH2

O

N

N O

NH2

HO

HOCH2 OHO HO

Azidotiminas 1--D-Arabinofura- 1-D-Arabinofura- nozilcitidinas noziladeninas

Taigi, nukleozidų struktūrinių analogų tarpe yra daug naujų sintetinių vaistų, veikiančių kaip

metabolizmo inhibitoriai.

Nukleotidai. Nukleotidais vadinami nukleozidų fosfatai. Fosforo rūgštis esterifikuoja vieną iš

monosacharido hidroksigrupių - paprastai 5' arba 3' ribozės arba deoksiribozės hidroksigrupes.

40

CH2

OHHO

O

N

N N

N

NH2

OP

O

HO

OHHOCH2

O

N

N O

O

H

O

H3C

P

O

HOOHAdenozin-5'-fosfatas

Adenozinmonofosfatas(AMP),adenilo rûgðtis(pA) Timidin-3'-fosfatas

H

Nukleotidas yra sudarytas iš trijų komponentų: heterociklinės bazės, sujungtos su monosacharidu

glikozidiniu ryšiu, ir esteriniu ryšiu prie monosacharido prijungtos fosforo rūgšties. Kadangi esterinio

ryšio sudarymui yra sunaudojama tik viena fosforo rūgšties hidroksigrupė, nukleotidai yra dvivalentės

rūgštys. Esant fiziologinėms pH reikšmėms, abi laisvos fosforo rūgšties hidroksigrupės disocijuoja, ir

nukleotidas yra dvivalenčio anijono formoje. Naudojami dvejopi nukleotidų pavadinimai - kartais jie

vadinami fosfatais, kartais rūgštimis.

Svarbiausių nukleotidų pavadinimai

Kaip fosfatas Kaip rūgštis Sutrumpintas pavadinimas

Adenozin-5'-fosfatas

Guanozin-5'-fosfatas

Citidin-5'-fosfatas

Uridin-5'-fosfatas

Deoksiadenin-5'-fosfatas

Deoksiguanozin-5'-fosfatas

Deoksicitidin-5'-fosfatas

Timidin-5'-fosfatas

5'-Adenilo rūgštis

5'-Guanilo rūgštis

5'-Citidilo rūgštis

5'-Uridilo rūgštis

5'-Deoksiadenilo rūgštis

5'-Deoksiguanilo rūgštis

5'-Deoksicitidilo rūgštis

5'-Timidilo rūgštis

pA

pG

pC

pU

pdA

pdG

pdC

pdT

AMP

GMP

CMP

UMP

dAMP

dGMP

dCMP

dTMP

Šiais pavadinimais ir sutrumpinimais nusakoma nukleotidų seka nukleorūgštyse. Jeigu iš anksto

žinoma, apie kokią nukleorūgštį eina kalba (RNR ar DNR), nukleotidų pavadinimai dar labiau

trumpinami, paliekant tik heterociklinės bazės pirmą raidę (A,G,C,T ar U). Kai kalbama apie laisvus

nukleotidus, biocheminėje literatūroje dažnai nurodoma, jog tai monofosfatai, kad nepainiotume jų su di-

ir trifosfatais.

Biologiškai labai svarbūs ne tik nukleozidmonofosfatai, bet ir nukleoziddi-fosfatai bei

nukleozidtrifosfatai. Jie organizme atlieka fostato grupės pernešimo vaidmenį. ADP ir ATP molekulėse

41

esantys fosfoanhidridiniai ryšiai vadinami makroerginiais, nes jų hidrolizės metu atsipalaiduoja didelis

kiekis energijos, kuri ląstelėje panaudojama, vykdant energijos reikalaujančias metabolizmo reakcijas.

Adenozin-5’-monofosfatas Deoksiadenozin-5’-monofosfatas

(AMP) (dAMP)

Adenozin-5’-difosfatas (ADP) Adenozin-5’trifosfatas (ATP)

Ląstelėje ATP ir ADP sudaro kompleksus su dvivalenčių metalų jonais. Kitame puslapyje

pavaizduota ATP-Mg2+ komplekso hidrolizės iki ADP-Mg2+ komplekso reakcija, kurios metu susidaro

neorganinis fosfatas Pi. Šios reakcijos metu išskiriama 32,2 kJ/mol energijos:

42

Veikiant kitiems fermentams ATP hidrolizuojasi iki AMP ir neorganinio pirofosfato PPi,

išsiskiriant 36 kJ/mol energijos.

Cikliniai nukleotidai. Cikliniais nukleotidais vadinami nukleotidai, kuriuose fosforo rūgštis

sudaro esterinį ryšį su 5' ir 3' monosacharido hidroksigrupėmis. Visose ląstelėse sutinkami adenozin-3',5'-

ciklofosfatai ir guanozin-3',5'-ciklofosfatai. Sutrumpintai jie žymimi cAMP ir cGMP. Tai labai svarbūs

bioreguliatoriai. Daugelis hormonų aktyvuoja ląstelės membranoje esantį fermentą adenilatciklazę, kuri

katalizuoja cAMP sintezę. Pastarasis toliau perduoda hormono poveikį citoplazminiams procesams

(antrinis signalo nešiklis).

Adenozin-3’5’-ciklofosfatas (cAMP)

Adenino nukleotidai - ATP, ADP, AMP, c-AMP ląstelėje labai svarbūs - tai universalūs daugelio

apykaitos kelių tarpiniai produktai ar substratai, energijos transformacijos formos (ATP ir ADP), signalo

perdavimo tarpininkai (c-AMP), fermentų veikimo moduliatoriai. Be to, adenozinas įeina ir į svarbių

43

kofermentų - kofermento A bei dinukleotidų - nikotinamiddinukleotidų ir flavinadenin-dinukleotido

sudėtį.

Kofermentas A (KoA). KoA sudarytas iš ADP, pantoteno rūgšties (šis vitaminas ir būtinas KoA

sintezei) ir merkaptoetilamino liekanos:

KoA aktyvuoja ir perneša įvairias organinių rūgščių liekanas. Aktyvi KoA grupė, prijungianti

acilgrupes, yra merkaptoetilamino -SH grupė. Vandenilio atomą pakeitus acilgrupe, susidaro daug

energijos turintis tioesterinis ryšis.

Dinukleotidai. Į nikotinamiddinukleotidų sudėtį įeina nikotinamido (antipelagrinio vitamino PP)

dariniai:

N

H

C

O

NH2

N

H

C

O

OH

Nikotininė rūgštis (niacinas) Nikotinamidas (niacinamidas)

44

Nikotinamidadenindinukleotidas (NAD) ir nikotinamiddinukleotidfosfatas (NADP) yra

dehidrogenazių kofermentai:

OH OH

P

O

P

OH OH

O

O

O O

O O

-

-

CONH2

OH OH

P

O

P

OH

O

O

O O

O O

-

-

CONH2

O P O

O

-

-

O

N+

OCH2

N

N

N

N

O

NH2

CH2

N+

OCH2

N

N

N

N

O

NH2

CH2

NAD+ NADP+

Flavininiai kofermentai yra riboflavino (vitamino B2) dariniai. Riboflavinas susideda iš 6 C

atomus turinčio alkoholio ribitolio ir flavino, turinčio tris kondensuotus aromatinius žiedus (sudarančius

izoaloksazininę policiklinę sistemą), iš kurių du - heterocikliniai:

O

O

H

HO-CH2-CH-CH-CH-CH2

ribitolio liekana

N

N

NC

NC

H3C

H3C

OHOHOH

Flavino žiedas gali lengvai oksiduotis ir redukuotis. Oksiduotoje formoje flavinas geltonas (flavus

- lot. geltonas), redukuotoje - bespalvis. Riboflavinas įeina į flavinadenindinukleotido (FAD) sudėtį:

45

O

O

O

H

O

O

-

-

P

CH2

O O

N

N

NC

NC

H3C

H3C

O-P-O-CH2-CH-CH-CH-CH2

OHOHOH

O

OH OH

N

NN

NNH2

FAD

FAD ir NAD (NADP) vadinami dinukleotidais, nes jo molekules sudaro du nukleotidai - vienas iš

flavino, ribitolio ir fosforo rūgšties liekanos (FAD atveju) arba nikotinamido ir ribozės (NAD atveju), o

kitas - iš adenino, ribozės ir fosforo rūgšties liekanos.

Kiti nukleotidai taip pat atlieka kofermentų vaidmenį - UTP ir jo dariniai svarbūs angliavandenių

grupių pernešimo ir cheminių virtimų reakcijose, ypač - glikozilinių grupių. Daugelio angliavandenių

biosintezėje glikozilinę liekaną perneša uridindifosfogliukozė (UDP-Glc). Guanozindifosfogliukozė

GDP-Glc gali būti kai kurių reakcijų kofermentu. Guanozindifosfomanozė įeina į kai kurių mielių ir

augalų ląstelių fermentų, pernešančių manozės liekanas manano tipo polisacharidų sintezės metu, sudėtį.

CTP svarbus fosfolipidų, pvz., lecitino, kefalino, sintezėje.

46

2.2. Nukleorūgščių struktūra ir funkcijos

Nukleorūgštys yra ląstelės komponentas, saugantis ir perduodantis paveldimą informaciją.

Šveicaras F. Mišeris 1869 m. iš ląstelių branduolių išskyrė rūgštines savybes turinčią medžiagą, kurią

pavadino nukleinu (nucleus - graikų k. branduo-lys). Jis nustatė, kad tai nebaltyminės prigimties fosforo

turinti medžiaga. Vėliau ši rūgštis buvo pavadinta nukleorūgštimi (nukleino rūgštimi). Erdvinę

dvigrandės DNR molekulės struktūrą 1953 m. nustatė J. Watson ir F. Crick.

Nukleorūgštys yra stambiamolekuliniai junginiai, sudaryti iš monomerinių vienetų, vadinamų

nukleotidais, sujungtų 3’,5’-fosfodiesteriniais ryšiais. Todėl nukleorūgštys dar vadinamos

polinukleotidais. Deoksiribonukleorūgštis (DNR) yra ląstelių branduoliuose, taip pat mitochondrijose ir

chloroplastuose. DNR funkcija yra genetinės informacijos kodavimas. Centrinė molekulinės biologijos

dogma pateikiama schemoje, parodančioje biologinės informacijos perdavimo kryptį:

DNR sintezės (replikacijos) metu genetinė medžiaga padvigubinama. Ląstelei dalinantis, ji

perduodama lygiomis dalimis dviems dukterinėms ląstelėms. Kiekvienos ląstelės branduolyje nuo DNR

matricos vyksta RNR sintezė. Šis sudėtingas procesas vadinamas transkripcija. RNR pavidalu užkoduota

genetinė informacija iš branduolio patenka į citoplazmą ir toliau perkeliama baltymų sintezės

(transliacijos) procese į pirminę tai ląstelei būdingų baltymų seką. Baltymai, pasižymintys ypatingai

plačiu biologinių funkcijų spektru, iš esmės sąlygoja visus ląstelės medžiagų apykaitos ir struktūros

47

bruožus. Šia prasme per baltymų sintezę DNR lemia visus ląstelės funkcijų aspektus, kontroliuoja visas

ląstelę sudarančias molekules.

Klasikinėje schemoje ribonukleorūgštys (RNR) svarbios kaip tarpinis elementas sudėtingame, bet

labai tiksliame genetinės informacijos perdavime nuo DNR makromolekulių iki baltymų

makromolekulių. Aptinkamos ribosomose ir citozolyje RNR tiesiogiai dalyvauja baltymų sintezėje.

Žinomos trys pagrindinės jų rūšys: transportinė (tRNR), informacinė (iRNR) ir ribosominė (rRNR). Šios

trys ribonukleorūgštys skiriasi savo funkcija, buvimo vieta ląstelėje ir dydžiu. Branduolyje aptinkamos

mažos branduolio RNR, snRNR (sn - angl. k. small nuclear), kurios ribonukleoproteinų pavidalu

(prisijungusios baltyminius subvienetus) dalyvauja RNR brendime. Mažos citoplazminės RNR (scRNR)

dalyvauja baltymų pernašoje. Katalitinėm savybėm pasižyminčios RNR vadinamos ribozimais. Kai

kuriuose virusuose (RNR virusai) baltymus koduoja RNR, o ne DNR.

Nukleorūgščių struktūra. Nukleotidų monomerai į polinukleorūgštį sujungti fosforo rūgšties

esteriniu ryšiu. Polimero karkasą sudaro ribozės (RNR) arba 2-deoksiribozės (DNR) furanozinės formos,

viena su kita sujungtos fosforo rūgšties tilteliu (pav. 2.1). per hidroksigrupes, esančias prie

monosacharido 5’ ir 3’ C atomų. Heterociklinės bazės gali būti vertinamos kaip polimero šoniniai

pakaitai.

Pav. 2.1.

Vienos polinukleotido grandinės sudaryme dalyvauja 4 skirtingos heterociklinės bazės. Uracilas

būna tik RNR, o timinas - tik DNR. Taigi, tiek DNR, tiek RNR turi pasikartojantį angliavandenio-fosfato

karkasą su šoninėmis heterociklinėmis bazėmis, prikabintomis prie kiekvieno angliavandenio žiedo:

bazė bazė bazė bazė (d)ribozė-fosfatas-(d)ribozė-fosfatas-(d)ribozė-fosfatas-(d)ribozė-fosfatas- Aukščiau pateiktas DNR fragmentas. RNR molekulės struktūra tokia pati, tik D-deoksiribozę joje

pakeičia D-ribozė, o vietoje timino būna uracilas.

Daugelis polinukleotidų yra linijinės molekulės. Polimero galas, turintis laisvą 5'-hidroksigrupę,

vadinamas 5' galu, o galas, turintis laisvą 3'-hidroksigrupę, vadinamas polimero 3' galu. Galimos ir

ciklinės polinukleotidų struktūros, neturinčios laisvų galų. Jos susidaro, polinukleotido 3’ galo

hidroksigrupei dalyvaujant esterifikacijos reakcijoje su tos pačios grandinės 5’ galo fosfato grupe.

Pavaizduotos struktūros polinukleotidinio fragmento pavadinimas turėtų būti: deoksiadenil-,

deoksicitidil-, deoksiguanil-, deoksitimidilas. Tokius pavadini-mus nepatogu naudoti, todėl priimti įvairūs

sutrumpinimai - minėtas fragmentas gali būti žymimas dAdCdGdT arba pApCpGpT, arba 5’ACGT3’, o

polinukleotidas, sudarytas tik iš vienos rūšies nukleotido, pvz., dA, vadinamas poli(A). Trumpesni

polinukleotidai (iki 20 nukleotidų) vadinami oligonukleotidais.

Tas pats oligonukleotidas dar gali būti vaizduojamas kitaip (pav. 2.2), pabrėžiant 3’,5-

fosfodiesterinio ryšio svarbą jo struktūroje.

Pav. 2.2.

Taip pavaizduojama pirminė nukleorūgščių struktūra - nukleotidų seka polimerinėje

grandinėje. Tai svarbiausias informacinis nukleorūgščių elementas, lemiantis biologines nukleorūgščių

savybes. Kiekvienai organizmų rūšiai būdinga savita DNR molekulių sudėtis ir seka. Skirtingose to paties

organizmo ląstelėse DNR bazių seka ta pati. Genetiškai artimų organizmų DNR sudėtis panaši.

Nukleotidų seka DNR molekulėse nustatoma hidrolizuojant polimerą ir analizuojant jo hidrolizės

produktus.

Nukleorūgščių hidrolizė. Hidrolizės reakcijų metu dažniausiai suardomi fosfodiesteriniai ryšiai,

sudarantys polinukleotido karkasą. Šios reakcijos svarbios, nes jų pagalba galima manipuliuoti

nukleorūgščių molekulėmis, keisti jų dydį, nustatyti nukleotidų seką. Pagal atsparumą hidrolizei RNR ir

DNR skiriasi. Šarminėje aplinkoje DNR yra atsparesnė už RNR. Šarminėje aplinkoje RNR lengvai

hidrolizuojasi iki nukleotidų, o pastarieji, atskylant fosforo rūgščiai, nesunkiai virsta nukleozidais.

