Гликозидная связь имеет важное биологическое значение, потому что именно с помощью этой связи осуществляется ковалентное связывание моносахаридов в составе олиго- и полисахаридов. При образовании гликозидной связи аномерная ОН-группа одного моносахарида взаимодействует с ОН-группой другого моносахарида или спирта. При этом происходят отщепление молекулы воды и образование О-гликозидной связи. Все линейные олигомеры (кроме дисахаридов) или полимеры содержат мономерные остатки, участвующие в образовании двух гликозидных связей, кроме концевых остатков, образующих только одну гликозидную связь. Некоторые гликозидные остатки могут образовывать три гликозидные связи, что характерно для разветвлённых олиго- и полисахаридов. Олиго- и полисахариды могут иметь концевой остаток моносахарида со свободной аномерной ОН-группой, не использованной при образовании гликозидной связи. В этом случае при размыкании цикла возможно образование свободной карбонильной группы, способной окисляться. Такие олиго- и полисахариды обладают восстанавливающими свойствами и поэтому называются восстанавливающими, или редуцирующими.
Рис. 7-6. Строение полисахарида. A. Образование α-1,4- и α-1,6-гликозидных связей. Б. Строение линейного полисахарида: 1 — α-1,4-гликозидные связи между мономерами; 2 — невосстанавливающий конец (невозможно образование свободной карбонильной группы у аномерного углерода); 3 — восстанавливающий конец (возможно размыкание цикла с образованием свободной карбонильной группы у аномерного углерода).
Аномерная ОН-группа моносахарида может взаимодействовать с NН2-группой других соединений, что приводит к образованию N-гликозидной связи. Подобная связь присутствует в нуклеотидах и гликопротеинах.
Этерификация. Это реакция образования эфирной связи между ОН-группами моносахаридов и различными кислотами. В метаболизме углеводов важную роль играют фосфоэфиры — эфиры моносахаридов и фосфорной кислоты. В метаболизме глюкозы особое место занимает глюкозо-6-фосфат. Образование глюкозо-6-фосфата происходит в ходе АТФ-зависимой реакции при участии ферментов, относящихся к группе киназ. АТФ в данной реакции выступает как донор фосфатной группы. Фосфоэфиры моносахаридов могут образовываться и без использования АТФ. Например, глюкозо-1-фосфат образуется из гликогена при участии Н3РО4. Физиологическое значение фосфоэфиров моносахаридов заключается в том, что они представляют собой метаболически активные структуры. Реакция фосфорилирования моносахаридов важна для метаболизма ещё и потому, что клеточная мембрана мало проницаема для этих соединений, т.е. клетка удерживает моносахариды благодаря тому, что они находятся в фосфорилированной форме.
Окисление и восстановление. При окислении концевых групп глюкозы -СНО и -СН2ОН образуются 3 различных производных. При окислении группы -СНО образуется глюконовая кислота. Если окислению подвергается концевая группа -СН2ОН, образуется глюкуроновая кислота. А если окисляются обе концевые группы, то образуется сахарная кислота, содержащая 2 карбоксильные группы. Восстановление первого углерода приводит к образованию сахароспирта — сорбитола.
33) Крахмал и целлюлоза. Особенности строения. Свойства.
П
олисахариды – высокомолекулярные продукты поликонденсации моносахаридов, связанных между собой гликозидными связями. Крахмал и целлюлоза относятся к полисахаридам.
Крахмал — бесцветное кристаллическое вещество, не растворяется в холодной воде. В горячей воде он разбухает и образует коллоидный раствор — крахмальный клейстер (при этом амилоза, как составная часть крахмала, растворяется в горячей воде, а амилопектин только набухает). Крахмал содержится в цитоплазме растительных клеток в виде зерен запасного питательного вещества. Целлюлоза, выделенная из природных материалов (например, вата или фильтровальная бумага), представляет собой твердое волокнистое вещество, нерастворимое в воде. Оба полисахарида имеют растительное происхождение, однако играют в клетке растений разную роль: целлюлоза — строительную, конструкционную функцию, а крахмал — запасающую. Поэтому целлюлоза является обязательным элементом клеточной оболочки растений.
Сходства и различия между крахмалом и целлюлозой:Строение крахмала: Структурное звено – остаток циклической молекулы α — глюкозы. Степень полимеризации от нескольких сотен до нескольких тысяч. Молярная масса достигает нескольких сотен тысяч г/моль. Структура макромолекул: гомополисахариды линейная (амилоза) и разветвленная (амилопектин). В крахмале на долю амилозы приходится 10–20 %, а на долю амилопектина – 80–90 %.
1) Образование глюкозы в результате полного гидролиза: (С6Н10O5)n + nН2О —> nС6Н12O6.
2) Образование сложных эфиров за счет гидроксигрупп (практического значения не имеет).
3) Качественная реакция с йодом – синее окрашивание.
В желудочном тракте человека и животного крахмал поддаётся гидролизу и превращается в глюкозу, которая усваивается организмом. В пищеварительном тракте животных крахмал подвергается сложному ступенчатому гидролизу:
крахмал —> декстрины —> мальтоза —> глюкоза
Строение целлюлозы: Структурное звено – остаток циклической молекулы β — глюкозы. Степень полимеризации от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч. Молярная масса достигает нескольких миллионов г/моль. Структура макромолекул: линейная.
Химические свойства: клетчатки
1) Образование глюкозы в результате полного гидролиза: (С6Н10O5)n + nН2О —> nС6Н12O6.
2) Образование сложных эфиров за счет гидроксигрупп: при взаимодействии с азотной кислотой (в присутствии серной кислоты) – мононитратов, динитратов и тринитратов; при взаимодействии с уксусной кислотой (или уксусным ангидридом) – диацетатов и триацетатов. Все сложные эфиры получили широкое применение.
3) Реакции с йодом не дает.
Организм человека не приспособлен к перевариванию целлюлозы, так как не имеет ферментов, необходимых для разрыва связей между остатками ß-глюкозы в макромолекуле целлюлозы. Лишь у термитов и жвачных животных (например, коров) в пищеварительной системе живут микроорганизмы, вырабатывающие необходимые для этого ферменты.
