Структура полисахаров
В то время как белки образуют главную структурную основу всех тканей животных, полисахара являются доминирующими веществами в растительном царстве. Точно так же, как белки и нуклеиновые кислоты, поли-сахара образуются при соединении друг с другом большого числа однотипных остатков (рис. 12). Однако в этом случае остатки построены из молекул Сахаров. Хорошо известный сахар — глюкоза составляет главную часть полисахаров, представляющих очень большой интерес, именно — целлюлозы, образующей основу структуры большинства растений, и крахмала, который входит в состав важных пищевых продуктов. Сахарные кольца, которые встречаются в этих полисахарах, представлены на рис. 13. Две изображенные модификации глюкозы — а-глюкоза и (3-глю-коза — содержатся соответственно в крахмале и целлюлозе.
Рис. 12. Повторяющиеся группы в цепях полисахаров
Рис. 13. Молекулярная структура a-глюкозы и b-глюкозы. Направление связи C1O1 и С4О4 приблизительно перпендикулярно в первом случае и приблизительно параллельно во втором
Схема связей, появляющихся при соединении остатков глюкозы, для обоих их типов показана на рис. 14. Можно видеть, что в случае b-глюкозы цепь имеет удлиненную, почти вытянутую конформацию. Эта конфор-мация встречается, например, в волокнах хлопка (который является одним из лучших примеров целлюлозы), а также в древесине. Высокая степень жесткости растянутой цепочки обеспечивает основной запас прочности целлюлозных волокон. Несколько волокон могут агрегировать боковыми поверхностями, вследствие чего они становятся нерастворимыми в воде. С другой стороны, при наращивании цепочки а-глюкозы, по способу соединения двух остатков, изображенному на рис. 14 а, молекулярная цепь начинает скручиваться и возникают взаимодействия между вновь образованными сегментами и сегментами в начале цепочки. Вследствие этого амилоза — полимер a-глюкозы — имеет в высшей степени свернутую структуру, что хорошо установлено экспериментальными исследованиями растворов крахмала. В действительности такие цепочки могут также циклизоваться, образуя шести- и девятичленные кольца циклической молекулы амилозы. Эти соединения также хорошо известны.
Рис. 14. Два соседних остатка a-глюкозы, ориентированных относительно друг друга в соответствии с допустимыми значениями углов вращения Ф и Y. В этом полимере цепочка может закручиваться, меняя направление цепи на противоположное и образуя таким образом растворимый крахмал (а). В случае b-глюкозы при допустимых значениях Ф и Y цепочка оказывается почти вытянутой и негибкой (б). Такие цепи агрегируют друг с другом боковыми поверхностями, образуя прочные волокна, такие, как, например, волокна древесины и других растений
Разница в соединении остатков а и b-глюкозы определяет различие физических и химических свойств важнейших веществ, содержащих глюкозу и присутствующих в растениях. Природа связей между соседними структурными единицами и образование изгибов цепей или спиральных структур в цепях полисахаров (полимеров Сахаров разных типов) исследовались в течение последних десяти лет в прежней лаборатории автора в Мадрасе, главным образом доктором В. С. Р. Рао и его коллегами. Как уже указывалось, эти теоретические исследования четко показывают, что можно ожидать или жесткой компактной структуры, подобной той, которая реализуется для целлюлозы в древесине или стеблях растений, или очень гибкой, с образованием растворимого вещества, которая характерна для амилозы или крахмала, легко перевариваемых в организме человека в противоположность целлюлозе.
В то же время пищеварительная система таких животных, как коровы, лошади и другие травоядные, содержит специальный фермент — целлюлазу, который переваривает целлюлозу, превращая ее сначала в глюкозу.
Теория также предсказывает, что в соответствующих условиях амилоза может образовать спираль, но эта спираль должйа иметь большой диаметр и малую высоту витка с большой пустой полостью в центре. Крупные атомы, такие, как атом иода, могут поместиться в эту центральную полость. Это является причиной характерной реакции крахмала на иод с образованием голубого комплекса.