Nukleozidų hidrolizė iki nukleino bazių ir D-ribozės atliekama rūgštinėje terpėje. RNR molekulės gana

atsparios praskiestose rūgštyse. Tuo tarpu DNR paveikus 1 mM HCl, pašalinamos tik purino bazės, nes

suyra glikozidinis ryšys tarp 2’-deoksiribozės ir purino bazių, o polinukleotido stuburą sudarančios

fosfodiesterinės jungtys išlieka. Gautas polinukleotidas vadinamas apurino rūgštim.

Nukleorūgščių hidrolizę katalizuojantys fermentai vadinami nukleazėmis. Kiekvienoje ląstelėje

yra daug svarbiomis funkcijomis pasižyminčių nukleazių, priklausančių fosfodiesterazių klasei, nes jos

katalizuoja fosforo rūgšties esterių hidrolizę. Nukleazės skiriasi substratiniu specifiškumu. Kai kurios iš

jų veikia tik DNR (DNazės), kitos - tik RNR (RNazės), tuo tarpu nepasižyminčios tokiu specifiškumu

vadinamos tiesiog nukleazėmis (pvz., nukleazė S1). Kai kurios jų hidrolizės būdu pašalina galinius

polinukleotidinės grandinės nukleotidus ir vadinamos egzonukleazėmis. Egzonukleazių pagalba galima

suardyti visą nukleorūgšties grandinę iki nukleotidų, palaipsniui šalinant juos nuo grandinės galo. Dvi

plačiausiai naudojamos egzonukleazės vadinamos fosfodiesterazėmis, nes jos nepasižymi specifiškumu

DNR ar RNR atžvilgiu. Tai gyvatės nuodų fosfodiesterazė, kuri hidrolizuoja polinukleotidų 3’-galą,

atpalaiduodama 5’-nukleozidmonofosfatus (NMP), ir jaučio blužnies fosfodiesterazė, hidrolizuojanti 5’-

galą, susidarant 3’-NMP. Endonukleazės katalizuoja fosfodiesterinių ryšių hidrolizę grandinės viduje. Kai

kurios endonukleazės specifiškai hidrolizuoja fosfodiesterinį ryšį, sudaromą tam tikro nukleotido, o kitos

atpažįsta tik būdingas nukleotidų sekas. Restrikcijos endonukleazės hidrolizuoja dvigrandę DNR į gana

didelius fragmentus šalia arba ties tam tikru struktūros simetriškumu pasižyminčiomis 4-8 bp ilgio

sekomis. Pavyzdžiui, restrikcijos endonukleazė EcoRI atpažįsta ir kerpa seką:

Už restrikcijos fermentų atradimą ir pasiūlymą juos naudoti kaip “molekulines žirkles” H. Smith ir

D. Nathans 1978 m. suteikta Nobelio premija. Turint rinkinį įvairaus specifiškumo restrikcijos

endonukleazių, nukleorūgštis galima sukarpyti į žinomos struktūros smulkius fragmentus. Juos

frakcionuojant ir analizuojant, nustatoma nukleotidų seka DNR molekulėje. Šiuo metu žinoma virš 1000

skirtingo specifiškumo restrikcijos endonukleazių. Lietuvoje akcinėje bendrovėje “Fermentas” ieškoma

naujų restrikcijos endonukleazių, tiriamos jų savybės, gaminami preparatai molekulinės biologijos

tyrimams. Pagal produkcijos asortimentą ši firma yra antroji pasaulyje.

2.3. DNR erdvinė struktūra

Daugelį biologinių ir fizinių DNR savybių lemia jos antrinė struktūra, būdingas polinukleotido

grandinių išsidėstymas erdvėje. Labiausiai paplitusi dvigubos spiralės DNR struktūra. Tokią DNR

molekulę sudaro dvi DNR grandinės, vandeniliniais ryšiais sutvirtintos tarpusavyje ir susuktos į spiralę

(pav. 2.3-2.5). Šioje spiralėje heterociklinės bazės išsidėsčiusios spiralės viduje, fosfato-deoksiribozės

karkasas yra jos išorėje. Grandinių išsidėstymas viena kitos atžvilgiu antilygiagretus, t.y. jos spiralėje

orientuotos priešingais galais (pav. 2.3). Vandeniliniai ryšiai, palaikantys dvigubos grandinės struktūrą,

susidaro tarp skirtingų polimerinių grandinių heterociklinių bazių. Vandenilinio ryšio sudaryme

dalyvauja vienos grandinės purino bazė ir kitos grandinės pirimidino bazė (pav. 2.3). Vandeniliniai ryšiai

susidaro tarp vienos molekulės amino grupės vandenilio atomų ir kitos molekulės karbonilo deguonies,

taip pat tarp amino grupės vandenilio ir pirimidino žiedo azoto atomo. Taip tarp timino ir adenino

susiformuoja du vandeniliniai ryšiai, o tarp guanino ir citozino - trys vandeniliniai ryšiai. Tai reiškia, kad

DNR molekulėje priešais timiną visada yra adeninas, o priešais guaniną - citozinas. Šios bazės vadinamos

komplementariomis bazėmis.

Pav. 2.3.

Abiejų komplementarių porų užimamas plotas yra labai panašus. DNR dvigubą spiralę stabilizuoja

ir sąveika tarp gretimų (toje pačioje grandinėje) bazių plokštumų, sąlygota elektronų orbitalių

persiklojimo. Be to, DNR struktūrą gali stabilizuoti Mg2+ jonai, neutralizuojantys fosforo rūgšties grupių

neigiamą krūvį.

Komplementarumas sąlygoja kiekybinį heterociklinių bazių santykį DNR molekulėse, kurį nusako

Čargafo (Chargaff) taisyklė: kiekvienoje komplemen-tarioje grandinėje purino bazių skaičius lygus

pirimidino bazių skaičiui; adenino bazių skaičius lygus timino bazių skaičiui, o guanino bazių skaičius -

citozino bazių skaičiui. RNR ši taisyklė paprastai nėra išlaikoma, nes jai būdingesnė viengrandė

struktūra, daug nespiralinių sričių, minorinių nukleotidų.

Žinomos A, B ir Z dvigrandės DNR formos, besiskiriančios molekulių konformacija. Jų

susidarymą lemia nukleotidų sudėtis ir aplinkos sąlygos. Pav. 2.3 pavaizduota, kaip skiriasi DNR

molekulės B ir A formose. B formoje heterociklinės bazės išsidėsto beveik statmenai tariamai grandinės

ašiai. Vienoje grandinėje esančių bazių žiedo plokštumos yra lygiagrečios viena kitai. Gretimų

heterociklinių bazių centrai vienas nuo kito nutolę per 3.4 Å, o spiralės žingsnis yra 34 Å. Kiekvienoje

spiralės vijoje telpa po 10 komplementarių porų.

Pav. 2.4.

Dvigrandės DNR A forma susidaro sumažinto drėgnumo (72%) sąlygomis ir yra nestabili -

vandenyje virsta B formos DNR. A formoje nukleotidų poros plokštuma pakrypusi nuo statmens

grandinės ašiai 13-19o kampu, atstumas tarp bazių centrų 2.56 Å, spiralės žingsnis 28.2 Å, į jį telpa

maždaug 11 nukleotidų porų (pav. 2.4).

Skirtingai nuo A ir B formų DNR, Z formai būdingas kairiojo sukimo spiralės tipas (pav. 2.5.).

Šioje konformacijoje fosfato-deoksiribozės karkasas išsidėsto zigzagu, todėl ji ir vadinasi Z forma. Šios

spiralės žingsnis - 12 nukleotidų.

Pav. 2.5.

B forma virsta Z forma vandenyje esant didelei Mg2+ koncentracijai. B forma yra labiausiai

paplitusi gamtoje dvigrandės DNR molekulių forma. Z forma mažiau paplitusi, jos trumpi intarpai

aptinkami ilgose B formos DNR molekulėse.

Vienas iš tarpų tarp dvigubos DNR spiralės grandinių B formoje yra siauresnis už kitą (pav. 2.5).

Šie tarpai, vadinami didžiuoju (22Å) ir mažuoju (12 Å) grioveliais, svarbūs DNR sąveikai su įvairiais

fermentais ir reguliuojančiais DNR veiklą baltymais.

Dvigrandė spiralės pavidalo antrinė DNR struktūra sąlygoja ilgų siūlo pavidalo molekulių

egzistavimą. Todėl DNR tirpalams būdingas didelis klampumas, jose esančių molekulių struktūrą galima

pažeisti net stipriau maišant. DNR tirpalai lengvai kristalizuojasi sudarydami skaidulas, kurias galima tirti

rentgenostruktūrinės analizės būdu.

DNR grandinių komlementarumas yra pagrindinis faktorius, perduodant paveldimą informaciją.

Tačiau kartais DNR grandinėje atsiranda pakitimų, vadinamų mutacijomis. Dažniausiai pasitaikanti

mutacija yra vienos nukleotidų poros pakeitimas kita. Įprasta pora timinas-adeninas gali būti nesunkiai

pakeista pora timinas-guaninas. Šis pasikeitimas įvyksta perrašant informaciją iš DNR į RNR, nuo kurios

vėliau nuskaitoma klaidinga informacija ir sintetinamas klaidingas baltymas.

NN

O

O HCH3

Timinas(laktiminë forma) Guaninas

N

N

NN

O

H

NHH

N

NN

N

NH2

R

N

NN

N

O

H

Adenozinas Inozinas

R

....

....

....

Kita mutacijų rūšis - cheminiai pakitimai. Pvz., veikiant radioaktyviam spinduliavimui, adenozino

aminogrupė pakeičiama hidroksigrupe. Taip iš adenino gaunamas hipoksantinas, kuris komplementarią

porą sudaro jau ne su timinu, o su citozinu. Cheminės medžiagos, sukeliančios DNR pažeidimus,

vadinamos mutagenais. Jos dabar plačiai naudojamos kryptingai selekcijai.

DNR denatūracija. Biologinei DNR funkcijai svarbu, kad genetinę informaciją pernešanti

molekulė būtų pakankamai stabili, tačiau tuo pačiu galėtų nesuirdama patirti greitus ir laikinus struktūros

pokyčius įvairių biologinių procesų (replikacijos, transkripcijos, reparacijos, rekombinacijos) metu.

Vykstant šiems procesams, tam tikru laiko momentu didžioji dalis bazių dvigrandėje DNR spiralėje

išlieka susijusios vandeniliniais ryšiais, tačiau kai kurios iš jų gali laikinai atsiskirti ir, išsivyniojant

nedideliam DNR fragmentui, pereiti į viengrandę būseną. Dinaminei DNR molekulės būsenai būdingas

viengrandžio fragmento judrumas išilgai dvigrandės spiralės (pav. 2.6).

Pav. 2.6.

Panašus DNR molekulės grandžių atsiskyrimas gali vykti temperatūros poveikyje. Kuo aukštesnė

temperatūra, tuo ilgesni dvigrandės spiralės fragmentai atsiskiria į pavienes grandines, sudarydami

viengrandžius išsipūtimus, arba “burbulus”. Tokie burbulai lengviausiai susidaro tose vietose, kuriose yra

daugiau A ir T bazių, nes jų sąryšio energija mažesnė. Temperatūrai pasiekus tam tikrą reikšmę, įvyksta

visiškas grandinių atsiskyrimas, vadinamas DNR denatūracija (arba lydimusi), kurią galima sekti pagal

DNR tirpalo klampumo, tankio bei optinių savybių (šviesos sugėrimo ir poliarizuotos šviesos sukimo)

pokyčius. DNR būdingą sugerties maksimumą 260 nm srityje sąlygoja visų DNR sudėtyje esančių

heterociklinių bazių sugebėjimas sugerti šviesos spindulius. Tačiau bendras DNR šviesos sugėrimas yra

apie 40% mažesnis nei ją sudarančių laisvų bazių. Toks reiškinys vadinamas hipochrominiu efektu. Jis

aiškinamas tuo, kad bazių plokštumos dvigrandėje DNR sąveikauja tarpusavyje ir tai sumažina jų

sugebėjimą sugerti šviesą. Grandinėms atsiskyrus, bazių sugebėjimas sugerti šviesą atsistato, todėl DNR

denatūraciją galima sekti pagal tirpalo optinį tankį.

Parinkus tinkamas sąlygas ir po denatūracijos mažinant temperatūrą, išlydytos DNR dvigrandė

struktūra vėl atsistato, susijungiant komplementarioms grandinėms (renatūracija). Taip pat galimas

susijungimas su kitų DNR arba RNR viengrandėmis molekulėmis. Toks susijungimas, vykstantis tik

komplementarių fragmentų vietose, vadinamas hibridizacija.

Tretinė nukleorūgščių struktūra yra mažiau ištirta, daugiau žinoma apie DNR tretinę struktūrą.

Bakteriofago DNR yra dviejose formose - linijininėje ir žiedinėje, kurios gali virsti viena kita (pav.

2.7).

Pav. 2.7.

Bakterijų ir kai kurių bakterijų virusų DNR sudaryta iš dvigrandžių ciklinių molekulių, kurios

erdvėje papildomai susisuka, įgaudamos superspiralės struktūrą (priklausomai nuo susidarymo sąlygų

superspiralė gali įgauti įvairias formas). Kelios iš superspiralės formų parodytos pav. 2.8.

Pav. 2.8.

Bakterijų DNR paprastai nėra susijungusi su baltymais. Prokariotinės ląstelės turi vieną

chromosomą, t.y. vieną dvigrandę žiedinę DNR molekulę. Pavyzdžiui, E. coli chromosomą sudaro viena

DNR molekulė, kurios masė viršija 2x109 Da, jos ilgis yra 4.72 x 106 bazių porų. Eukariotų ląstelėse

DNR kiekis žymiai didesnis. Diploidinėse žinduolių ląstelėse DNR kiekis paprastai 1000 kartų, o kai

kurių aukštesniųjų augalų - 50 000 kartų didesnis negu E. coli ląstelėje. Eukariotų ląstelėse beveik visa

DNR yra branduolyje, kur ji susijungusi su baziniais baltymais, vadinamais histonais, sudėtyje turinčiais

daug bazinių aminorūgščių arginino ir lizino. Histonai elektrostatiškai sąveikauja su DNR spiralės

rūgštinėmis fosfatinėmis grupėmis. Dviguba DNR spiralė tarsi apvynioja baltyminę šerdį iš keturių

skirtingų histonų porų, sudarydama nukleosomas (pav. 2.8).

Pav. 2.8.

DNR ir baltymų kompleksas vadinamas chromatinu. Ramybės būsenoje chromatinas amorfiškai

pasiskirsto po visą branduolio tūrį, tačiau prieš ląstelės dalijimąsi jis sudaro kompaktiškas chromosomas.

Kiekvienos organizmų rūšies somatinėse ląstelėse yra tam tikras porinis skaičius chromosomų. Žmogaus

genomą sudaro 46 chromosomos, (23 poros). Toks DNR dalinimas į smulkesnes struktūrines dalis

aiškinamas būtinumu didžiulį eukariotų genomą sutalpinti branduolio erdvėje. Vidutinis DNR ilgis

vienoje iš žmogaus chromosomų yra 1.3 x 108 bazių porų, arba apie 5 cm, o bendras vienos ląstelės 46

chromosomose esančių DNR molekulių ilgis (B formoje) būtų apie 2 m. Toks polimerinių molekulių

kiekis turi tilpti branduolyje, kurio spindulys apie 5 m. Tai gali būti pasiekiama labai kompaktiško

išsidėstymo būdu. DNR padalinimas į chromosomas dar labiau padidina jos sutankinimo galimybes.

Chromosomose yra ir nehistoninių baltymų, kurie svarbūs reguliuojant genų veiklą.

Eukariotų ląstelės taip pat turi nedidelį DNR kiekį mitochondrijose (augalai - ir chloroplastuose).

Pavyzdžiui, mitochondrijų DNR (mtDNR) sudaro 0.1-0.2% bendro ląstelės DNR kiekio. mtDNR koduoja

kai kuriuos mitochondrijų baltymus.