Состав этих полисахаридов можно выразить общей формулой (С6Н10О5)n. Число повторяющихся звеньев в макромолекуле крахмала может колебаться от нескольких сотен до нескольких тысяч. Целлюлоза же отличается значительно большим числом звеньев и, следовательно, молекулярной массой, которая достигает нескольких миллионов.
34) Гликоген, структура, химическая природа и биологическая роль.
Г
ликоген — (C6H10O5)n, полисахарид, образованный остатками глюкозы. Гликоген схож с амилопектином, он построен из остатков α – D – глюкопиранозы со связями в линейных участках α-1→4 связями и разветвленных α-1→6 местах; основной запасной углевод животных. Состоит гликоген из сильно разветвленных молекул большого размера, содержащих десятки тысяч остатков глюкозы. Гликоген является основной формой хранения глюкозы в животных клетках. Откладывается в виде гранул в цитоплазме во многих типах клеток (главным образом печени и мышц).
Гликоген иногда называется животным крахмалом, так как его структура похожа на амилопектин — компонент растительного крахмала. В отличие от крахмала, гликоген имеет более разветвленную и компактную структуру. Сильно разветвленная структура гликогена способствует выполнению энергетической функции, т.к. только при наличии большого числа концевых остатков можно обеспечить быстрое отщепление нужного количества молекул глюкозы. Гликоген, в отличие от крахмала, дает с йодом красно-бурое окрашивание.
Гликоген – белый аморфный порошок, хорошо растворим в воде, молекулярная масса колеблется от 10 6 до 10 9 . Под действием кислот гликоген гидролизуется до декстринов, а затем до глюкозы. В организме он расщепляется под действием ферментов до глюкозы.
Биологическая роль гликогена:
1. Гликоген является основным резервом глюкозы в организме. Он способен синтезироваться во всех тканях, но его наибольшие запасы находятся в печени и в скелетных мышцах. В мышцах гликоген накапливается в период восстановления после работы, в печени – только после еды, в основном после приёма богатой углеводами пищи. Общая масса гликогена в печени может достигать 100—120 граммов у взрослых. Небольшое количество гликогена обнаружено в почках, и ещё меньшее — в определённых видах клеток мозга (глиальных) и белых кровяных клетках. В качестве запасного углевода гликоген присутствует также в клетках грибов.
2. Резервы гликогена могут использоваться различным способом, в зависимости от функциональной потребности клетки. Гликоген печени расщепляется при снижении уровня глюкозы в крови, наиболее часто между приёмами пищи. Через 12-18 часов полного голодания запасы гликогена в печени полностью истощаются.
Запасы гликогена мышц снижаются во время длительной и напряжённой физической нагрузки, он необходим для обеспечения энергией работающих миоцитов, т.е используется для собственных нужд мышечной ткани. Такова же роль гликогена, содержащегося в других органах.
3. Постоянный уровень глюкозы в крови поддерживает только печень. Образующаяся за счёт распада гликогена глюкоза выходит через мембрану клетки печени (гепатоцита) в кровь.
35) Сложные углеводы. Классификация. Особенности физико-химических свойств.
Углево́ды (сахара́, сахариды) — органические вещества, содержащие карбонильную группу и несколько гидроксильных групп. УГЛЕВОДЫ – главный источник энергии в организме человека. Все углеводы состоят из отдельных «единиц», которыми являются сахариды. По способности к гидролизу на мономеры углеводы делятся на две группы: простые и сложные. Углеводы, содержащие одну единицу, называются моносахариды, две единицы – дисахариды, от двух до десяти единиц — олигосахариды, а более десяти — полисахариды. Сложные углеводы являются продуктами поликонденсации простых сахаров (моносахаридов) и, в отличие от простых, в процессе гидролитического расщепления способны распадаться на мономеры, с образованием сотни и тысячи молекул моносахаридов.
Почти все полисахариды, за редким исключением, которые есть в пище человека – это полимеры глюкозы. У растений сложные углеводы в виде целлюлозы и крахмала представлены, у животных в виде гликогена.
К сложным углеводам относятся: низкомолекулярные (олигосахариды) и высокомолекулярные (полисахариды). Последние — соединения с большой молекулярной массой, в состав которых могут входить остатки сотен тысяч простых углеводов.
О
лигосахариды — самые простые углеводы из сложных, состоят из нескольких остатков моносахаридов. Они делятся на дисахариды, трисахариды и т.д. Для человека наиболее важны дисахариды: сахароза, мальтоза, лактоза. Сахароза (тростниковый сахар, свекловичный сахар). При ее гидролизе образуются глюкоза и фруктоза. Следовательно, молекула сахарозы состоит из остатков глюкозы и фруктозы. В построении молекулы сахарозы глюкоза и фруктоза участвуют своими полуацетальными гидроксилами. Сахароза — невосстанавливающий сахар. Сахароза — наиболее известный и широко применяемый в питании и пищевой промышленности сахар. Содержится в листьях, стеблях, семенах, плодах, клубнях растений.
Мальтоза (солодовый сахар) — в желудочно-кишечном тракте превращается в два остатка глюкозы. Лактоза (молочный сахар) — содержится в молоке, плохо усваивается у взрослого человека. В организме ребенка под действием специального фермента лактоза быстро усваивается, у взрослого же она проходит до самого толстого кишечника, начинает бродить, образуя большое количество токсинов и газов. Все это из-за отсутствия в организме взрослого фермента «лактазы». Роль его на себя берут другие ферменты, и если у них это не получается возникает стойкая непереносимость к молочным продуктам. В кисло-молочных продуктах лактоза разрушена бактериями в результате брожения, поэтому они легко усваиваются.
Свойства олигосахаридов — растворяются в воде, кристаллизуются, сладкий вкус уменьшается по мере увеличения числа остатков моносахаридов. Связь, образующаяся между двумя моносахаридами, называется гликозидной.
Полисахариды — углеводы, состоящие из нескольких молекул глюкозы, соединённых вместе. Вызывают меньший скачок уровня сахара крови. К ним относятся: декстрин, целлюлоза, крахмал, гликоген (животный полисахарид) и др. Полисахариды необходимы для жизнедеятельности животных и растительных организмов. Они являются одним из основных источников энергии, образующейся в результате обмена веществ организма.
1. Перевариваемые (крахмал, гликоген)
2. Неперевариваемые (целлюлоза или клетчатка, гемицеллюлоза, пектиновые вещества).
Моно- и олигосахариды имеют сладкий вкус, поэтому их называют сахарами. Однако они относятся к разным видам углеводов. Полисахариды не имеют сладкого вкуса. Но и сахара имеют разный уровень сладости. Сахароза (свекольный или тростниковый сахар) — расщепляется до глюкозы или фруктозы. Сахароза, как и глюкоза, превращается в триглицериды, которые откладываются в жиры. Это одна из причин, почему сахароза не используется в пищевых добавках.
Свойства полисахаридов — не растворяются или плохо растворяются в воде, не образуют ясно оформленных кристаллов, не имеют сладкого вкуса.
Клетчатка — самый распространенный высокомолекулярный полимер. Это основной компонент и опорный материал клеточных стенок растений. Клетчатка нерастворима в воде и при обычных условиях не гидролизуется кислотами. При повышенных температурах при гидролизе образуется в качестве конечного продукта D-глюкоза. В ходе гидролиза постепенно идет деполимеризация крахмала и образование декстринов, затем мальтозы, а при полном гидролизе глюкозы. ( см вопрос 33 и 34 про крахмал, гликоген, целлюлоза).
36) Углеводы полимерного строения (полисахариды). Особенности их структуры. Свойства.
Полисахари́ды — общее название класса сложных высокомолекулярных углеводов, молекулы которых состоят из десятков, сотен или тысяч мономеров — моносахаридов. С точки зрения общих принципов строения в группе полисахаридов возможно различить гомополисахариды, синтезированные из однотипных моносахаридных единиц и гетерополисахариды, для которых характерно наличие двух или нескольких типов мономерных остатков.
Гомополисахариды (гликаны), состоящие из остатков одного моносахарида, могут быть гексозами или пентозами, то есть в качестве мономера может быть использована гексоза или пентоза. В зависимости от химической природы полисахарида различают глюканы (из остатков глюкозы), маннаны (из маннозы), галактаны (из галактозы) и другие подобные соединения. К группе гомополисахаридов относятся органические соединения растительного (крахмал, целлюлоза, пектиновые вещества), животного (гликоген, хитин) и бактериального (декстраны) происхождения.
Полисахариды необходимы для жизнедеятельности животных и растительных организмов. Это один из основных источников энергии организма, образующейся в результате обмена веществ. Полисахариды принимают участие в иммунных процессах, обеспечивают сцепление клеток в тканях, являются основной массой органического вещества в биосфере.
Крахма́л (C6H10O5)n — смесь двух гомополисахаридов: линейного — амилозы и разветвлённого — амилопектина, мономером которых является альфа-глюкоза. Белое аморфное вещество, не растворимое в холодной воде, способное к набуханию и частично растворимое в горячей воде. Крахмал, синтезируемый разными растениями в хлоропластах, под действием света при фотосинтезе, несколько различается по структуре зёрен, степени полимеризации молекул, строению полимерных цепей и физико-химическим свойствам. Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10—30 %, амилопектина — 70—90 %. Молекула амилозы содержит в среднем около 1 000 остатков глюкозы, связанных между собой альфа-1,4-связями. Отдельные линейные участки молекулы амилопектина состоят из 20—30 таких единиц, а в точках ветвления амилопектина остатки глюкозы связаны межцепочечными альфа-1,6-связями. При частичном кислотном гидролизе крахмала образуются полисахариды меньшей степени полимеризации — декстрины (C6H10O5)p, а при полном гидролизе — глюкоза.
Гликоге́н (C6H10O5)n — полисахарид, построенный из остатков альфа-D-глюкозы — главный резервный полисахарид высших животных и человека, содержится в виде гранул в цитоплазме клеток практически во всех органах и тканях, однако, наибольшее его количество накапливается в мышцах и печени. Молекула гликогена построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей, в линейной последовательности которых, остатки глюкозы соединены посредством альфа-1,4-связями, а в точках ветвления межцепочечными альфа-1,6-связями. По химическому строению гликоген близок к амилопектину с более выраженной разветвлённостью цепей, поэтому иногда называется неточным термином «животный крахмал». Гликоген образует энергетический резерв, который при необходимости восполнить внезапный недостаток глюкозы может быть быстро мобилизован — сильное разветвление его молекулы ведёт к наличию большого числа концевых остатков, обеспечивающих возможность быстрого отщепления нужного количества молекул глюкозы. Только гликоген, запасённый в клетках печени (гепатоцитах) может быть переработан в глюкозу для питания всего организма, при этом гепатоциты способны накапливать до 8 процентов своего веса в виде гликогена, что является максимальной концентрацией среди всех видов клеток.
Целлюло́за (клетча́тка) — наиболее распространённый структурный полисахарид растительного мира, состоящий из остатков альфа-глюкозы, представленных в бета-пиранозной форме. Таким образом, в молекуле целлюлозы бета-глюкопиранозные мономерные единицы линейно соединены между собой бета-1,4-связями. При частичном гидролизе целлюлозы образуется дисахарид целлобиоза, а при полном — D-глюкоза. В желудочно-кишечном тракте человека целлюлоза не переваривается, так как набор пищеварительных ферментов не содержит бета-глюкозидазу. Тем не менее, наличие оптимального количества растительной клетчатки в пище способствует нормальному формированию каловых масс.
Хити́н — структурный полисахарид низших растений, грибов и беспозвоночных животных (в основном роговые оболочки членистоногих — насекомых и ракообразных). Хитин, подобно целлюлозе в растениях, выполняет опорные и механические функции в организмах грибов и животных. Молекула хитина построена из остатков N-ацетил-D-глюкозамина, связанных между собой бета-1,4-гликозидными связями. Макромолекулы хитина неразветвлённые и их пространственная укладка не имеет ничего общего с целлюлозой.