2.4. RNR struktūra, rūšys ir biologinės funkcijos

RNR fizinės ir cheminės savybės panašios į DNR. RNR, kaip ir DNR, sudaryta iš nukleotidų,

sujungtų linijine tvarka, bet turi du esminius skirtumus: (1) vietoje deoksiribozės yra ribozė; (2) timino

bazė (T), pakeista uracilu (U) - labai gimininga baze, galinčia komplementariai jungtis su adenino (A)

baze. Papildoma 2’-hidroksigrupė angliavandenio struktūroje lemia didesnį molekulės jautrumą

cheminiams poveikiams, todėl RNR stabilumas žymiai mažesnis nei DNR. Kai kurių RNR molekulių

sintezė, panaudojimas ir suirimas ląstelėje užtrunka vos kelias minutes. Bendras įvairių RNR kiekis

ląstelėje maždaug 8 kartus viršija DNR kiekį.

Įvairios RNR molekulės atlieka esminį vaidmenį, nuskaitant DNR specifinių sričių (genų)

informaciją ir užtikrinant tolesnę baltymų sintezę. Baltymų sintezėje dalyvauja trijų rūšių RNR:

1. Informacinė RNR (iRNR) turi nuo DNR nukopijuotą bazių seką, kurią atitinka tam tikra

aminorūgščių seka baltyme, t. y. iRNR perneša genetinę informaciją nuo DNR baltymo sintezei.

2. Transportinė RNR (tRNR) yra tarsi kodo raktas, t. y. atpažįsta ir perneša aminorūgštis,

atitinkančias bazių seką iRNR. Atneštos aminorūgštys prijungiamos prie augančio polipeptidinės

grandinės galo.

3. Ribosominė RNR (rRNR) kartu su baltymais sudaro kompleksą, vadinamą ribosoma, kuriame

vyksta baltymo sintezė.

Didžiąją dalį bendro ląstelės RNR kiekio sudaro rRNR. Pavyzdžiui, E. coli rRNR sudaro 82%,

tRNR - 16%, o iRNR - tik apie 2% bendro RNR kiekio.

RNR ir kitų makromolekulių dydis grubiai charakterizuojamas sedimentacijos koeficientu (S),

atspindinčiu jų nusėdimo greitį centrifuguojant tirpalus.

Lentelėje palyginamas ivairių E. coli RNR rūšių molekulių dydis:

RNR rūšis Sedimentacijos koeficientas (S)

Molekulės masė (Da) Bazių skaičius

iRNR

tRNR

rRNR

6-25

apie 4

5

16

25 000 - 1 000 000

23 000 - 30 000

35 000

550 000

75-3000

73-94

120

1542

23 1 100 000 2904

RNR būdingiausia viengrandė struktūra. Tačiau visose RNR gausu komplementarumu

pasižyminčių sričių, galinčių sudaryti vidumolekulinius vandenilinius ryšius. Todėl RNR antrinei

struktūrai būdingi įvairaus ilgio dvigrandžiai spiraliniai fragmentai (vadinami segtukais) ir kilpos,

sudaromos nekomplementarių sričių. Tokių struktūrų buvimas įrodytas tRNR ir rRNR molekulėse,

numanomas ir iRNR.

iRNR. Šios molekulės gali būti labai įvairaus dydžio, priklausomai nuo to, kiek ir kokio dydžio

baltymų yra jose koduojama. RNR molekulių sintezės procesas vadinamas DNR transkripcija. Viena iš

dviejų DNR grandinių yra naudojama kaip matrica naujai sintezuojamos iRNR grandinei. Po

transkripcijos DNR dvigubos spiralės struktūra atstatoma, o RNR grandinė atpalaiduojama. iRNR

viengrandės molekulės sintezė vyksta 5’-3’ kryptimi, jos grandinė kopijuoja tik dalį DNR grandinės. Taip

sintetinamos visos RNR, tačiau informacija apie baltymų seką yra perduodama tik per iRNR.

Po transkripcijos informacija apie baltymo pirminę struktūrą yra užrašyta iRNR nukleotidų sekoje.

Baltymo sintezės (transliacijos) metu ši informacija nuskaitoma po tris nukleotidus. Kiekvienas toks

nukleotidų tripletas vadinamas kodonu ir specifiškai atitinka vieną aminorūgštį. Tačiau ne visa iRNR

seka yra transliuojama. iRNR molekulėje yra įvairių reguliacinių sričių, tiesiogiai nekoduojančių

baltymų. Pavyzdžiui, eukariotų iRNR 5’ gale yra netransliuojama pradžios seka, kurios pirmasis

nukleotidas yra 7-metilguanozinas, vadinamas kepure (CAP) (pav. 2.9). Transliuojama seka prasideda

iniciacijos kodonu AUG ir baigiasi terminacijos kodonu UAG. Po transliuojamos sekos iRNR molekulės

3’ gale yra dar viena nekoduojanti seka, pasibaigianti įvairaus ilgio poliadeniline (poli(A)) uodega.

Pav. 2.9.

Aktyvaus ląstelės dalijimosi metu nuo vieno aktyvaus geno gali būti susintetinta tūkstančiai naujų

iRNR molekulių. Viena iRNR savo ruožtu gali būti panaudota dideliam skaičiui sintezuojamų

polipeptidinių grandinių. iRNR stabilumas yra pats mažiausias iš visų RNR rūšių. Tai padeda ląstelėje

greitai nutraukti nereikalingų baltymų sintezę. Tačiau šis bruožas labai apsunkina iRNR struktūros

tyrimus, todėl iki šiol iRNR antrinė ir tretinė struktūra nėra aiški.

tRNR. iRNR koduoja aminorūgščių seką baltymo molekulėje, tačiau iRNR kodonas tiesiogiai

neatpažįsta aminorūgšties. Ir aminorūgštį, ir tris ją atitinkančio kodono nukleotidus specifiškai atpažįsta

apie 80 nukleotidų ilgio RNR molekulė, vadinama transportine RNR. Lyginant su kitomis RNR, visoms

tRNR molekulėms būdinga panaši antrinė ir tretinė struktūra, nors jų nukleotidų sekos skiriasi.

Viengrandėje tRNR molekulėje komplementarios bazių poros susidaro tarp nukleotidų toje pačioje

grandinėje. Molekulėje gali būti 4-5 spiraliniai fragmentai. Dėl to tRNR įgyja specifinę erdvinę

konformaciją, dvimatėje erdvėje atrodančią kaip dobilo lapas (pav. 2.10). Antrinę tRNR stuktūrą taip pat

stabilizuoja sąveika tarp gretimų heterociklinių bazių plokštumų. Dvi nesuporuotų nukleotidų vietos yra

ypač svarbios tRNR funkcijai: vienoje jų yra nukleotidų tripletas, vadinamas antikodonu, o kitoje CCA

seka. Antikodone esančios bazės yra komplementarios kodono bazėms iRNR molekulėje. tRNR 3’-gale

esanti CCA seka kovalentiškai prisijungia atitinkamą aminorūgštį, todėl šis galas vadinamas akceptoriniu

stiebu. kilpoje visada būna minorinis nukleotidas pseudouridinas. Manoma, kad ši kilpa svarbi sąveikai

su ribosoma. D kilpoje yra dihidrouridinas. Maža kilpa vadinama variabilia, nes jos ilgis įvairiose tRNR

nevienodas.

Pav. 2.10.

Tarp antrinės struktūros sričių, pav. 2.10 parodytų laužtom linijom, susidaro vandeniliniai ryšiai,

dėl kurių tRNR įgauna dar kompaktiškesnę tretinę L-formos konformaciją (pav. 2. 11).

Pav. 2.11.

Antrinės struktūros kilpos D ir (su visose tRNR pasikartojančiais minoriniais nukleotidais)

svarbios universalios tRNR tretinės struktūros susida-rymui. tRNR biologinę funkciją ir lemia ši tretinė

struktūra. Joje aktyviai veikia dvi nesuporuotos nukleotidų vietos, t. y., antikodonas ir 3’ gale esanti CCA

seka. Teisingą aminorūgščių prijungimą prie akceptorinio stiebo užtikrina fermentas aminoacil-tRNR

sintetazė.

Kiekviena tRNR gali prisijungti tik vieną aminorūgštį, atitinkančią jos antikodoną. Pvz., tRNR,

nešanti gliciną, yra žymima tRNRGly. Kiekviena amino rūgštis turi mažiausiai po vieną tRNR, dauguma

po kelias. Dvidešimt baltymuose sutinkamų aminorūgščių koduoja 61 kodonas ir perneša 31 tRNR.

Aminorūgšties prijungimo prie 3’ tRNR galo reikšmė: 1) į sintetinamo baltymo molekulę jungiama

aminorūgštis, atitinkanti antikodoną, komplementarų kodonui; 2) aminorūgštis yra aktyvuojama, t.y.

aminorūgšties karboksigrupės sudaromo ryšio energija įgalina aminorūgštį jungtis prie augančios

peptidinės grandinės.

rRNR. tRNR ir iRNR efektyviai sąveikai būtinos ribosomos. Tai yra daugiau kaip 50-ties baltymų

ir kelių struktūrinių RNR kompleksai. Šiuose kompleksuose esančios įvairaus dydžio RNR molekulės

vadinamos ribosominėmis RNR (rRNR). Susirišimas su ribosomų baltymais garantuoja rRNR stabilumą.

E.coli ląstelėje yra apie 20000 ribosomų, jos sudaro apie 20% sausos ląstelės masės.

Eukariotų ir prokariotų ribosomos labai panašios. Kiekviena ribosoma sudaryta iš didelio ir mažo

subvienetų, kurių masė kartu siekia kelis milijonus daltonų. Mažasis subvienetas prijungia tRNR ir iRNR,

po to prie jų komplekso prisijungus didžiajam subvienetui, pradedama peptidinės grandinės sintezė (pav.

2.12). Daugiau kaip pusę visos ribosomos masės sudaro rRNR. Ribosoma turi peptidil-tRNR surišimo

vietą, vadinamą P-sritimi, ir aminoacil-tRNR surišimo vietą, vadinamą A-sritimi. Šios sritys yra

išsidėsčiusios taip, kad tRNR būtų labai arti iRNR ir galėtų lengvai perskaityti iRNR užkoduotą genetinę

informaciją.

Pav. 2.12.

Eukariotų mažasis subvienetas yra 40S dalelė, kurioje yra 18S rRNR ir 33 baltymai, o didžiajame

60S subvienete - 28S, 5.8S, 5S rRNR ir 49 baltymai. Visas eukariotų kompleksas yra 80S ribosoma.

Prokariotų ribosoma mažesnė - ją sudaro 30S mažasis subvienetas (16S rRNR ir 21 baltymas) bei 70S

didysis subvienetas (5S ir 23S rRNR bei 34 ribosominiai baltymai).

Lyginant to paties tipo rRNR iš įvairių organizmų, nustatyta, kad jų antrinė struktūra labai panaši,

nepaisant žymių skirtumų nukleotidų sekose. rRNR molekulėse randama daug komplementarių

nukleotidų sekų, tai leidžia manyti, jog jų antrinėje struktūroje yra nemažai dvigrandžių segmentų ir tarp

jų susidarančių kilpų. Nustatyta, kad pati mažiausia iš rRNR molekulių, prokariotų 5S rRNR turi keturis

spiralinius fragmentus (pav. 2.13). Strėlėmis pavaizduotos molekulės sritys, kurios didžiąjame ribosomos

subvienete surištos su baltymais.

Pav. 2.13.

Tretinė rRNR struktūra mažai ištirta. Manoma, kad rRNR svarbi ne tik kaip karkasas, talpinantis

ribosominius baltymus bei fermentus, tačiau gali katalizuoti peptidinės jungties susidarymą. Nustatyta,

kad 23S rRNR pasižymi fermentiniu aktyvumu. Tam tikromis sąlygomis tarpusavyje sumaišius

prokariotų ribosomas sudarančius atskirus baltymus ir rRNR, jie savaime susirenka į aktyvią ribosomą.

Nustatyta, kad E. coli 30S subvieneto karkasas yra 16S rRNR, pre jos tam tikra tvarka jungiasi baltymai,

daugelis iš jų prie 16S rRNR prisijungia tik per kitus baltymus. Eukariotų ribosomų surinkimas nevyksta

be molekulinių šaperonų.

Ląstelėje ant tos pačios iRNR gali būti daug ribosomų, išsidėsčiusių maždaug 80 nukleotidų

tarpais. Tokia struktūra vadinama poliribosoma, arba polisoma.

2.5. RNR brendimas

Elektroniniu mikroskopu matoma, kad prokariotuose transliacija gali vykti dar nepasibaigus

transkripcijai. Prokariotų iRNR transliuojama, nepatyrusi papildomų modifikacijų po sintezės. Eukariotų

ląstelėse RNR sintezuojamos branduolyje, o baltymo sintezė vyksta citoplazmoje. Tai lemia gana žymius

prokariotų ir eukariotų iRNR struktūros ir potranskripcinio gyvavimo skirtumus. Prokariotų vienos iRNR

molekulės nukleotidų sekoje yra informacija apie keleto polipeptidų sintezę. Eukariotuose viena iRNR

koduoja tik vieną polipeptidą. Tačiau branduolyje visos RNR rūšys sintetinamos žymiai sudėtingesnių

pirmtakų, vadinamų pirminiais transkriptais, arba pre-RNR, pavidalu. Tai didelės molekulės (iki 50 000

nukleotidų ilgio), kuriuose tarp baltymą koduojančių sekų (egzonų), yra įsiterpusios sritys, neturinčios

informacijos apie baltymą (intronai). Intronai pertraukia informacijos apie baltymo pirminę seką

vientisumą ir todėl turi būti pašalinti iki transliacijos. Jų dydis ir skaičius gali būti labai įvairus. Mielių

aktino pre-iRNR molekulėje yra tik vienas intronas, viščiuko ovalbumino - 7 intronai, o viščiuko -2

kolageno pre-iRNR turi net 50 intronų. Intronų sekos sudaro iki 90% kai kurių žmogaus baltymų pre-

iRNR molekulių ilgio.

Po transkripcijos pre-RNR molekulės patiria nemažai cheminių kitimų, kol virsta funkciškai

aktyviomis molekulėmis, dalyvaujančiomis baltymo sintezėje. Tai sudėtingas, įvairių fermentų

katalizuojamas procesas, vadinamas brendimu (arba procesingu). Brendimo metu padidėja iRNR

atsparumas nukleazėms, taip pat ji įgauna struktūros elementų, svarbių sąveikai su kitomis transliacijoje

dalyvaujančiomis molekulėmis. Brendimo metu vyksta: 1) intronų šalinimas iš iRNR pirmtako

struktūros; 2) DNR nekoduotų sekų pridėjimas; 3) nukleotidų kovalentinis modifikavimas, dažniausiai

heterociklinių bazių arba ribozės metilinimas. Tik subrendusios iRNR pernešamos iš branduolio į

citoplazmą. Branduolyje iRNR molekulės yra įvairaus subrendimo laipsnio ir dydžio, todėl jos

vadinamos heterogeninėm branduolio RNR, arba hnRNR (hn nuo angl.k. - heterogenous nuclear).

Dar sintezės metu pre-iRNR su specifiniais baltymais sudaro kompleksus, vadinamus

heteronukleoriboproteinais (hnRNP). Šiose dalelėse esantys baltymai pradeda pre-iRNR brendimą.

Pirmuose brendimo etapuose pridedama 5’-kepurė ir prisiuvama 3’poli(A) uodega (pav. 2.14).

Pav. 2.14.

5’-kepurę ir poli(A) uodegą turi ir subrendusios iRNR (pav. 2.9). Kepurė apsaugo nuo nukleazių,

ji svarbi iRNR pernešime į citoplazmą ir transliacijos iniciacijoje - ją atpažįsta mažasis ribosomos

subvienetas. Manoma, kad poli(A) uodega didina iRNR stabilumą.

Introninių sekų iškirpimas ir likusių egzonų sujungimas vadinamas RNR splaisingu (splice -

angl.k. jungti). Splaisingas turi būti labai tikslus, nes kirpimo-siuvimo klaidos gali keisti iRNR tripletais

užkoduotos informacijos apie aminorūgščių seką baltyme skaitymo rėmelį. Evoliucijos bėgyje

susiformavo sudėtingas molekulinis mechanizmas, lemiantis teisingą splaisingo eigą.

Eukariotų branduoliuose aptikta mažų (100-200 nukleotidų ilgio) RNR molekulių rūšis, pavadinta

mažosiomis branduolio RNR, arba snRNR (sn nuo angl. k.- small nuclear). Jos skiriasi nuo kitų RNR

rūšių ir randamos tik stabiliuose kompleksuose su specifiniais baltymais. Šie kompleksai vadinami

mažosiomis branduolio nukleoproteinų dalelėmis - snRNP (angl. k. - small nuclear ribonucleo-particles),

arba snurpais. Snurpai dalyvauja hnRNR brendime ir subrendusių iRNR pernešime iš branduolio į

citoplazmą.

Įvairius brendimo procesus patiria taip pat tRNR ir rRNR molekulės. Šių molekulių brendimas

vyksta ir prokariotų ląstelėse. Prokariotų rRNR pirmtakas yra 30S molekulė, kurios sekoje yra daugiau

kaip 6000 nukleotidų. RNR endonukleazė III suskaido ją iki 16S, 23S ir 5S rRNR molekulių. Šių trijų

skirtingų rRNR kodavimas viename gene garantuoja vienodo jų kiekio susidarymą. Panašiai vyksta ir

eukariotų pre-rRNR brendimas.

3. ANGLIAVANDENIAI

Angliavandeniai yra labiausiai paplitusi organinių junginių klasė, kuri atlieka svarbų vaidmenį

gyvuose organizmuose kaip:

1. Struktūrinė ląstelių medžiaga - angliavandeniai sudaro apie pusę biologinių struktūrų svorio;

augalų ląstelių sienelės sudarytos iš celiuliozės, bakterijų - iš muramino, grybų - iš chitino. Nukleino

rūgštys, kofermentai taip pat turi savo sudėtyje angliavandenių.

2. Energijos šaltinis - angliavandeniai yra pagrindinis įvairiose ląstelėse vykstančių procesų

energijos šaltinis, nes jų oksidacijos metu išsiskirianti energija panaudojama ATP sintezei, gyvybinėms

funkcijoms užtikrinti, šilumos gamybai.

3. Atsarginė maisto medžiaga - angliavadeniai, ląstelėje sukaupti krakmolo, glikogeno pavidalu,

gali būtinumo atveju tarnauti energijos šaltiniu.

4. Angliavandeniai, susijungę su baltymais ar lipidais (glikoproteinai ir glikolipidai) labai svarbūs

tarpląsteliniam kontaktui, ląstelės atpažinimo, recepcijos procesuose.

Plačiausiai žinomas angliavandenių atstovas gliukozė sutinkama augalų sultyse, vaisiuose, kraujuje.

Ji gali būti kaupiama polisacharidų pavidalu - augalinėse ląstelėse - krakmolo, gyvulinėse - glikogeno.

Gyvūnai negali sintetinti angliavandenių iš CO2 ir vandens, kaip juos sintetina augalai fotosintezės

metu, panaudodami saulės energiją. Todėl angliavandeniai sudaro žinduolių maisto pagrindą.

Nomenklatūra. Pagal cheminę struktūrą angliavandeniai yra polihidroksilaldehidai arba

polihidroksilketonai bei jų dariniai. Jie skirstomi į monosacharidus, oligosacharidus ir polisacharidus.

Monosacharidai (paprastieji cukrūs) yra angliavandeniai, kurių negalima hidrolizuoti į paprastesnius

junginius šio tipo junginius. Bendroji monosacharidų formulė (CH2O)n. Monosacharidų pavadinimas

sudaromas iš priešdėlio, kuris priklauso nuo funkcinės grupės, pavadinimo, graikiško skaitvardžio

šaknies, atitinkančios anglies atomų skaičių molekulėje, ir galūnės -ozė. Pagal anglies atomų skaičių

monosacharidai skirstomi į triozes, tetrozes, pentozes, heksozes ir heptozes ir oktozes. Priklausomai

nuo to, ar jų molekulėje yra aldehidinė ar ketoninė grupė jie gali būti ketozės arba aldozės.

Monosacharidų hidroksilinės grupės gali reaguoti su kitų monosacharidų aldehidine arba keto-

grupe, susidarant didesnėms molekulėms ir vandeniui. Disacharidų (sacharozės, laktozės. maltozės)

hidrolizės metu susidaro dvi molekulės vienodų arba skirtingų monosacharidų. Terminu

oligosacharidai apibrėžiami angliavandeniai, kurių molekulė sudaryta nuo 2 iki 10-ties monosacharidų,

tokio junginio pavadinime taip pat gali būti graikiško skaitvardžio priesaga, rodanti monosacharidų

skaičių. Polisacharidais vadinami polimerai, susidedantys daugiau nei 10 monosacharidų. Tiek

oligosacharidai, tiek ir polisacharidai gali būti homologiški (kuomet monomerai vienodi) arba mišrūs

(sudaryti iš skirtingų monosacharidų), juos hidrolizuojant gali susidaryti monosacharidai arba

oligosacharidai. Polisacharidų molekulės gali būti linijinės arba šakotos struktūros, kadangi bet kuri iš

daugelio monosacharidų molekulėje esančių hidroksilo grupių gali kondensuotis su kito monosacharido

keto- arba aldehidine grupe.

3.1. Angliavandenių izomerija.

Aldozo-ketozinė izomerija. Pagal karbonilo grupės padėtį monosacharidai skirstomi į aldehidus

(aldozes) ir ketonus (ketozes):

H OC

(CHOH)n

CH2OH

Aldozës

n = 1-8

CH2OH

C=O

(CHOH)n

CH2OH

Ketozës

n=0-7

Pagrindinės D-aldozės:

Aldotriozë

CHO

H OH

CH2OH

D-Glicerolio aldehidas

CHO

H OH

CH2OH

CHO

H OH

CH2OH

H OH HHO

CHO

H OH

CH2OH

H OH

CHO

H OH

CH2OH

H OH

CHO

H OH

CH2OH

HHO

CHO

H OH

CH2OH

HHOH OH HO H H OH HO H

CHO

H OH

CH2OH

H OH

H OH

CHO

H OH

CH2OH

H OH

H OH

CHO

H OH

CH2OH

H OH

HO H

CHO

H OH

CH2OH

H OH

HO H

CHO

H OH

CH2OH

HHO

H OH

CHO

H OH

CH2OH

HHO

H OH

CHO

H OH

CH2OH

HHO

HO H

H OH HO H HOH OH OHH H HHO H

CHO

H OH

CH2OH

HHO

HO H

HO HOH

Aldotetrozës

D-Eritrozë D-Treozë

D-Ribozë D-Arabinozë D-KsilozëD-Liksozë

D-Alozë D-Altrozë D-Gliukozë D-Manozë D-Tulozë D-Idozë D-Galaktozë D-Talozë

Aldopentozës

Aldoheksozës

Karbonilo grupė ketozėse paprastai būna 2-padėtyje. Pagrindinės D-ketozės išvardintos sekančioje

schemoje:

CH2OH

C=OH OH

CH2OH

CH2OH

C=OH OH

CH2OH

CH2OH

C=OH OH

CH2OHOHH

HHO

CH2OH

C=OH OH

CH2OH

OHH

CH2OH

C=O

H OHCH2OH

OHH

CH2OH

C=OH OH

CH2OH

HHO

CH2OH

C=O

H OH

CH2OH

HHO

H OH

HHOOHH

HO H

D-Ketozës

D-Eritruliozë

D-Ribuliozë D-Ksiliuliozë

D-Psikozë D-Fruktozë D-Sorbozë D-Tagatozë

CH2OH

C=O

CH2OHDihidroksiacetonas

Fruktozė (ketoheksozė) nuo gliukozės (aldoheksozės) skiriasi tik funkcinių grupių išsidėstymu ties 1

ir 2 anglies atomu.

Stereoizomerija. Dauguma monosacharidų turi asimetrinius (chiralinius) anglies atomus. T.y.

atomai, prijungę 4 skirtingas funkcines grupes. Tokiems junginiams būdinga erdvinė izomerija

(stereoizomerija). Junginio galimų izomerų skaičius priklauso nuo asimetrinių atomų skaičiaus (n) ir yra

lygus 2n. Gliukozė, kurios molekulėje yra 4 asimetriniai C atomai, turi 16 izomerų, kurių fizinės

savybės (tirpumas, lydymosi temperatūra, saldumas) nežymiai skiriasi. Svarbiausi angliavandenių

erdvinės izomerijos tipai yra:

a) D- ir L-izomerija. Šio tipo izomerai nustatomi, lyginant angliavandenio struktūrą su

paprasčiausių angliavandenių - glicerolio aldehido (glicerozės) erdvine struktūra:

H O

H OH

CH2OH

C

C

H O

CH2OH

C

C HHO

D-gliceraldehidas L-gliceraldehidas

D- gliceraldehidas gali būti pavaizduotas ir taip :

O

H OH

C H 2OH

C

D-Gliceraldehidas

C

H

Monosacharidų konfigūracija nustatoma pagal asimetrinio anglies atomo, labiausiai nutolusio nuo

karbonilo grupės anglies atomo, stereochemiją. Atomai numeruojami pradedant karbonilo grupės

anglies atomu, kurio numeris yra 1 aldehidams; o ketonams - žemiausias galimas numeris. Pagal -OH

grupės padėtį prie aukščiausią numerį turinčio asimetrinio anglies atomo monosacharidai skirstomi į: D,

kuriuose -OH grupė yra dešinėje, ir L, kuriuose -OH grupė kairėje. To paties pavadinimo D- ir L-

monosacharidai vadinami enantiomerais, jų funkcinės grupės prie visų asimetrinių anglies atomų yra

priešingose pozicijose, pavyzdžiui:

C

C

C

C

C

H O

CH2OH

H OHH

H

H

OH

OH

HO

C

C

C

C

C

CH2OH

H

H

OH

H

OH

HO

H

HO

HO

D-Gliukozė L-Gliukozė

Daugelis žinduolių ląstelėse esančių monosacharidų yra D-izomerai. Žinoma, kad kai kurie

fermentai specifiškai katalizuoja tik vieno iš dviejų izomerų (pvz., tik D-izomero) cheminius virtimus.

Kaip ir amino rūgščių atveju, asimetrinis C atomas lemia angliavandenių optinį aktyvumą,

t.y., vieni iš izomerų gali sukti poliarizuotos šviesos plokštumą į dešinę (+), kiti - į kairę (-). Sumaišius

D ir L-izomerus ekvivalentiškais kiekiais, gautamas racematas - D,L-mišinys, nepasižymintis optiniu

aktyvumu.

b) epimerai (pavyzdžiui gliukozė ir manozė) yra stereoizomerai, kurių konfigūracija

skirtinga tik prie vieno asimetrinio anglies atomo. Įvairūs monosacharidai gali skirtis tik hidroksilo

grupių tarpusavio išsidėstymu, pvz.,. trys aldoheksozės (C6H12O6) ir trys pentozės (C5H10O5):

C

C

C

C

C

H O

CH2OH

H OHH

H

H

OH

OH

HO

C

C

C

C

C

H O

CH2OH

H

H

H

OH

OH

HO

HO H

C

C

C

C

C

H O

CH2OH

H OH

HHO

HO

H OH

OH

D-Gliukozė D-Manozė D-Galaktozė

C

C

C

C

CH2OH

H

H

OH

OH

H OH OH C

C

C

CH2OH

H

H

OH

OH

CH2OH

O C

C

C

CH2OH

H OH

CH2OH

O

HO H

D-Ribozė D-Ribuliozė D-Ksilulozė

Tautomerija. Piranozinė-furanozinė izomerija. Monosacharidai, kurių molekulėse yra penki ar

šeši anglies atomai, tirpaluose linkę sudaryti ciklines formas - hemiacetalius arba hemiketalius, kurie

susidaro monosacharido aldehidinei grupei reaguojant su alkoholine grupe:

Aldehidas Alkoholis Hemiacetalis

R-CO

H+ R'-OH R-C-O-R'

H

OH*

Monosacharidai sudaro vidinius ciklinius hemiacetalius:

Monosacharidas Ciklinis hemiacetalis

C-(CHOH)n-CO

HOH

C-(CHOH)n-C

O

H

OH*

Galima penkianarė (furanozinė) arba šešianarė (piranozinė) žiedo struktūra, priklausomai nuo to, su

kuria alkoholine grupe sąveikauja aldehidinė grupė. Piranozės labiau paplitusios.

OH

H

H OH

H

OH OH

HO

H

H

OH

OH

H

H

OHCH

CH2

HOCH2

H

OH H

O

-D-Gliukopiranozė -D-Gliukofuranozė (-D-Gliukozė) (-D-Gliukozė) Hemiacetalių ar hemiketalių formulės taip pat gali būti vaizduojamos, kaip modifikuotos projekcijos

formules (Fischer formulės) - -jeigu -OH grupė prie acetalo ar ketalo anglies yra žiedo pusėje, ir -

jei yra priešingoje pusėje:

C

C

C

CH2OH

H

H

H

OHC

C H

OH

H

HO

HO

C

C

C

CH2OH

H

H

H

OHC

CH

OH

H

HO

OH

O O

-D-Gliukozė -D-Gliukozė

Plačiau naudojamos Haworth projekcijos formulės:

OH

OH

H

H OH

H

OH

OH

H

H OH

HOH

D-gliukoze D-gliukoze

O

CH2

H

OH H

O

CH2

H

OH H

OH

D-gliukozės piranozinio ir furanozinio ciklų susidarymo schemos:

H OC

CH2OH

OHHOHOH

HHO

HH

OH

OCH2OH

OH

OH

HO

OH

OCH2OH

OH

OH

HO

O

CH2OH

HHO

OHOH

OH

O

CH2OH

HHO

OHOH

OH

D-Gliukozė 0,02 %

-D-Gliukopiranozė, 36%-D-Gliukofuranozė

-D-Gliukopiranozė, 64%-D-Gliukofuranozė

Visos šios formos vadinamos tautomerinėmis formomis. Tautomerija arba dinaminė izomerija, yra

reiškinys, kuomet vienas tautomeras lengvai virsta kitu, tarp jų nusistovint pusiausvyrai. D-gliukozė

gali egzistuoti penkiose tautomerinėse formose. Kristalinėje būsenoje susidaro viena iš angliavandenio

hemi-formų, pavyzdžiui, kristalinė gliukozė yra -D-gliukopiranozė. Ciklinė struktūra išlieka

tirpaluose, tačiau juose vyksta izomerizacijos procesas anomerinio anglies atomo atžvilgiu, kurio metu

susidaro -gliukopiranozės (36) ir -gliukopiranozės (64) mišinys, o likusį 0,02 sudaro

gliukofuranozės ir anomerai, dar mažiau tirpale yra piranozinių gliukozės formų. Tokios

izomerizacijos rezultate savaime keičiasi tirpalo optinis aktyvumas - tai vadinama mutarotacija.

Gliukozės tirpalo sumarinis sukimo kampas yra +52,5o. Svarbu yra tai, kad šios formos gali labai

lengvai pereiti viena į kitą. Pvz. kad ir kiek mažai yra gliukozės laisvo aldehido formoje, gliukozė

kiekybiškai dalyvauja visose reakcijose, būdingose aldehidams.

Ketozės taip pat sudaro penkianarius ir šešianarius hemiacetalinius ciklinius darinius. Nors

ketozių fizinės savybės labai panašios į aldozių, cheminės jų savybės kiek skiriasi. Ketozių

hemiacetaliniam žiedui tirpaluose būdingesne furanozinė forma, tik maža dalis įgauna piranozinę

formą. Jų gamtiniai junginiai yra furanozės.