Декстра́ны — полисахариды бактериального происхождения — синтезируются в условиях промышленного производства микробиологическим путём и используются в качестве заменителей плазмы крови.
(доп. информация вопросы 33-35).
37) Полиненасыщенные высшие жирные кислоты в составе липидов, их реакционная способность.
Липиды — весьма разнообразные по своему химическому строению природные органические соединения, нерастворимые в воде и растворимые в органических растворителях. Одной из главных групп липидов являются жиры, греческое название которых (липос — жир) взято для обозначения класса в целом. Все сходные с жирами по растворимости соединения, входящие в класс липидов, составляют группу липоидов (жироподобных веществ).
Таким образом, класс липидов в целом представлен жирами и липоидами. В химическом отношении класс липидов является сборной группой органических соединений и не имеет единой функциональной характеристики. Жирные кислоты — карбоновые кислоты с длинным, преимущественно неразветвленным, радикалом. Они обычно имеют четное число атомов углерода, встречаются в свободном виде и входят в состав жиров. Наиболее важные жирные кислоты приведены в табл.
источник
В молекулах олиго- и полисахаридов моносахаридные звенья соединены между собой гликозидной связью, в образовании которой участвуют полуацетальный гидроксил одного и любой гидроксил, в том числе и полуацетальный, другого моносахаридного остатка. Гликозидная связь образуется при взаимодействии двух моносахаридов в ходе реакции дегидратации. Гликозидные связи легко гидролизуются в присутствии кислот или под действием ферментов.
Для обозначения гликозидной связи необходимо указывать положение гидроксила при первом аномерном углеродном атоме (a- или b-), а также номер углеродного атома в молекуле второго остатка моносахарида. Например, a(1®4)-гликозидная связь в мальтозе сформирована между атомом кислорода при первом углеродном атоме в a-положении одного остатка a-D-глюкозы и углеродным атомом в положении 4 второго остатка b-D-глюкозы.
(a(1®4)-гликозидная связь) (b(1®4)-гликозидная связь)
Наиболее часто в природных полисахаридах встречаются гликозидные связи типа a(1®4), a(1®6), b(1®4), b(1®3), а мономерами служит D-глюкоза.
Если один из концевых моносахаридных остатков олигосахарида содержит полуацетальный гидроксил, который может находиться как в a-, так и b-форме, олигосахарид называется восстанавливающим, или редуцирующим. Примером могут служить дисахариды мальтоза и лактоза. Если же в образовании гликозидной связи между остатками моносахаридов участвуют оба полуацетальных гидроксила двух моносахаридов, такой олигосахарид не содержит концевой полуацетальный гидроксил и называется невосстанавливающим, или нередуцирующим. К ним относятся дисахариды сахароза и трегалоза.
Полисахариды
В природе углеводы встречаются в основном в форме полисахаридов. Полисахариды представляют собой длинные полимерные цепочки, которые построены из остатков моносахаридов, соединенных между собой гликозидными связями. Полисахариды присутствуют во всех клетках и выполняют в них структурную, рецепторную, защитную функции, а также играют роль запасных веществ. В состав полисахаридов могут входить различные моносахариды. Полисахариды, построенные из остатков одного и того же моносахарида, называются гомополисахаридами, а полисахариды, содержащие остатки различных моносахаридов, − гетерополисахаридами. Чаще всего в составе полисахаридов встречается D-глюкоза. Нередко полисахариды имеют заместители неуглеводной природы – остатки серной, фосфорной или органических кислот.
Полисахариды различаются также по типу гликозидной связи, молекулярной массе и степени разветвленности макромолекул. Молекулярная масса полисахаридов колеблется в широких пределах –от нескольких тысяч до нескольких миллионов дальтон.
Большинство полисахаридов имеют тривиальные названия, связанные с источником, из которого они были выделены, например целлюлоза, крахмал, хитин. Основой более строгой номенклатуры служит моносахаридный состав полисахарида: D-глюканом называется полисахарид, построенный из остатков D-глюкозы.
Резервные полисахариды. Большинство резервных полисахаридов – это гомополисахариды, в которых преобладают a(1®4)-гликозидные связи. Эти вещества выполняют роль источников углерода и энергии для клеток в периоды голодания, поэтому их структура отвечает основному требованию – доступности для гидролитических ферментов, их расщепляющих. К ним относятся крахмал и гликоген, которые представляют собой рыхлые, разветвленные структуры, доступные для ферментативного расщепления в большом количестве участков. Они откладываются в цитоплазме клеток в виде крупных гранул. Поддержание уровня глюкозы в крови является важной физиологической функцией, которая реализуется через биосинтез гликогена при избытке глюкозы и его гидролиз при недостатке глюкозы в клетке.
Крахмалпреобладает в клетках растений, микроводорослей, некоторых бактерий. Крахмал состоит из двух компонентов – a-амилозы и амилопектина. a-Амилоза представляет собой линейный полимер a-D-глюкозы (1000−4000 звеньев), остатки которой соединены с помощью a(1®4)-гликозидных связей. При этом в молекуле появляется большая свобода вращения вокруг связей С1−О и О−С4, и цепочка образует стабильную спираль с шестью остатками глюкозы на один виток. Молекулы йода по своим размерам точно подходят к центральной полости этой спирали и образуют комплекс, обусловливающий приобретение темно-синей окраски растворами a-амилозы при йодно-крахмальном тесте.
Амилопектин состоит из цепей поли-a-D-глюкозы с a(1®4)-гликозидными связями, образующих остов молекулы. От этих цепей отходят боковые ветви, присоединенные к основной цепи a(1®6)-гликозидными связями. Ветви являются более короткими цепочками a(1®4)-глюкозида, содержащего 12 остатков D-глюкозы, и мешают основной цепи образовывать спираль. Амилопектин в отличие от a-амилозы имеет разветвленную структуру и вместе с a-амилозой образует сложную сеть. Молекулы амилопектина содержат сотни тысяч остатков a-D-глюкозы, являясь одними из самых крупных природных молекул.
Гликоген преобладает в клетках животных, грибов и некоторых бактерий. Гликоген состоит из остатков a-D-глюкозы, соединенных a(1®4)-гликозидными связями. Его структура сильно напоминает структуру амилопектина, но у гликогена боковые ветви, присоединенные к основной цепи a(1®6)-гликозидными связями, расположены значительно чаще, чем у амилопектина, т. е. гликоген отличается от амилопектина большей разветвленностью и более плотной упаковкой молекулы. У гликогена отсутствует спиральная структура, и его молекулы еще более «открыты» действию ферментов.
Структурные полисахариды. К ним относятся полисахариды, являющиеся основными компонентами клеточных стенок растений и микроорганизмов.
Клеточные стенки растений обладают необычайной прочностью и в процессе роста растения меняют свою структуру и состав. Основными компонентами клеточных стенок растений являются полисахариды, среди которых преобладает целлюлоза, в значительной степени определяющая архитектуру клеточной стенки. Этот гомополисахарид является самым распространенным углеводом на Земле (древесина содержит
Мономерами целлюлозы служат остатки b-D-глюкозы, соединенные в длинные цепочки (до 10 000 остатков глюкозы в каждой) с помощью b(1®4)-гликозидных связей. В такой молекуле отсутствует полная свобода вращения вокруг С1−О и О−С4-связей, и полимер приобретает конформацию, благоприятную для образования межцепочечных поперечных водородных связей в случае, когда цепочки располагаются антипараллельно. В результате молекулы целлюлозы объединяются в микрофибриллы толщиной 10−25 нм. Они перевиваются и образуют тонкие нити, которые, в свою очередь, могут обматываться одна вокруг другой, как пряди в канате, формируя макрофибриллы. Каждая макрофибрилла имеет толщину
0,5 мкм и длину 6−8 мкм. Прочность макрофибрилл сопоставима с прочностью стальной проволоки. Кроме того, отдельные участки микрофибрилл имеют упорядоченное строение и придают клеточной стенке кристаллические свойства.
Таким образом, целлюлоза за счет сложности своей структуры и высокой упорядоченности выполняет защитную и опорную функции в растении. В таком виде полисахариды недоступны действию собственных ферментов, и целлюлоза не может использоваться растением как резервное вещество. Только некоторые бактерии, грибы, простейшие обладают ферментными системами, способными расщеплять целлюлозу.
Микро- и макрофибриллы целлюлозы в клеточной стенке погружены в матрикс, который также состоит в основном из полисахаридов и меняет свою структуру в процессе роста растения. На начальных этапах развития матрикс состоит из пектиновых веществ, а в дальнейшем в нем появляются гемицеллюлозы.Пектиновые вещества – это полимеры a-D-галактуроновой кислоты, в которых некоторые водородные атомы замещены метильными группами. Гемицеллюлозы делятся на ксиланы (полимеры ксилозы), глюкоманнаны и галактаны. На более поздних этапах развития растения, когда происходит одревеснение клеточной стенки, в клетках откладывается лигнин – химически устойчивый полимер, содержащий большое число ароматических спиртов. Кроме этого, в составе клеточных стенок растений обнаружены небольшие количества гликопротеинов, нерастворимых липидных полимеров и восков.
Последнее изменение этой страницы: 2016-12-27; Нарушение авторского права страницы
источник
• Линейные участки молекулы гликогена образованы остатками глюкозы, связанными альфа-1,4-гликозидными связями, а в местах разветвления – альфа 1,6-гликозидными связями.
Линейные участки молекул гликогена состоят из 6-10 остатков глюкозы.
(в крахмале линейные участки длиннее, и состоят из 20-24 остатков глюкозы). Следоватетельно, крахмал менее разветвлен.
Синтез и распад гликогена гормонозависимый процессы и регулируются инсулином и глюкагоном (и другими
контринсулярными гормонами адреналином и кортизолом).
Процессы синтеза и распада гликогена не являются обращением друг в друга , эти процессы происходят разными путями и разными ферментами.
У животных гликоген синтезируется во всех клетках тканей органов, но особенно активно синтез идёт в мышцах и в печени , где он откладывается (в цитоплазме) в виде видных под микроскопом зёрен.
350г в мышцах, 100г в печени.
• Синтез гликогена ускоряется в период пищеварения ( абсорбтивный период – 1-2 часа после приёма пищи), когда глюкоза активно поступает из
крови в клетки тканей и фосфорилируется, превращаясь в глюкозо-1- фосфат ( затрачивается АТФ ), а затем для синтеза гликогена глюкозо-1-фосфат превращается в уридин-дифосфо-глюкозу ( УДФ-глюкозу ). Затрачивается УТФ , аналог АТФ
УДФ-глюкоза – субстрат для гликогенсинтетазы .
Гликогенсинтетаза переносит остаток глюкозы на праймер (олигосахарид из 4-8 остатков глюкозы) и соединяет его альфа-1,4- гликозидной связью.
Когда длина синтезируемой цепи увеличивается на 11-12 остатков глюкозы, фермент ветвления переносит фрагмент из 5-6 остатков глюкозы на внутренний остаток глюкозы , соединяя его альфа-1,6-гликозидной связью.
Удлинение цепей и ветвление их повторяется много много (тысячи) раз. А так как в гликогене более миллиона остатков глюкозы, то расходы энергии (АТФ и УТФ) составляют в 2 раза большее количество молей , чем молей глюкозы.
Т.е. синтез гликогена энергозатратный процесс.