Šešianariai piranoziniai ciklodariniai sudaro kėdės arba vonios konformacines formas. Kėdės

konformacija yra žymiai stabilesnė. Joje susidaranti -darinio glikozido grupė atsiduria aksialinėje

padėtyje, o -darinio - ekvatorialinėje padėtyje. Glikozidinė grupė, esanti ekvatorialinėje padėtyje yra

energetiškai pranašesnė, nes yra toliausiai nutolusi nuo ją supančių kaimyninių atomų. Todėl vyrauja

piranozių forma.

ir anomerija. Žiedinės struktūros susidarymo reakcijos metu molekulėje atsiranda naujas

asimetrinis anglies atomas C-1 (anomerinis C atomas), tai lemia dar dviejų izomerinių formų

egzistavimą:

CH2OH

OHOH

H

H

HO

HO

HC

C

C

C

C

H O

CH2OH

H OHH

H

H

OH

OH

HO CH2OH

OHH

HO

HO

H

H H

H

OHH HO O

-epimeras acikline forma -epimeras

To paties monosacharido - ir - formos yra epimerai, vadinami anomerais, besiskiriantys tik

konfigūracija prie anomerinio (acetalo ar ketalo) anglies atomo.-izomere -OH grupė ir -CH2OH grupė

prie dviejų anglies atomų, susijungusių su deguonimi, yra trans padėtyje viena kitos atžvilgiu, tuo tarpu

izomere jos yra cis padėtyje.

-D-Gliukozė D-Gliukozė Glikozidinė grupė aksialinėje Glikozidinė grupė ekvatorialinėje

padėtyje padėtyje

OH

OHHO

HOHO

CH2OH

O

HOH

HO

HOHO

CH2OHekv.

aks.

-D-gliukozė yra vienintelis heksozių atstovas, kurio visos OH grupės ir CH2OH grupė yra

ekvatorialinėje padėtyje, t.y. stabiliausioje iš visų galimų. Todėl šis heksozių atstovas yra plačiausiai

paplitęs gamtoje. Visos kitos heksozės daugiau ar mažiau turi pakaitų aksialinėje padėtyje.

3.3. Monosacharidų dariniai.

Labiausiai paplitę monosacharidų dariniai, kuriuose viena ar daugiau hidroksigrupių

pakeičiamos kitomis grupėmis.

Deoksimonosachariduose OH grupė yra pakeista H atomu. Gamtiniams angliavandeniams

būdingas toks pakeitimas prie C-2 atomo. Pvz. 2-dezoksi-D-ribozė - nukleino rūgščių struktūrinis

elementas. 6-Dezoksi-L-galaktozė (fukozė) - įeina į daugelio gyvulinių oligosacharidų sudėtį. Į širdies

veiklą reguliuojančių glikozidų sudėtį įeina 2,6-didezoksicukrai, pvz. digitoksozė.

2-Dezoksi-D-ribozė 6-Dezoksigalaktozė D-Digitoksozė (fukozė)

OOH

OH

CH2OHH O

CHO

HHOHO

HOHHH

CH3

H OC

HH OH

HCH3

CH2

OHOH

Aminocukrai. Kai monosacharide viena ar kelios hidroksilo grupės pakeičiamos

aminogrupe, taip pat dažniausiai prie C-2. Tokie monosacharidai įgauna bazinių savybių, jie gerai

sudaro druskas, gerai kristalinasi. Labai dažnai amino cukrai būna acilinti acto rūgštimi, kartais sieros

rūgštimi.

Gliukozaminas N-Acetilgliukozaminas N-Sulfonilgliukozaminas

O

OH

CH2OH

HOOH

NH2

OOH

CH2OH

HO

OH

NH-C-CH3

O

O

OH

CH2OH

HOOH

NH-SO3H

Neuramino rūgštis susidaro reaguojant N-acetil-D-manozaminui su pirovynuogių

rūgštimi, katalizuojant fermentui. Vyksta aldolinė kondensacija susidarant N-acetilneiramino rūgščiai.

Ši rūgštis gali sudaryti vidinius hemiacetalius ir sutinkama atviros grandinės formos arba ciklinėje

būsenoje:

Piruvo rūgštis N-Acetilneuramino rūgštis N-Acetilneuramino rūgštis linijinė forma ciklinė forma

COOH

C=O

H-CH2

+O H

CHCH3-C-HN

O

HO HHH

OHOH

CH2OH

COOH

C=O

CH2

H CHCH3-C-HN

O

HO HHH

OHOH

CH2OH

OH

OH

(CHOH)2

CH2OH

COOH

OH

O

CH3C

HN

O

N-Acetilmanozaminas

Neuramino rūgšties ir jos darinių yra kraujyje ir audiniuose. N-Acetilneuramino rūgštis ir jos

dariniai vadinami sialo rūgštimis. Glikozaminoglikanų sudėtyje, apart paprastų monosacharidų, yra

amino cukrų, laisvų ir acetilintų uroninių rūgščių, sulfatinių esterių ir sialo rūgšties. N-acetilneurininė

(sialo) rūgštis įeina į gangliozidų sudėtį.

Askorbo rūgštis (vitaminas C) savo struktūra artima monosacharidams. Susidaro iš 2-oksi-L-

gulono rūgšties, pastarajai sudarant vidinį laktoną.

2-Okso-L-gulono Askorbo rūgšties tautomerinės formos rūgštis

C=O

HO

HH

HOH

CH2OH

HO

COOHC=O

HO

HH

HCH2OH

HO

-H2O

CO

O C-OH

HOH

HCH2OH

CO

OC-OH

OO

HO OH

CH-CH2OH

OH

Askorbo rūgštis yra gana stipri rūgštis, jos pKa =4,2. Askorbo rūgštis yra geras reduktorius. Ji

nesunkiai oksiduojasi ir vėl redukuojasi:

OO

HO OH

CH-CH2OH

OH

OO

O O

CH-CH2OH

OH

[O]

[H]

Organizme askorbo rūgštis dalyvauja daugelyje oksidacijos redukcijos procesų. Žmogaus

organizmas negali sintetinti askorbo rūgšties ir turi ją gauti su maistu.

Glikozidai. Susidarant hemiacetaliui atsiranda nauja hidroksilo grupė, kuri angliavandenių

chemijoje vadinama glikozidine. Jos cheminės savybės skiriasi nuo kitų hidroksigrupių savybių

angliavandenyje, ji pati aktyviausia chemiškai. Monosacharidų dariniai, kuriuos sudarant dalyvauja

glikozidinė grupė, yra vadinami glikozidais. Glikozidų pavadinimai sudaromi pirmiausia įvardijant

pakaitą, po to konfigūraciją, po to angliavandenį su galūne - ozidas. Veikiant monosacharidus

alkoholiais susidaro tik cikliniai acetaliai, o ne atviros grandinės hemiacetaliai.

Glikozidų susidarymo reakcija grįžtama, rūgštinėje terpėje jie nesunkiai hidrolizuojasi, susidarant

alkoholiams ir monosacharidams. Furanozės, kurių penkianaris žiedas turi didesnę įtampą nei šešianaris

piranozinis, hidrolizuojasi lengviau. Yra fermentai, kurie katalizuoja tik vienos rūšies glikozidų

hidrolizę. Pvz. -glikozidazė išskiriama iš mielių katalizuoja tik - glikozidines jungties hidrolizę, o -

glikozidazė sutinkama migdoluose - tik glikozidinės jungties hidrolizę. Šie fermentai dabar

naudojami cheminiu būdu sintetintiems glikozidams atskirti. Glikozidai labai svarbūs biologijoje.

Glikozido molekulė skirstoma į 2 dalis - angliavandenilio dalį ir aglikono dalį. Aglikonai, kurie turi -

OH grupę vadinasi O-glikozidais. Jei glikozidas sudarytas su amino grupę turinčiais aglikonais tokie

glikozidai vadinami N-glikozidais. Yra ir S- glikozidų. Pvz. sinigrinas garstyčiose, rapse, kopūstuose,

ridikuose.

OCH2OH

OH

OHHO

SC N O SO3K

CH2CH=CH2

Angliavandenilio dalis

Aglikonas

Hemiacetaliai ir hemiketaliai gali reaguoti su kito monosacharido hidroksilo grupe, sudarydami

disacharidus (acetal: glikozidas):

H

H OH

O

HOH2

H

H OH

HOH2

( )H OH,

H HO

C

H

OH OH H

O

C

OH H

-1,4 glikozidinė jungtis

Vienas iš monosacharidų disacharido molekulėje dar turi anomerinį anglies atomą ir gali reaguoti

toliau. Anomerinė OH grupė gali reaguoti su bet kuria kito monosacharido OH grupe, įskaitant ir

anomerines. Sureagavusi anomerinė OH grupė yra fiksuojama arba padėtyje ir negali mutarotuoti ar

redukuotis. Jei glikozidinė jungtis yra ne tarp dviejų anomerinių anglies atomų, likes laisvas anomerinis

atomas gali laisvai mutarotuoti ir redukuotis.

Esteriai. Ypač svarbūs fosforo rūgšties esteriai. Gliukozės fosforilinimas yra pirmoji gliukozės

oksidacijos stadija. Fosforilinės grupės donoras yra adenozintrifosfatas - pirofosforo rūgšties ir

adenozino esterį (ATP).

-D-Gliukozė ATP Gliukozo -6-fosfatas ADP

OCH2O-H

OH

OHHO

OHHO-P-O-P-O-P-O-CH2

O O O

OH OH OH O Ade

HO OH

OCH2O-PO3H2

OH

OHHO

OHHO-P-O-P-O-CH2

O O

OH OH O Ade

HO OH

Kai glikogenas hidrolizuojamas, veikiant fosforilazei, iš karto gaunamas D-gliukozės-1-fosfatas. 6-

Fosfat-D-gliukozė organizme pradeda gliukozės apykaitos reakcijų seką. Fosforilinta gliukozė pereina į

fruktofuranozinę formą ir dar kartą fosforilinima, susidarant 1,6-difosfatui.

Taigi, labiausiai paplitę monosacharidų esteriai yra fosfo-esteriai prie 1 ir/arba 6 anglies atomo:

OH

HO

H

O

H

H HO

CH2OH

HPO 23

OH

HO

H

O

H

H HO

CH2H PO

23CHO 2-2 -

OC

O

-D-fruktozės-1-fosfatas -D-fruktofuranozės-6-fosfatas

OH

HO

H

O

H

H HO

CH2HPO 23

2-2-

OPO3

OC

-D-fruktozės-1,6-difosfatas

D-ribozės ir 2-dezoksi-D-ribozės fosfatai įeina į nukleino rūgščių sudėtį.

3.3. Monosacharidų cheminės savybės.

Redukavimas. Paprastai redukuojasi monosacharidų aldehido ar ketono grupės. Gaunami

polihidroksiliai alkoholiai - gerai tirpstančios vandenyje, dažniausiai saldžios medžiagos, vartojamos

kaip cukraus pakaitai. Hidrinant ksilozę gaunamas ksilitolis. Monosacharidai, kurie skiriasi

funkcinėmis grupėmis prie dviejų iš trijų pirmųjų anglies atomų, sudaro tuos pačius alkoholius. D-

glicerolio aldehidas ir dihidroksiacetonas sudaro glicerolį (gliceriną):

HO

H OH

CH2OH

C

C

CH2OH

H

CH2OH

C O

CH2OHCH

2OH

OHC

Glicerolio aldehidas glicerolis dihidroksiacetonas

D-gliukozė ir D-fruktozė sudaro D-sorbitolį; D-fruktozė ir D-manozė sudaro D-manitolį.

Hidrinant aldozes susidaro tik vienas izomeras, tačiau hidrinant ketozes susidaro 2 izomerai,

priklausomai nuo to, kurioje pusėje atsiduria susidaranti -OH grupė.

D-Ksilozė Ksilitolis D-Fruktozė D-Gliucitas (Sorbitolis) D-Manitolis

H OC

HHO

H

OH

OHH

CH2OH

HHO

H

OH

OHH

CH2OH

CH2OH

HHO

HOHOH

H

CH2OH

C=OCH2OH

CH2OH

HHO

HOHOH

H

CH2OH

CH OH

CH2OH

HHO

HOHOH

H

CH2OH

C HHO

+[H] [H]

Oksidavimas. Šarminėje terpėje monosacharidai, kaip ir visi aldehidai, yra nestabilūs ir

oksiduojasi sudarydami įvairius produktus. Oksidatoriaus vaidmenį atlieka metalų (sidabro, vario)

katijonai kurie redukuojasi iki laisvo metalo (Ag), ar mažesnio oksidacinio laipsnio (nuo Cu+2 iki Cu

+1).

Ši monosacharidų savybė naudojama sidabrinių veidrodžių gamyboje.

) cukraus rūgštys

Oksiduojant angliavandenius gauname įvairias rūgštis. Galime oksiduoti aldehidinę grupę,

hidroksigrupę arba jas abi. Aldozės aldehidinė grupė lengvai oksiduojasi, susidarant atatinkamoms

aldono rūgštims. Oksiduojant gliukozę gauname gliukono rūgštį, galaktozę - galaktono rūgštį.

Vandeniniuose tirpaluose karboksigrupė reaguoja su karboksigrupe, susidarant d-laktonui arba g-

laktonui. Oksiduojant netiktai aldehidinę grupę, bet ir pirminę hidroksigrupę susidaro

polihidroksidikarboksirūgštys vadinamos aldaro rūgštimis. Oksiduojant gliukozę susidaro gliukaro

rūgštis, ji yra dar vadinama cukraus rūgštimi, oksiduojant manozę gauname manocukraus rūgštį, o

galaktozę - gleivių rūgštį. Oksiduojantis tiktai hidroksigrupei prie C6 susidaro urono rūgštys -

gliukurono, idurono. Redukuojant gliukurono rūgštį susidaro gulono rūgštis, iš kurios yra sintetinama

askorbo rūgštis.

C

C

C

H OH

O H

HOH

OHH C

C OHH

COOH

D-gliukurono rūgštis

C

C

C

H OH

O H

HOH

OHH C

C OHH

CH2OH

D-gliukozė

C

C

COOH

H OH

HOH

OHH C

C OHH

COOH

D-gliukaro rūgštis

C

C

COOH

H OH

HOH

OHH C

C OHH

CH2OH

D-gliukono rūgštis

OH

H

OHH

OH

OH

HH

OH

COOH

OH

H

OHH

OH

OH

H

CH2OH

O

D--glukolaktonas

D-gliukurono rūgštis ciklinė forma

oksidacija C1

oksidacija C6

oksidacija C1 ir C6

C

C

CH2OH

H OH

HOH

OHH C

C OHH

COOH

D-gulono rūgštis

C

C

C

OH

OH

H C

C HOH

CH2OH

L-askorbo rūgštis

O

OC

C

C

O

O

H C

C HOH

CH2OH

O

O

L-dehidroaskorbo rūgštis

-2H

OO

H

OH OH

CHOH

CH2OH

L-askorbo rūgštis

OH

H

OHH

OH

OH

HH

OHCOOH

L-idurono rūgštis

Neutralioje ir rūgščioje terpėje aldozės oksiduojasi, nesuyrant molekulei. Oksidacijos

produktų sudėtis priklauso nuo reakcijos sąlygų. Naudojant stiprų oksidatorių, pvz. praskiestą HNO3,

oksiduojasi aldehido ir galinė hidroksigrupės, susidarant glikaro rūgštims, dar vadinamoms cukraus

rūgštimis. Oksiduojant D-galaktozę gaunama gleivių rūgštis, kuri yra sunkiai tirpi vandenyje, gerai

brinksta ir jos tirpalai pateisina rūgšties pavadinimą.

D-Galaktozė Gleivių rūgštis D-Glikaro (cukraus) rūgštis

H OC

HHO

HH

OH

OH

H

CH2OH

HO

Prask. NHO3

OC

HHO

HH

OH

OH

H

COOH

HO

HOCOOH

HHO

HH

OH

OH

H

COOH

OH

Švelnūs oksidatoriai veikia tik aldehido grupę. Susidaro glikono rūgštys. Tokios rūgštys

sudaro vidinius esterius, vadinamus laktonais. Gali susidaryti du laktonai: penkianaris laktonas, arba

šešianaris laktonas.