источник
Глюкоолигосахариды, включающие (альфа 1-4) и (альфа-1-6) гликозидные связи, их применение и способы их получения
Владельцы патента RU 2571206:
Группа изобретений относится к области биотехнологии. Предложен способ получения смеси глюкоолигосахаридов, содержащих две или более последовательных (α1→6) гликозидных связей и две или более последовательных (α1→4) гликозидных связей. Вводят в контакт поли- и/или олигосахарид, включающий на невосстанавливающем конце по меньшей мере две (α-1→4)-связанные единицы D-глюкозы, с ферментом α-глюканотрансферазой. Указанный фермент является GTFB типом фермента и расщепляет (α1→4) и создает новые (α1→4) и (α1→6) гликозидные связи. Предложены выделенные линейные глюкоолигосахариды и их смеси, получаемые указанным способом, их применение в качестве волокна-пребиотика, в том числе в пищевой композиции. Также предложен генетически модифицированный GTFA-подобный глюкансахаразный фермент, включающий по меньшей мере две мутации, указанные в формуле изобретения, и обладающий GTFB-подобной активностью. Указанный модифицированный фермент расщепляет (α1→4) и создает новые (α1→4) и (α1→6) гликозидные связи, используя в качестве субстрата поли- и/или олигосахариды, включающие (α1→4)-связанные единицы D-глюкозы на своем невосстанавливающем конце. Изобретения позволяют получать частично неперевариваемые производные крахмала, без введения точек ветвления (α1→6), (α1→2) или (α1→3) связи. 8 н. и 11 з.п. ф-лы, 2 табл., 8 ил.
Изобретение относится к области поли- и олигосахаридов и их пищевым воздействиям. В частности, оно относится к применению α-глюканотрансфераз в способах получения пищевых волокон, включая олигосахариды-пребиотики, и к новым олигосахаридам, получаемым с их помощью.
Термин «пищевое волокно» был впервые использован в 1953 г. Hipsley для описания компонентов пищи из клеточной стенки растений. В настоящее время используется много определений волокон, но до сих пор нет повсеместно принятого определения. В целом волокна происходят из углеводных источников, которые имеют неперевариваемый компонент. Волокна обычно подразделяются на две категории: нерастворимые волокна, такие как пшеничные отруби, устойчивый крахмал, гемицеллюлозы, лигнин и т.д., и растворимые волокна, которые могут быть дополнительно подразделены на два подраздела: растворимые волокна с короткой длиной цепи, включая полидекстрозу, инулин и олигосахариды, и растворимые волокна с длинной цепью, включая пектины, камеди (гуаровую камедь, смолу плодов рожкового дерева, каррагинан, ксантан) и β-глюкан (например, из дуба или ячменя).
Пребиотики представляют собой пищевые волокна, так как они не перевариваются ферментами человека, но сбраживаются флорой толстого кишечника. Таким образом, они повышают биомассу и частоту дефекации, в результате чего обладают позитивным эффектом в отношении запора и состояния слизистой оболочки толстого кишечника. Углеводы пребиотиков являются природными и могут находиться в многочисленных пищевых продуктах, включая спаржу, цикорий, помидоры и пшеницу, а также, будучи природным компонентом материнского молока.
Термин «пребиотик» был впервые определен Gibson and Roberfroid в 1995 г. Однако первоначальное определение создавало трудности для проверки, и поэтому затем авторы дополнительно разработали концепцию, предлагающую новое определение: «Пребиотик представляет собой избирательно ферментируемый ингредиент, который делает возможными специфические изменения и состава, и/или активности микрофлоры желудочно-кишечного тракта, которые благоприятно воздействуют на самочувствие и здоровье хозяина» (Nutr Res Rev 2004; 17: 259-275). Для того чтобы отвечать требованиям классификации в качестве пребиотика, ингредиенту, следовательно, требуется (i) быть устойчивым к перевариванию (кислотой желудочного сока, в результате гидролиза ферментами млекопитающих и всасывания в желудочно-кишечном тракте); (ii) сбраживаться микробиотой желудочно-кишечного тракта; и (iii) избирательно стимулировать рост и/или активность бактерий кишечника, сопутствующих здоровью и хорошему самочувствию. Более поздним критерием является главная особенность, отличающая пищевое волокно от пребиотика. Пребиотики обычно распознаются по их способности изменять микробиоту ободочной кишки, стимулируя ее более здоровый состав и/или активность путем повышения преобладания сахаролитических (сбраживающих углеводы) микроорганизмов, в то же время снижая гнилостные (сбраживающие белки) микроорганизмы.
Установленные неперевариваемые углеводы, которые соответствуют критериям пребиотиков, включают фруктоолигосахариды (FOS), галактоолигосахариды (GOS), лактулозу, инулин и полидекстрозу.
Полидекстроза представляет собой полисахарид, состоящий из беспорядочно поперечно сшитых единиц глюкозы со всеми типами гликозидных связей. Полидекстроза Litesse устойчива к перевариванию из-за своих уникально организованных гликозидных связей. В молекулярном отношении преобладают связи (α1→6), но приблизительно 13% полимера имеют связи (α1→4), которые могут гидролизоваться ферментами в тонком кишечнике человека. Она сбраживается на протяжении ободочной кишки и особенно эффективна как посредник эффекта пребиотика в дистальном отделе ободочной кишки. Исследования с участием людей показали, что полидекстроза Litesse повышает уровень как бифидобактерий, так и лактобацилл дозозависимым образом.
Крахмал является полисахаридом, находящимся в зеленых растениях — тех, которые содержат хлорофилл в качестве источника запасания энергии. Крахмал составляет интегративную часть многих миллионов пищевых ингредиентов, имеющихся на рынке, и отличается своей сложной и плотной структурой. Крахмал является идеальным примером важнейшего предмета потребления с широким спектром промышленного применения, которое включает производство бумаги и картона, ферментацию, биологическое топливо, биодеградируемые пластики и детергенты, биопестициды, поверхностно-активные вещества, полиуретан, смолы, связующие вещества и растворители. Однако именно пищевая промышленность обеспечивает наиболее широкий рынок для крахмала и его производных.
Крахмал либо полностью разрушается в тонком кишечнике до глюкозы и поступает в кровь, либо те части, которые избежали переваривания, поступают в толстый кишечник, где они служат в качестве общего субстрата для микробной флоры ободочной кишки. Крахмал и его производные сами по себе не стимулируют благоприятных специфических микробов ободочной кишки. Таким образом, крахмал сам по себе не является соединением-пребиотиком. Частичным решением проблемы является разрушение крахмала до дисахарида мальтозы, и затем использование фермента трансглюкозидазы для превращения мальтозы в (α1→6)-соединенные изомальтоолигосахариды (IMO) со степенью полимеризации от 2 до 4. Эти IMO продукты являются, однако, слишком короткими и в основном разрушаются в тонком кишечнике, в результате этого не достигая ободочной кишки. Та часть IMO продукта, которая достигает ободочной кишки, быстро разрушается кишечной микрофлорой в проксимальной части ободочной кишки и не достигает дистальной части, где находятся более вредные бактерии, разрушающие белки. Для вытеснения этих вредных бактерий путем стимуляции благоприятных бактериальных штаммов, в частности бифидобактерий, требуются более длинные изомальтоолигосахариды.