D-Gliukozė D-Gliukono rūgštis -Gliukonolaktonas

H OC

HHO

HH

OH

OHOH

H

CH2OH

Br2/H2O

OC

HHO

HH

OH

OHOH

H

CH2OH

HOOHO

CH2OH

OHHO

O

OCH2OH

O

OH

OHHO

-H2O

Gliukonolaktonas

Galima oksiduoti galinę -OH grupę, neliečiant aldehido grupės. Taip gaunamos

gliukurono (urono) rūgštys. Kad apsaugoti nuo oksidacijos aldehido grupę, aldozė pervedama į

glikozidinę formą, pvz. veikiant metanoliu. Urono rūgštys gali sudaryti laktonus, kurie susideda iš

dviejų kondensuotų žiedų.

Jurgio File 8

Urono rūgštys, kaip ir visos karboksirūgštys, sudaro druskas. Kaitinant urono rūgščių metalų

druskas su metalais (nikeliu, magniu) labai nesunkiai vyksta dekarboksilinimas. Organizme

katalizatoriaus vaidmenį atlieka fermentai. Taip iš heksozių yra susidaro pentozės, iš jų tetrozės ir t.t.

Urono rūgštys atlieka labai svarbų vaidmenį organizme. Prisijungdamos prie substrato, jos suriša į

vandenyje gerai tirpius gliukuronidus įvairias į organizmą pakliuvusias medžiagas, pvz. vaistus,

toksinus ir jų metabolizmo produktus ir, kaip gerai vandenyje tirpias medžiagas, šalina iš organizmo su

šlapimu. Taip iš organizmo yra šalinamas aspirinas. Pradžioje jis yra hidrolizuojamas iki salicilo

rūgšties ir po to sudaromas O-gliukuronidas. Panašiai N-gliukuronido formoje šalinamas iš organizmo

ir trankvilizatorius meprotanas.

Dehidratacija. Kaitinant monosacharidus su rūgštimis, vyksta monosacharidų dehidratacija.

Heksozės atskelia tris vandens molekules ir sudaro 5-hidroksimetilfurfurolą Pentozės taip pat atskelia

tris vandens molekules ir sudaro furfurolą. Abu šie furfurolai, turėdami aktyvią aldehido grupę, gana

lengvai kondensuojasi su aromatiniais aminais ir fenoliais, sudarydami spalvotus junginius.

Aldoheksozė 5-Hidroksimetilfurfurolas

HO-HC-CH-OH

HOCH2CH CH-CO

HHO OH

-3H2OHOH2C C

O

H

HO-HC-CH-OH

H-CH CH-CO

HHO OH

-3H2OC

O

H

Aldopentozė Furfurolas

Šios reakcijos naudojamos kokybiniam heksozių ir pentozių nustatymui.

3.4. DISACHARIDAI

Disacharidai sudaryti iš dviejų vienodų arba skirtingų monosacharidų, sujungtų glikozidiniu

ryšiu. Vienas monosacharidas jungties sudarymui sunaudoja glikozidinę OH grupę, o kitas gali būti

prijungtas per bet kurią -OH grupę. Todėl visi disacharidai yra acetaliai ir glikozidai. Jeigu antrasis

disacharido komponentas ryšio sudarymui sunaudojo taip pat glikozidinę grupę, tai toks disacharidas

nebegali pereiti į atvirą formą, t.y. jis nebeturi aldehido savybių ir vadinamas neredukuojančiu

disacharidu. Jei antrasis disacharido komponentas ryšio sudarymui sunaudojo kažkurią kitą

hidroksigrupę, tai toks disacharidas gali iš ciklinės formos pereiti į atvirą formą ir turi visas

monosacharidams būdingas savybes. Tokie disacharidai vadinami redukuojančiais disacharidais. Tokio

ryšio sudarymui dažniausiai naudojamos prie C-4 arba C-6 anglies atomų esančios hidroksigrupės.

Dažniausiai sutinkami redukuojantys disacharidai yra maltozė, celiobiozė ir laktozė.

Maltozėje dvi D-gliukozės molekulės sujungtos (14) glikozidiniu ryšiu. D-gliukozė,

kuri sudaro glikozidinį ryšį, yra -formoje, o D-gliukozė, kuri prisijungia prie šio glikozidinio anglies

atomo ir sudaro acetalį, panaudoja prie C-4 esančią hidroksigrupę. -Maltozė gaunama, hidrolizuojant

krakmolą.

-Maltozė Maltozė Maltozė

OCH2OH

OHHO

OCH2OH

OH

OH

OOH OH

OCH2OH

OHHO

CH2OHOH

OH

OOH OH

O

OHHO

OCH2OH

OH

OH

OH OHCO

H

CH2OH

O

Žmogaus organizme maltozė hidrolizuojama iki 2 gliukozės molekulių, dalyvaujant fermentui -

gliukozidazei, kitaip vadinamai maltaze.

Laktozė dar vadinama pieno cukrumi. Ją sudaro -D-galaktozė, sujungta su D-gliukoze (14)

tipo glikozidiniu ryšiu. Kaip ir kitų dviejų čia nagrinėtų redukuojančių disacharidų atvėju, laktozė gali

egzistuoti dviejose konformacinėse būsenose: - laktozė ir -laktozė.

-Laktozė Ryšys [-(14)] -Laktozė

OO

CH2OH

OH

HO OCH2OH

OHOH

OOH OH

OCH2OH

OH

HOCH2OH

OH

OH

OOH OH

OCH2OH

OH

HO O OH

OH

OOH OHCH

CH2OH

Laktozė yra svarbus naujagimių maisto komponentas. Piene laktozės koncentracija siekia iki 8

% .

Labiausiai žinomas neredukuojančių disacharidų atstovas yra sacharozė, vadinama tiesiog

cukrumi. Cukrinėse nendrėse, cukriniuose runkeliuose ji sudaro iki 28 % sauso svorio, taip pat daug jos

yra sultyse, vaisiuose ir uogose.

Sacharozė susideda iš D-gliukozės ir D-fruktozės,

sujungtų (12). glikozidiniais ryšiais. Sacharozėje nėra laisvų

hemiacetalinių grupių, todėl nei piranozinis nei furanozinis žiedai negali atsidaryti. Dėl tos priežasties

sacharozė neturi izomerų ir aldehidams būdingų savybių.

Neredukuojančių disacharidų pavadinimai sudaromi vieną kurį tai monosacharidą vertinant kaip

glikozidinį pakaitą, jam suteikiant galūnę -ozidas. Kadangi monosacharidų elementai yra lygiaverčiai,

todėl ir sacharozės pavadinimai gali būti du.

Gamtoje kartais sutinkama jungtis (16). Pvz. genciobiozė, susidedanti iš dviejų D-

gliukopiranozinių grandžių, sujungtų -(16) jungtimi. Genciobiozė įeina į stipraus biogeninio toksino

amigdalino sudėtį. Amigdalino aglikonas yra benzaldehido cianhidrinas. Amigdalinas veikiant -

glikozidazei hidrolizuojasi ir išsiskiria vandenilio cianidas, kuri ir yra nuodas. Cianogeniniai

oligosacharidai yra sutinkami vaisių kauliukuose (migdolų, abrikosų, vyšnių, persikų) Kauliukų

branduoliuose būna iki 1 % amigdalino. 1 g amigdalino yra mirtina dozė žmogui.

3.5. POLISACHARIDAI

Polisacharidai - stambiamolekuliniai angliavandeniai sudaryti iš monosacharidų, sujungtų

glikozidiu ryšiu. Sekančio ryšio su kita monosacharido molekule sudarymui yra sunaudojama viena iš

likusių hidroksigrupių, dažniausiai C-4 arba C-6. Augalinės prigimties polisachariduose dažniausiausios

(14) arba (16) tipo ryšys. Gyvulinės ir bakterinės kilmės polisachariduose sutinkamos ir (13) ir

OCH2OH

HOOH

HO

OHOCH2

O

CH2OHHO

HO

(12) tipo ryšiai. Polisacharido grandinės gale yra laisva glikozidinė grupė, tačiau tokių grupių yra taip

mažai, kad polisacharidus galime nagrinėti kaip neredukuojančius sacharidus. Rūgščioje terpėje

polisacharidai hidrolizuojasi iki įvairaus ilgio oligosacharidų ir monosacharidų. Šarminėje terpėje

polisacharidai yra labai atsparūs.

Polisacharidai yra ilgos molekulės, kartais šakotos, todėl jų savybėms didelę įtaką turi

polisacharidų antrinė struktūra. Polisacharidai, sudaryti iš vienos rūšies monosacharidų yra vadinami

homopolisacharidais. Jei polisacharidas sudarytas iš skirtingų monosacharidų, tai toks polimeras

vadinamas heteropolisacharidu.

Homopolisacharidai dar vadinami glikanais. Pvz. gliukanai, mananai, galaktanai ir t.t.,

priklausomai nuo to, iš kokio monosacharido grandžių jie yra sudaryti. Daugelis gamtinių polisacharidų

yra homopolisacharidai. Pvz. augaliniai polisacharidai - krakmolas, celiuliozė, pektinai, gyvuliniai

polisacharidai - glikogenas, chitinas, ar bakteriniai polisacharidai - dekstranai.

Krakmolas yra dviejų polisacharidų - amilozės (10-20 %) ir amilopektino (80-90 %) mišinys.

Krakmolas susidaro augaluose fotosintezės metu, kaupiamas sėklose, gumbuose kaip energijos

atsargos. Tai balta, amfoterinė medžiaga, netirpi vandenyje. Karštame vandenyje krakmolas brinksta.

Veikiant temperatūrai, krakmolas hidrolizuojasi iki trumpesnių grandinių, vadinamų dekstrinais, kurie

vandenyje tirpsta žymiai geriau. Toks kramkolo apdorojimo procesas vadinamas dekstrinizacija.

Amilozė sudaryta iš D-gliukozės žiedų, sujungtų (14) glikozidiu ryšiu. Hidrolizuojant

amilozę iki monosacharidų gaunama D-gliukozė, o iki disacharidų - maltoze:

Amilozė

OCH2OH

OHHO

OCH2OH

OH

OOH OH

OCH2OH

OH

OCH2OH

OH

OOH OH

OCH2OH

OH

OCH2OH

OH

OH

OOH OHO O

Neredukuojantis galas Redukuojantis galas-(1 4) glikozidinis ryðis

Tai linijinis polimeras, sudarytas iš 200 - 1000 glikozidinių liekanų. Tokio polimero masė yra

apie 160 kilodaltonų. Amilozės grandinės susuktos į spiralę. Viena spiralės vija sudaryta iš 6

monosacharido grandžių. Į spiralės vidų gali tilpti įvairios mažos molekulės. Paprastai tai būna vanduo.

Todėl amilozė turi apie 10 - 20 % surišto vandens. Amilozė sudaro stabilius mėlynos spalvos

kompleksus su jodu. Ši reakcija naudojama jodo ir amilozės nustatymui.

Amilopektinas yra šakotas polisacharidas. Amilopektinas turi tokią pat struktūrą, kaip ir

amilozė, tačiau kas 15 - 30 grandžių yra atšaka, sudaroma (16) tipo ryšiu. Amilopektino molekulinė

masė siekia 1 - 6 mln daltonų.

Amilopektinas

OCH2OH

OHHO

OCH2OH

OH

OOH OH

OCH2OH

OH

OCH

OH

OOH OH

OCH2OH

OH

OCH2OH

OH

OOH OHO O

-(1 6) glikozidinė jungtis

OCH2OH

OHHO

OCH2OH

OH

OOH OH

OCH2OH

HO

OHO

O

n n = 20-25

Glikogeno struktūra tokia pati, kaip amilopektino, tik dar labiau šakota. Kiekviena atšaka

prasideda kas 8 -12, o kartais ir kas 6 gliukozės grandis. Glikogenas yra tik gyvūnų ląstelėse. Skirtingai

nuo augalų, gyvūnams dažnai reikia didelio energijos kiekio per trumpą laiką (stresai, fizinis krūvis).

Fermentiniu būdu gliukozės molekulės viena po kitos atskeliamos nuo glikogeno grandinės galo.

Šakota struktūra leidžia vienu metu veikti daugeliui fermento molekulių ir greičiau gauti laisvos

gliukozės, kuri naudojamos, kaip pagrindinis energijos šaltinis.Glikogeno molekulinė masė siekia

šimtus mln. daltonų. Tokios milžiniškos molekulės negali praeiti pro ląstelių sieneles, todėl glikogenas

ir kaupiamas ląstelių viduje kaip energijos rezervas.

Dekstranai yra šakoti bakterinės kilmės polisacharidai, sudaryti iš D-gliukozės žiedų,

sujungtų (16) tipo glikozidiais ryšiais. Šakos prie pagrindinės grandinės prijungiamos (14),

(13) o kartais ir (12) tipo glikozidiniais ryšiais.

Dekstranas

-(1 6)

OCH2

OHHO

OCH2

OH

O

OHO

CH2

HO

OCH2

OH

O

OH OH

OO

CH2

OH

O

OH

OCH2

OH

OCH2

OH

O

OH OH

O

OCH2

OHHO

O

OH

OCH2

OHHO

O

OH OCH2

OHHO

O

OH

-(1 3) -(1 2)

-(1 4)

Dekstrano molekulių masė - keletas milijonų daltonų. Trumpi dekstranai (50 - 100 kD)

naudojami kaip kraujo pakaitai. Jie gaunami dalinai hidrolizuojant dekstranus. Dantų apnašos taip pat

yra dekstraninės kilmės, jas gamina ant dantų gyvenančios bakterijos.

Celiuliozė labiausiai gamtoje paplitęs polisacharidas, visų ląstelių sienelių struktūrinis

elementas. 70 % medienos svorio sudaro celiuliozė. Medvilnė, lino pluoštas - beveik gryna celiuliozė.

Celiuliozė sudaryta iš D-gliukopiranozinių žiedų sujungtų (14) tipo glikozidine

jungtimi. Tai linijinis polimeras sudarytas iš 2500 - 12 000 gliukozės liekanų. Celiuliozės molekulinė

masė svyruoja nuo 400 kD iki 1-2 MegaD.

Celiuliozė

OCH2OH

OHHO

CH2OH

OH

OOH OH

CH2OH

OH

CH2OH

OH

OH OH

CH2OH

OH

CH2OH

OH

OH OH

O

O

O

O

O

O

O O

O

-(1 4)

(14) ryšys lemia polimerinės molekulės tiesiškumą, kuris dar labiau yra sustiprinamas

vandenilinėmis jungtimis grandinėje. Todėl celiuliozė turi ne tik gerą mechaninį atsparumą, geras

pluoštines svybes, bet taip pat netirpsta vandenyje ir yra chemiškai atspari. Dėl to celiuliozė tinka kaip

statybine medžiaga ląstelių sienelėms. Celiuliozė gyvūnų organizme neskaldoma ir neįsisavinama,

tačiau kaip balastinė medžiaga, ji yra būtinas maisto elementas.

Chitinas atlieka statybinės medžiagos vaidmenį gyvūnuose. Chitinas sudarytas iš N-acetil-

D-gliukozamino grandžių, sujungtų (14) glikozidine jungtimi. Tai linijinis polimeras, panašus į

celiuliozę, todėl ir naudojamas ląstelių atraminėms struktūroms. Iš chitino sudaryti vabzdžių šarvai,

ragai, nagai, ir t.t.

Chitinas

OCH2OH

HO

CH2OH

OOH OH

CH2OH CH2OH

OH OH

CH2OH CH2OH

OH OH

O

O

O

O

O

O

O O

O

HN-C-CH3

O

HN-C-CH3

O

HN-C-CH3

O

HN-C-CH3

O

HN-C-CH3

O

HN-C-CH3

O

Iš jūros augalų yra išskiriama daug gelius sudarančių polisacharidų. Geriausiai žinomas agar-

agaras, sudarytas iš D-galaktozės ir L-laktozės vienas paskui kitą einančių grandžių. Agar-agaras turi

daug sulfonintų hidroksilo grupių.