Ранее были разработаны различные методы для химической модификации мальтоолигосахаридов (MOS) и крахмала (амилозы, амилопектина). Позднее для модификации крахмала (амилозы, амилопектина) использовались также различные трансгликозилазные ферменты (глюканотрансфераза циклодекстринов, амиломальтаза, ветвящий крахмал фермент).
В настоящем изобретении предлагаются дополнительные средства и способы (ферментативной) модификации крахмала, производных крахмала и/или MOS с различной длиной цепей, для того, чтобы изменить их функциональные свойства и увеличить их пищевую ценность.
Неожиданно обнаружено, что этим целям может удовлетворять использование α-глюканотрансферазы типа GTFB глюканотрансфераз, члена семейства GH70 гидролаз гликозидов [http://www.cazy.org]. В то время как глюкансахаразные ферменты катализируют превращение сахарозы в α-глюкан-поли- и олигосахариды, ранее сообщалось, что GTFB совсем не взаимодействует с сахарозой (Kralj 2004). В настоящем описании раскрыто, что GTFB проявляет высокую активность в отношении глюкоолигосахаридов, включающих (α1→4)-связанные остатки глюкозы, таких как мальтоолигосахариды (MOS). GTFB катализирует диспропорционирующий тип реакции, укорачивающий одну молекулу субстрата и удлиняющий вторую молекулу субстрата. Оба продукта могут опять быть субстратами в следующей реакции. В результате активности GTFB можно, таким образом, получать серии линейных глюкоолигосахаридов до, по меньшей мере, DP35. Структурный анализ продуктов выявил, что GTFB расщепляет (α1→4) гликозидные связи и создает новые (α1→4) и (α1→6) связи. Это является первым примером фермента с такой специфичностью реакции и продукта. Соответственно этот фермент обозначается как (1→4)-α-D-глюкан: (1→4)(1→6)-α-D-глюкан (α-D-глюканотрансфераза или альтернативно как α-глюканотрансфераза. Глюкансахаразные ферменты также используют MOS, но только в качестве акцепторных субстратов в присутствии сахарозы в качестве субстрата-донора. Это ведет к синтезу диапазона олигосахаридов, например мальтозы, удлиненной сериями глюкозных единиц, связанных через (α1→6) связи в случае декстрансахарозы. В случае глюкансахараз, однако, связи (α1→4) в MOS субстратах не расщепляются, и MOS используются только в качестве акцепторного субстрата. Это является главным отличием фермента GFTB, который не способен действовать на сахарозу и вместо этого использует MOS в качестве донорных и акцепторных субстратов, расщепляя связи (α1→4) и вводя путем диспропорционирующего типа реакции новые связи (α1→6) и (α1→4). Продукты, которые могут быть синтезированы под действием GTFB из крахмала или производных крахмала, содержат относительно длинные изомальтоолигосахаридные (IMO) боковые цепи, в частности IMO боковые цепи со степенью полимеризации 4 или выше. Часть IMO-мальтодекстрина (IMO-MALT) разрушается в тонком кишечнике, причем она является меньшей, чем те части, которые бы разрушались при употреблении немодифицированного крахмала/производных. Это происходит потому, что те части мальтодекстрина, которые примыкают к части IMO, не будут разрушаться амилазами кишечника, так как амилазам для того, чтобы подействовать, необходима определенная длина линейных остатков глюкозы, связанных (α1→4) связями. IMO-MALT может, следовательно, рассматриваться в качестве частично устойчивого производного крахмала, дающего меньшую продукцию глюкозы в тонком кишечнике, чем дал бы немодифицированный крахмал. Это рассматривается как благоприятное свойство и вносит вклад в здоровый образ жизни (снижает риск развития ожирения, диабета II типа и болезней сердца и его коронарных артерий, связанных с избыточным потреблением быстро деградируемых крахмала/производных). Часть IMO-MALT, которая проходит в ободочную кишку немодифицированной, будет дополнительно разрушаться под действием остаточной микрофлоры. Часть IMO в IMO-MALT, содержащая связи (α1→6), может действовать в качестве специфического субстрата для благоприятных бифидобактерий, делая IMO-MALT ингредиентом-пребиотиком. IMO-MALT, следовательно, имеет, по меньшей мере, следующие преимущества:
1. Является частично устойчивым мальтодекстрином/крахмалом, дающим меньшую продукцию глюкозы, и в результате этого вносящим вклад в профилактику ожирения и диабета II типа.
2. Обладает эффектом пребиотика, стимулируя полезные бифидобактерии пищеварительного тракта, и в результате этого способствуя здоровью пищеварительного тракта.
В первом варианте осуществления изобретение относится к способу получения смеси глюкоолигосахаридов, обладающих одной или более (α1→6) гликозидными связями и одной или более (α1→4) гликозидными связями, включающему введение в контакт поли- и/или олигосахаридного субстрата, включающего на своем невосстанавливающем конце, по меньшей мере, две (α1→4)-связанные D-глюкозные единицы, с ферментом α-глюканотрансферазой, способным расщеплять (α1→4) гликозидные связи и создавать новые (α1→4) и (α1→6) гликозидные связи. Альтернативно, или дополнительно α-глюканотрансфераза способна переносить мальтозильную, мальтотриозильную или мальтотетраозильную единицу на субстрат через новую (α1→6) гликозидную связь.
Удачно, особенно для применения в качестве пищевого волокна, что глюкоолигосахаридный(ные) продукт(ы) являются линейными или содержат линейные участки/части в первую очередь из (α1→4) и (α1→6) гликозидных связей, придавая им устойчивость к ферментативной атаке в тонком кишечнике. Соответственно α-глюканотрансфераза предпочтительно не вводит ни точки ветвления (α1→6), ни (α1→2), (α1→3) связи.