Agar-agaras

-(1 4)

OCH2OSO3H

OH

OCH2OH

OH

OOH OH

CH2OH

O

OH

OHO

-(1 4)

CH2OH

OSO3H

OCH2OSO3H

OH

OOH OH

OCH2OH

O

OH

OHOO O

-Laktozės fragmentas D-Galaktozės fragmentas

Šias dvi polisacharidų grupes būtų galima priskirti ir prie hetropolisacharidų grupės, nes jų

polimerinė struktūra yra sudaryta iš dviejų skirtingų monosacharidų, tačiau šios monosacharidų poros

yra traktuojamos kaip disacharidai, kurie ir sudaro šių polimerų monomerinį vienetą.

Heteropolisacharidai mažiau ištirti, sutinkami gyvūnuose ir bakterijose. Jie paprastai būna

sujungti su baltymais ir dalyvauja formuojant tretinę baltymų struktūrą. Jungiamojo audinio

polisacharidai. Organizmo jungiamasis audinys yra oda, sausgyslės, kremzlės, plaukai, kraujagyslių

sienelės, sąnarių skystis ir t.t. Jie ne tik suteikia organizmui apibrėžtą formą, bet ir atlieka apsauginę

funkciją - sulaiko mikroorganizmus, virusus, toksinus ir nepraleidžia jų į organizmo vidų. Visų šių

organizmo dalių pagrindinė statybinė medžiaga yra polisacharidai. Tai heteropolisacharidai, dažniausiai

modifikuoti. Jie paprastai audiniuose būna sujungti su baltymų ar lipidų fragmentais.

Plačiausiai ištirti yra chondroitinsulfatai (oda, kremzlės, sausgyslės), gialuroninė rūgštis

(akies skaidrioji dalis, gyslos, sąnarių skystis) ir heparinas, kuriuo yra išklotos kraujagyslių vidinės

sienelės. Visi šie polisacharidai turi vieną bendrą savybę - visi jie turi linijinę struktūrą ir sudaryti iš

urono (D-gliukurono, D-galakturono, L-idurono) ir N-acetilheksozaminų (N-acetilgliukozamino arba

N-acetilgalaktozamino). Kai kurie poliosacharidai būna sulfoninti. Dažnai jungiamųjų audinių

polisacharidus vadina rūgščiais mukopolisacharidais (nuo lotyniško mucus -gleivė).

Hialurono rūgštis susideda iš disacharidų, sujungtų (14) tipo glikozidine jungtimi.

Hialurono rūgštis

-(1 4)

O

OH

OCH2OH

HNCOCH3

OOH

COOH

O

OH

OHO

-(1 3)

CH2OH

O OCOOH

HO HOHNCOCH3

D-Gliukurono rūgštis N-acetil-D-gliukozaminas

Disacharidinis fragmentas susideda iš D-gliukurono rūgšties ir N-acetil-D-gliukozamino,

sujungtų (13) tipo glikozidine jungtimi. Hialurono rūgšties molekulės masė siekia 2-7 mln daltonų.

Ji vandenyje sudaro klampius tirpalus ir jungiamajame audinyje sudaro patikimą barjerą prieš

mikrobus, tuo pačiu suteikdami jungiamajam audiniui pakankamą mechaninį lankstumą.

Gamtoje dažniausiai sutinkani polisacharidų junginiai su baltymais arba lipidais.

Priklausomai nuo jų santykio tokie polimerai vadinami proteoglikanais ir glikoproteinais.

Proteoglikanai tai junginiai, kuriuose didžiąją dalį sudaro angliavandeniai. Pvz.

jungiamojo audinio proteoglikanai. Peptido grandinė šiame polimere yra aglikonas. Su angliavandenio

grandine ji yra jungiasi tipo glikozidine jungtimi. Polipeptidas pateikia serino galinę hidroksigrupę.

Kadangi polipeptide serinas pasikartoja dažnai, todėl susidaro ištisas tinklas tokio junginio.

Hialurono rūgštis ir proteoglikanai sudaro sudėtingą kremzlės struktūrą. Struktūros

pagrindą sudaro hialurono rūgštis. Kas 10 monosacharidinių grandžių yra prijungtos chondriotinsulfao

proteoglikaninės grupės.

Bakterijų sienelių polisacharidai. Muraminas yra linijinis polimeras, kaip ir celiuliozė,

sudarytas iš (14) tipo jungtimis sujungto polisacharido, sudaryto iš N-acetilgliukozamino (A) ir N-

acetil muramo rūgšties (B). Murano rūgštis - tai gliukozaminas, prie kurio C-3 eterine jungtimi

prijungta pieno rūgštis.

N-Acetilgliukozaminas N-Acetilmuramo rūgštis

OCH2OH

OCH2OH

HNCOCH3

OOHO

H3CONHOCHCOOH

CH3

A B

Muraminas

Bakterijų sienelės sudarytos iš mureino, kuris yra peptidoglikanas. Sienelės karkasą sudaro

polisacharidas muraminas, kuris tarpusavyje "susiūtas" trumpais peptidais. Kiekviena polisacharido

grandinės B dalis savo karboksigrupe sudaro amidą su L-alaninu - pirmu iš keturių aminorūgščių

tetrapeptido. Kitu galu šis tetrapeptidas per tarpinę jungtį, susidedančią iš 5 glicino liekanų sujungtas su

kitos muramino grandinės lizino galine aminogrupe. Taip gaunamas labai tankus trimatis tinklas,

nepraleidžiantis į bakterijos vidų jokių pašalinių medžiagų. Mureino struktūra yra pakankamai atspari

išoriniam poveikiui, tačiau kai kurie fermentai katalizuoja mureino hidrolizę. Vienas tokių yra

fermentas lizocimas. Tuo paaiškinamas lizocimo antibakterinis veikimas.

Glikoproteinai taip pat yra angliavandenių ir baltymų junginiai, tik šiuo atveju

angliavandenių dalis junginyje yra palyginti nedidelė. Tai paprastai prie peptido grandinės, dažniausiai

per asparagino galinę grupę amidine jungtimi, arba per serino ar treonino galinę hidroksigrupes

glikozidine jungtimi, prijungti nuo vieno monosacharido iki kelių šimtų grandžių ilgio oligosacharidas.

Tokios struktūros sutinkamos fermentuose, imunoglobulinuose, hormonuose. Panašią struktūrą turi

mucinai (seilės, žarnyno ir bronchų gleivės ir t.t.).

Glikoproteinai lemia kraujo grupę. Tai peptidai, prie kurių prijungta iki 55

oligosacharidinių grandinių, kiekviena iš kurių susideda iš 21 - 23 monosacharidinių grandžių.

Oligosacharido neredukuojančiame gale esanti monosacharidų seka nulemia kraujo grupę. Ši seka

vadinama determinante. A grupės kraujo glikoproteinai gale turi N-acetilgalaktozaminą. B - grupės

kraujas - D-galaktozę, o 0 (H) grupės kraujas - L-fukozę.

4. LIPIDAI

Lipidams (lipos - graik. k. riebus) priskiriamos vidutinės molekulinės masės (100

- 5000 Da) vandenyje blogai tirpios medžiagos, iš organizmų ekstrahuojamos

organiniais tirpikliais, tokiais kaip chloroformas, eteris, benzolas ar metanolis. Tai

didelė įvairių junginių, besiskiriančių savo struktūra ir savybėmis, grupė. Ji apima

riebalus, vaškus, kai kuriuos vitaminus ir hormonus bei didžiają dalį ląstelių membranų

nebaltyminių komponentų. Lipidai plačiai paplitę gamtoje ir atlieka labai įvairias

funkcijas, iš kurių svarbiausios yra trys:

1. Sudaro biologinių membranų, gaubiančių ląsteles bei jų organoidus, struktūrinį

pagrindą.

2. Gerai tinka energijos kaupimui ir saugojimui.

3. Tarnauja pradine medžiaga prostaglandinų, vitaminų ir hormonų sintezei.

Lipidai yra labai heterogeniška junginių grupė, kurios nariai gali būti

klasifikuojami pagal keletą struktūrinių ir funkcinių kriterijų. Visų pirma, lipidai gali

būti skirstomi į dvi pagrindines klases - sumuilinamus (hidrolizuojamus šarmais) ir

nesumuilinamus. Sumuilinami lipidai toliau gali būti skirstomi į paprastuosius ir

sudėtinius. Paprastaisiais sumuilinamais lipidais vadinami junginiai, kuriuos

hidrolizuojant susidaro tik riebalų rūgštys ir alkoholis. Jie gali būti dvikomponenčiai, jei

juos hidrolizuojant susidaro vienos rūšies riebalų rūgštis, ir daugiakomponenčiai, jei

susidaro keletas skirtingų riebalų rūgščių. Sudėtiniams sumuilinamiems lipidams

priklauso junginiai, kurių hidrolizės metu be alkoholio ir riebalų rūgščių susidaro ir kiti

komponentai, tokie kaip fosforo rūgštis, aminoalkoholiai, angliavandeniai. Steroidiniai

bei terpeniniai junginiai priklauso nesumuilinamiems lipidams.

4.1. Riebalų rūgštys

Riebalų rūgštys išskiriamos iš riebalų juos hidrolizuojant. Tai dažniausiai

linijinės, be atšakų, angliavandenilių grandinės, gale turinčios karboksigrupę.

Bakterijose aptinkamos ir šakotos grandinės riebalų rūgštys. Biologinės kilmės riebalų

rūgštys paprastai turi lyginį anglies atomų skaičių grandinėje. Jose būna nuo 4 iki 22

anglies atomų, tačiau dažniausiai sutinkamos 16 - 18 anglies atomų ilgio riebalų rūgštys

(lentelė 1).

Gamtinės kilmės riebalų rūgštys Lentelė 1

Pavadinimas ir anglies atomų skaičius grandinėje

Formulė

Sviesto rūgštis C4

Heksano rūgštis C6

Oktano rūgštis C8

Dekano rūgštis C10

Lauro rūgštis C12

Miristo rūgštis C14

Palmitino rūgštis C16

Stearino rūgštis C18

Eikozano rūgštis C20

Oleino rūgštis C18:1

Linolo rūgštis C18:2

Linoleno rūgštis C18:3

Arachidono rūgštis C20:4

CH3(CH2)2-COOH

CH3(CH2)4-COOH

CH3(CH2)6-COOH

CH3(CH2)8-COOH

CH3(CH2)10-COOH

CH3(CH2)14-COOH

CH3(CH2)16-COOH

CH3(CH2)18-COOH

CH3(CH2)20-COOH

CH3 COOH910

CH3

COOH9101213

CH3 COOH91012131516

CH3

COOH9

12 15

8 6 5

11 14

Jos gali būti sočiosios, turinčios tik viengubus ryšius, ir nesočiosios, turinčios

vieną ar daugiau dvigubų ryšių. Nesočiųjų riebalų rūgščių sudėtyje esantys dvigubi

ryšiai visada yra cis konfigūracijos. Jei molekulėje yra keletas dvigubų ryšių, jie visada

izoliuoti vienas nuo kito metilenine grupe (nebūna konjuguoti). Pirmasis dvigubas ryšis

dažniausiai būna ne arčiau kaip tarp 9-ojo ir 10-ojo anglies atomų nuo karboksigrupės

galo. Gyvulinės kilmės riebaluose vyrauja sočiosios rūgštys, augalinių aliejų sudėtyje

daugiau nesočiųjų riebalų rūgščių, bet gamtiniai riebalai dažniausiai būna mišrūs, t.y.

sudaryti iš sočiųjų ir nesočiųjų rūgščių. Linų aliejuje vyrauja linoleno rūgšties, alyvų

aliejuje - oleino rūgšties esteriai, todėl jie skysti kambario temperatūroje. To paties

organizmo skirtinguose organuose gali būti skirtingos riebalų rūgštys. Žmogaus

organizme dažniausiai sutinkamos sočiosios palmitino ir stearino rūgštys, o iš nesočiųjų

daugiausia yra oleino, linolo, linoleno ir arachidono rūgščių. Linolo ir linoleno rūgštys

vadinamos nepakeičiamosiomis riebalų rūgštimis, nes tai žmogaus organizmo

nesintetinamos rūgštys, kurias reikia gauti su maistu. Jų daug yra augaliniuose aliejuose.

Ypač svarbų vaidmenį organizme atlieka arachidono rūgštis, iš kurios sintetinami

prostaglandinai.

Augaluose ir bakterijose taip pat sutinkamos riebalų rūgštys, savo sudėtyje

turinčios ciklopropaninius žiedus (cis-11,12-metilenoktadekano rūgštis) bei

hidroksirūgštys (2(3)-hidroksistearino rūgštis).

Nesočių rūgščių kiekį atspindi jodo skaičius, parodantis, kiek gramų jodo gali

prijungti 100 g riebalų.

-CH=CH- + J2 -CH CH-

J J

Riebalų rūgštys - silpni elektrolitai. Jų natrio ir kalio druskos vadinamos muilais.

Pramoniniu būdu muilai gaunami hidrolizuojant riebalus perkaitintais vandens garais

(dalyvaujant šarmams). Gyvuose organizmuose riebalus hidrolizuoja fermentai lipazės.

CH2-O-CO-C17H33

CH-O-CO-C15H31

CH2-O-CO-C17H35

NaOH CH2-OH

CH-OH

CH2-OH

+

C17H33COONaC15H31COONa

C17H35COONa

1-Oleo-2-palmitostearatas Glicerolis Natrio oleatas Natrio palmitatas Natrio stearatas Natrio muilai yra kieti, o kalio - skysti. Vandeniniai riebalų rūgščių druskų tirpalai

hidrolizuojasi, todėl muilų pH yra silpnai šarminis. Riebalų rūgščių druskos sudaro

tualetinio ir skalbimo muilo pagrindą, naudojamos emulsijų ir putų stabilizavimui.

Riebalų rūgštims būdingos tos pačios savybės, kaip ir kitoms organinėms

rūgštims. Jos sudaro esterius, amidus, anhidridus, dekarboksilinasi. Lipidai ir riebalai,

turintys nesočiųjų riebalų rūgščių, gali prijungti halogenus, hidrohaloge-nus arba

vandenilį. Vandenilio prijungimas vykdomas 160-200oC temperatūroje, 2 - 15

atmosferų slėgyje, dalyvaujant katalizatoriams nikeliui arba platinai. Taip iš augalinių

riebalų gaunamas margarinas, kuris yra hidrintų riebalų emulsija piene. Priedai, pvz.,

diacetilas, suteikia margarinui sviesto skonį ir kvapą.

Galimi keli riebalų rūgščių oksidacijos būdai. Nesočios riebalų rūgštys

oksiduojasi oro deguonimi (riebalų apkartimas). Pirmoji oksidacijos stadija yra

hidroperoksidų susidarymas. Reakcija vyksta pagal radikalinį mechanizmą. Radikalų

iniciatoriumi gali būti aukštos energijos elektromagnetiniai spinduliai (UV arba

rentgeno), taip pat geležies jonai.

RCH

CHCH2

R'

HO , HOO

RCH

CHCH

R'

O

OH2O

RCH

CHCH-OOH

R'

RCH

CH-OHCH-OOH

R'-C+ O

H

RCH

CH-OHC

R'COOH

* **

OH

R'

Organizme susidarę radikalai atakuoja kaimyninį dvigubai jungčiai anglies atomą.

Dvigubos jungties p elektronai stabilizuoja peroksidinį kompleksą, kuris,

prisijungdamas vandenį, virsta nesočiu alkoholiu. Pastarasis taip pat yra nestabilus ir

skyla į aldehidą bei jau trumpesnį, taip pat nesotų alkoholį, kuris toliau oksiduojasi į

aldehidą ir, galutinai, į rūgštį. Ląstelių membranos dėl oksidacijos procesų pažeistų

lipidų tampa laidžios įvairioms medžiagoms ir ląstelės žūva. Tai viena iš spindulinės

ligos pasekmių.

Oksiduojant lipidus peroksirūgštimis, susidaro epoksidai. Tikriausiai šiuo būdu

gamtoje sutinkama vernolo rūgštis, gaunama iš linolinės rūgšties.

R-CH= CH-R' +C

O

O-OH R-CH-CH-R'

O

CH3-(CH2)4-CH-CH-CH2-CH= CH-(CH2)7-CO

OH

O

Vernolo rūgštis

Oksiduojant nesočiąsias riebalų rūgštis silpnais oksidatoriais, esant švel-nioms

oksidacijos sąlygoms, gaunami glikoliai, o griežtesnėse sąlygose trūksta ryšys tarp

anglies atomų, ir susidarę grandinių galai oksiduojasi iki rūgščių. Iš riebalų rūgšties

susidaro trumpesnė rūgštis ir dikarboksirūgštis.

4.2. Riebalai (triacilgliceroliai)

Riebalai yra gausiausia lipidų grupė, kurios nariai pasižymi gana paprasta

struktūra. Riebalai yra glicerolio ir riebalų rūgščių esteriai, dar vadinami

triacilgliceroliais arba trigliceridais.

CH2O

CH2O

CHO

CO

CO

CO

-(CH2)n-CH3

-(CH2)n-CH3

-(CH2)n-CH3

Triacilglicerolis

Skysti riebalai (dažniausiai augalinės kilmės) vadinami aliejais. Riebalai yra

pagrindinė energetinių atsargų forma tiek augalų, tiek ir gyvūnų ląstelėse. Riebalų

skaidymo metu išlaisvinama du kartus daugiau energijos, negu jos gaunama skaidant

gliukozę ar baltymus. Riebalai sudaro apie 21% žmogaus kūno masės (moterų - apie

26%). Šių riebalų užtektų 2 – 3 mėnesius tenkinti organizmo energetines reikmes.

Paprastųjų triacilglicerolių molekulėse ta pačia riebalų rūgštimi esterifikuotos

visos trys glicerolio hidroksigrupės. Mišrių triacilglicerolių sudėtyje yra 2 arba 3

skirtingos riebalų rūgštys. Gamtiniai riebalai yra paprastųjų ir mišriųjų triacilglicerolių

mišiniai. Triacilgliceroliai ir jų dariniai plačiai naudojami gaminant muilą, lakus, rašalą

spausdintuvams, gydomuosius tepalus ir kosmetinius kremus.

4.3. Vaškai

Vaškai yra ilgas grandines turinčių riebalų rūgščių ir aukštesniųjų

monohidroksilinių alkoholių esteriai Dėl dviejų ilgų angliavandenilinių grandinių

vaškai visiškai netirpūs vandenyje. Vaškai plastiški ir inertiški, gali suformuoti puikią

apsauginę dangą, atstumiančią vandenį. Sudarydami apsauginę plėvelę, jie apsaugo

paukščių plunksnas, gyvūnų kailį nuo sušlapimo, augalų lapus ir vaisius nuo

išdžiūvimo. Palmitino rūgšties cetilo esteris sudaro spermaceto pagrindą.

Cetilpalmiatas

CH3-(CH2)14-CO

O-CH2-(CH2)14-CH3

CH3-(CH2)14-CO

O-CH2-(CH2)29-CH3

Miricilpalmiatas

(bičių vaškas)

Spermacetas yra pagrindinė sudedamoji lūpų dažų, kosmetinių kremų ir tepalų

dalis. Anksčiau spermacetą gaudavo iš kašaloto smegenų. Dabar jis yra sintetinamas.

Kosmetinėms priemonėms naudojamas vaškas lanolinas išskiriamas plaunant avių vilną.

Palmitino rūgšties miricilo esteris yra pagrindinė bičių vaško sudedamoji dalis.

4.4. Glicerofosfolipidai.

Hidrolizuojant biologines membranas sudarančius lipidus, be polihidroksi-linio

alkoholio (dažniausiai glicerolio) ir riebalų rūgščių, dar susidaro ir fosforo rūgštis. Tai

rodo, kad viena iš glicerolio hidroksigrupių dalyvauja esterio su fosfo-ro rūgštimi

sudaryme. Glicerofosfolipidai - pagrindiniai biologinių membranų komponentai.

Glicerofosfolipidų struktūros pagrindą sudaro L-glicerolio-3-fosfatas:

Gamtiniuose fosfolipiduose prie pirmojo glicerolio anglies atomo esanti

hidroksigrupė yra esterifikuojama sočiąja, o vidurinė - dažniausiai nesočiąja riebalų

rūgštimi (pav. 4.1).

Pav. 4.1.

Fosfolipiduose viena iš dviejų likusių fosforo rūgšties hidroksigrupių (pav. 4.1 X

padėtyje) yra esterinta alkoholiu arba aminoalkoholiu, iš kurių svarbiausi yra šie:

Junginiai, kurių viena iš fosforo rūgšties hidroksigrupių esterinta serinu, vadinami

fosfatidilserinais. Jeigu vietoje serino yra etanolaminas, tokie fosfolipidai vadinami

fosfatidiletanolaminais arba kefalinais, o jeigu fosforo rūgštis esterinta cholinu - tai

fosfatidilcholinais arba lecitinais.

Fosfatidiletanolaminas

Fosfatidilserinas

Jeigu fosforo rūgštis nesudariusi esterio (pav. 4.1. X = H), toks junginys

vadinamas fosfatidine rūgštimi. Nors fosfatidinė rūgštis tesudaro 1-5 % bendro

fosfolipidų kiekio, ji labai svarbi kaip kitų fosfolipidų pirmtakas. Fosfatidilglicerolis –

fosfatidinės rūgšties darinys, kuriame fosforo rūgštis esterinta, prijungiant dar viena

glicerolio molekulę. Šis fosfolipidas, gausiai randamas bakterijų ir augalų ląstelėse

(daugiau nei 20 % bendro fosfolipidų kiekio), gyvūnų audiniuose gana retas.

Fosfatidilglicerolis

Glicerolis gali esterinti ir dvi fosfatidinės rūgšties molekules.

Difosfatidilglicerolis (kardiolipinas), savo sudėtyje turintis tris glicerolio, keturias

riebalų rūgščių ir dvi fosforo rūgšties liekanas, gyvūnų ląstelėse randamas tik

mitochondrijų vidinėje membranoje, bet augaluose ir bakterijose sudaro 5-10 % visų

fosfolipidų.

Kardiolipinas

Nervų ir širdies raumens audinių membranose randami lipidai, kuriuose prie

glicerolio 1-ojo anglies atomo eterine jungtimi prijungtas kitokia nei riebalų rūgštis

grupė, pvz., ilga alkoholio grandinė. Tokio tipo lipidai yra vadinami plazmalogenais.

Fosforo rūgšties liekana plazmalogenuose dažniausiai esterinta etanolaminu

(etanolamino plazmalogenas) arba cholinu (cholino plazmalogenas).

Etanolaminoplazmalogenas

Būdinga glicerofosfolipidų savybė yra amfifiliškumas - jie turi ilgą hidrofobinę

riebalų rūgščių uodegą ir hidrofilinę polinę galvą (pav. 4.1). Polinę galvą sudaro (kai pH

7.0) neigiamos fosforo rūgšties grupės bei polinės prie fosfato prijungto esteriniu ryšiu

darinio grupės. Cholino ir etanolamino glicerofosfolipidai yra cviterjonai - jų

fosforilinės grupės turi neigiamą krūvį, o azoto atomai - teigiamą. Fosfatidilserino

fosforo rūgšties grupės ir serino karboksigrupė turi neigimą krūvį, o serino aminogrupė

- teigiamą. Inozitolį ir glicerolį sudėtyje turinčių glicerofosfolipidų krūvį lemia fosforo

rūgšties grupės.

4.5. Sfingolipidai

Savo struktūra sfingolipidai panašūs į glicerofosfolipidus, tik vietoje glicerolio yra

aminoalkoholis sfingozinas:

Sfingozinas

Susidarant sfingolipidams esterifikuojamos abi sfingozino hidroksigrupės.

Acilinus sfingozino aminogrupę riebalų rūgštimi, gaunami sfingozino amidai -

ceramidai:

Ceramidas

Ceramidai turi dvi hidrofobines uodegas ir tuo panašus į diacilglicerolius. Kaip ir

diacilgliceroliai, ceramidai atlieka antrinio tarpininko vaidmenį viduląsteliniame signalo

perdavime. Įvairūs nedidelės molekulinės masės junginiai gali jungtis prie 1-ojo anglies

atomo per hidroksigrupę. Sfingomielinai (kitaip ceramido fosfocholinai), žinduolių

audiniuose labiausiai paplitę sfingolipidai, nerviniame audinyje atlieka pagrindinio

membranų struktūrinio lipido vaidmenį.

Sfingomielinai yra vieninteliai sfingolipidai, turintys fosforo. Daugeliu savybių jie

panašūs į cholino glicerofosfolipidus. Kiekvieno audinio sfingomielinams yra būdinga

specifinė riebalų rūgščių sudėtis. Pvz., neuronų mielino dangalo sfingomielinų sudėtyje

yra daug ilgą grandinę (iki 24 anglies atomų) turinčių riebalų rūgščių.

Glikosfingolipidai savo sudėtyje turi angliavandenių, dažniausiai D-galaktozės, ir

neturi fosforo rūgšties ir prie jos prijungtų grupių. Glikosfingolipidų molekulėse

sacharidas -glikozidiniu ryšiu prijungtas prie ceramido 1-ojo anglies atomo

hidroksigrupės. Tipiški jų atstovai yra cerebrozidai ir gangliozidai. Cerebro-zidai

(monoheksozilceramidai) yra sfingozino, riebalų rūgščių ir monosacharidų dariniai, o

gangliozidai sudaryti iš sfingozino, riebalų rūgščių ir oligosacharido. Cerebroziduose

prie ceramido prijungta gliukozė (gliukocerebrozidai) arba galaktozė

(galaktocerebrozidai).

OCH2OH

HH

OHH

OH

OH

HH

O CH3

C NH C

O

R

C

H

CH=CH-RHO

H

OCH2OH

HOH

H

OH

OH

HH

O CH3

C NH C

O

R

C

H

CH=CH-RHO

H

H

gliukocerebrozidas galaktocerebrozidas

Cerebrozidai yra neutralūs junginiai, į kurių sudėtį įeinančios riebalų rūgštys turi

iki 22-26 anglies atomų. Galaktocerebrozidai, kurių cukraus 3-oji hidroksigrupė

esterinta sulfatu, suteikiančiu neigiamą krūvį, vadinami sulfatidais. Globozidais

vadinami ceramido dariniai, turintys dvi ir daugiau monosacharidų grupes (paprastai

galaktozės, gliukozės ar N-acetilgalaktozamino). Eritrocitų membranai būdingas

laktozilceramidas (ceramid--glc(4ß1)--gal).

Laktozilceramidas

Eritrocitų glikosfingolipidai lemia kraujo grupę ABO sistemoje.

Pati sudėtingiausia glikosfingolipidų grupė yra gangliozidai, kurie sudaro 5 - 8%

bendro smegenų lipidų kiekio. Gangliozidai nuo cerebrozidų skiriasi tuo, kad vietoje

monosacharidų į jų sudėtį įeina oligosacharidai. Be to, jų molekulėse oligosacharidai

sujungti su viena ar daugiau sialo rūgšties (acilintos neuramino, dažniausiai N-

acetilneuramino rūgšties, sutrumpintai NANA) grupių.

N-acetilneuramino (sialo) rūgštis (a-hemiacetalinė forma)

Žinoma apie 20 gangliozidų tipų. Tai amfifiliniai, neutralioje terpėje neigiamai

įkrauti junginiai, besiskiriantys oligosacharido dydžiu, jo sudėtimi ir seka. Gangliozidai

pirmą kartą buvo aptikti ganglijose, iš ko ir kilo jų pavadinimas. Būdami plazminės

membranos sudėtine dalimi, jie vaidina svarbų vaidmenį tarpląstelinių kontaktų

sudaryme, ląstelių atpažinime. Gangliozidai specifiškai suriša kai kuriuos virusus,

choleros, botulizmo, stabligės toksinus, taip pat tokias medžiagas kaip strichninas,

brucinas.

Sfingolipidai skirstomi į neutralius ir rūgštinius. Tokio skirstymo schema pateikta

pav. 4.2, kur cer pažymėtas ceramidas, Glu - gliukozė, Gal - galaktozė, NAcGal - N-

acetil-galaktozė, NANA - N-acetilneuramino rūgštis.

Pav. 4.2. Sfingolipidai Biologinės membranos. Fosfolipidams būdinga tai, kad jie yra giminingi tiek

lipofilinei, tiek ir hidrofilinei aplinkai. Nepolinis lipido galas sudarytas iš dviejų riebalų

rūgščių alifatinių grandinių, o karboksi-, fosfato ir cholino grupės sudaro lipido

molekulės hidrofilinę galvutę (pav. 4.1).

Amfifiliniai lipidai fazių skyrimo riboje suformuoja ištisinį monosluoksnį.

Dirbtinės fosfolipidų membranos, sudarytos iš dvigubo fosfolipidų sluoksnio, yra gana

tvirtos mechaniniu požiuriu ir, būdamos nelaidžios jonams, pasižymi didele elektrine

varža. Membranos sudėtyje fosfolipidų sluoksniai taip orientuoti erdvėje, kad jų

lipofilinės grandinės nukreiptos į membranos vidų, o į išorėje esantį vandeninį tirpalą

lipidai atsukę hidrofilines galvutes

Pav. 4.3.

Biologinėse membranose lipidai sudaro nuo 25 iki 90 % membranos masės. Kitą

membranų masės dalį sudaro įvairiais būdais įterpti baltymai (pav. 4.4) bei paviršiniai

polisacharidai.

Pav. 4.4.

LITERATŪRA

Chemijos terminų aiškinamasis žodynas. Mokslo ir Enciklopedijų leidybos institutas. Vilnius. 1997.

B. Juodka. Nukleino rūgščių chemijos ir biochemijos pagrindai. Mokslas. Vilnius. 1988. T.M. Devlin. Textbook of biochemistry with clinical correlations, 4th ed., A.J.Wiley and sons, inc.

NY. Chichester. Weinheim. Brisbane. Singapure. Toronto. 1997. R.H.Garret, C.M. Grisham. Biochemistry. Saunders College Publishing. NY. 1995. L. Stryer. Biochemistry, 4th ed., W.H. Freeman and Co. N.Y. 1995. A.L. Lehninger, D.L. Nelson, M.M. Cox. Principles of Biochemistry, 2nd ed. Worth. N.Y. 1993. H. Lodish, D. Baltimore, A.Berk, S.L. Zipursky, P. Matsudaira, J. Darnell. Molecular Cell Biology,

3rd ed. Scientific American Books. N.Y. 1995. D. Voet, J.G. Voet. Biochemistry, 2nd edition, John Wiley &Sons, Inc. NY. Chichester. Brisbane.

Toront. Singapore. 1995. M. Becker, J.B. Reece, M.F. Poenie. The world of the cell, 3rd edition. The Benjamin/Cummings

Publishing Company. NY. Wokingham. UK. Amsterdam. Bonn. etc. 1995. Ю. А. Овчинников. Биоорганическая химия. Просвещение. Москва. 1987.

Iliustracijoms ruoрti panaudotas kompaktinis diskas T.M. Devlin. Textbook of biochemistry with clinical correlations, 4th ed., A.J.Wiley and sons. NY. Chichester. Weinheim. Brisbane. Singapure. Toronto. 1997.

Mokymo priemonė skirta pagrindinių studijų biologinio profilio studentams suteikti esmines žinias apie

gamtinių junginių klases, jų struktūrą, chemines ir fizines savybes, svarbiausiais biologines jų funkcijas.

Vida Mildažienė, Jurgis Kadziauskas, Rimantas Daugelavičius, Valdas Laurinavičius, Zita Naučienė, Daiva Bironaitė STRUKTŪRINĖ BIOCHEMIJA Mokymo priemonė

Tiražas 700 egz. Užsakymo Nr. 1999 10 01 Leidėjas - Vytauto Didžiojo Universitetas (S. Daukanto 28, Kaunas) SL 1557