В конкретном аспекте α-глюканотрансфераза (GTFB) является новым членом семейства GH70 глюкансахараз [http://www.cazy.org] или его функциональным гомологом, обладающим указанной ферментативной активностью и предпочтительностью субстратов, как описано выше. Например, фермент выбран из ферментов, представленных в таблице 2, или из группы, состоящей из GTFB из Lactobacillus reuteri 121, GTF106B из Lactobacillus reuteri TMW 1.106, GTML4 из Lactobacillus reuteri ML1 и GTFDSM из Lactobacillus reuteri DSM 20016 A , GTF из Lactobacillus fermentum ATCC 14931, которые все известны в данной области техники на уровне как белка, так и нуклеиновой кислоты. См., в частности, фиг.2 и таблицу 2 в настоящем описании ниже для номеров поступления. Конечно, также могут быть использованы природные или искусственные гомологи (мутанты) этих известных последовательностей, включая созданные генной инженерией варианты, проявляющие желаемые свойства в отношении температурной устойчивости, субстратной специфичности, ферментативной активности и тому подобного. В одном варианте осуществления используют гомолог GTFB, который обладает, по меньшей мере, 55%, предпочтительно, по меньшей мере, 60%, 75%, подобно 80%, 85% или, по меньшей мере, 90% идентичностью последовательности на аминокислотном уровне с GTFB из GTFB(-подобных) ферментов, перечисленных в таблице 2, или предпочтительно из Lactobacillus reuteran 121 (AAU08014), GTF106B из Lactobacillus reuteri TMW 1.106 (ABP88725), GTML4 из Lactobacillus reuteri ML1 (AAU08003), GTFDSM из Lactobacillus reuteri DSM 20016 A (ABQ83597) или GTF из Lactobacillus fermentum ATCC 14931 (ZP_03945763). Например, используют гомолог GTFB, который обладает, по меньшей мере, 55%, предпочтительно, по меньшей мере, 60%, 75%, подобно 80%, 85% или, по меньшей мере, 90% идентичностью последовательности на аминокислотном уровне с GTFB из Lactobacillus reuteri 121.
Предпочтительно, чтобы фермент обладал, по меньшей мере, 45%, более предпочтительно, по меньшей мере, 50% или, по меньшей мере, 60% идентичностью на аминокислотном уровне с каталитическим ядром GTFB, причем каталитическое ядро представлено непрерывной аминокислотной последовательностью W 790 YRP. IVMNQ 1484 , как обнаружено в белковой последовательности GFTB L. reuteri 121: номер поступления в GenBank AAU08014 (белковый код).
Гомолог GTFB предпочтительно включает один или более из следующих консервативных аминокислотных остатков, где нумерация соответствует положению в GTFB Lactobacillus reuteri 121: Arg1013; Asp1015; Ala1017; Asn1019; Glu1053, Gly1054, Tyr1055, His1124, Asp1125, Gln1126, Arg1127, Lys1128, Asp1479; Ile1480, Met1482, Asn1483, Gln1484. Предпочтительно присутствуют, по меньшей мере, каталитические остатки Asp1015, Glu1053 и Asp1125. Более предпочтительно, присутствуют все эти остатки.
В каталитическом домене ферментов GTF идентифицировано четыре консервативные области. Предшествующие исследования по генной инженерии белка показали, что аминокислотные остатки, локализованные в областях III и IV консервативной последовательности (см. фиг.1 для выравнивания последовательностей), контролируют специфичность продукта ферментов GTF в отношении образованных типов гликозидных связей (Hellmuth et al. Biochemistry (2008); Kralj et al. (2005) Biochemistry 44, 9206-9216; Kralj et al. (2006) FEBS J. 273, 3735-3742). Также область I и область II содержат аминокислотные остатки, которые вносят вклад в активность фермента и специфичность реакции [Kralj et al. (2005); Swistowska et al. (2007) FEBS Lett. 581, 4036-4042]. В конкретном аспекте фермент включает, по меньшей мере, одну из следующих консенсусных последовательностей, где нумерация соответствует положению аминокислоты в GTFB (см. фиг.1):
A) (консервативная область II): F 1009 DGFRVDAADNIDADVLDQ 1027
B) (консервативная область III): H 1048 L(S/V)YNEGYHSGAA 1060
C) (консервативная область IV): W 1118 SFVTNHDQRKN(L/V)I 1131
D) (консервативная область I): G 1473 LKVQED(I/L)VMNQ 1484
В одном варианте осуществления фермент представляет собой член GTFA из группы глюкансахараз, например GTFA из Lactobacillus reuteri 121 (номер поступления в GenBank AX306822 или AY697435 (последовательность GTF + примыкающие последовательности аминокисл. ост. GTFB + транспозазы), который сконструирован методом генной инженерии для получения уникальной «GTFB-подобной» субстратной специфичности и активности, требуемой для применения способа настоящего изобретения. Изобретение, таким образом, относится также к генетически модифицированному ферменту, принадлежащему к типу gtfA ферментов-глюкансахараз, включающему, по меньшей мере, одну из мутаций из таблицы 1, причем указанный фермент способен расщеплять (α1→4) гликозидные связи и создавать новые (α1→4) и (α1→6) гликозидные связи и характеризуется субстратной предпочтительностью для поли- и/или олигосахаридных субстратов, включающих (α1→4)-связанные единицы D-глюкозы, в частности мальтоолигосахариды. Специалист в данной области техники должен понимать, что в гомологи фермента GTFA из других организмов могут быть введены мутации, эквивалентные мутациям, представленным в таблице 1. Например, в GTF180 из Lactobacillus reuteri 180, GTFML1 из Lactobacillus reuteri ML1, DSRS из Leuconostoc mesenteroides B512-F, GTFD из Streptococcus mutans GS-5 (см. также van Hijum et al 2006). Предпочтительно вводятся множественные мутации, выбранные из таблицы 1. В конкретном варианте осуществления изменяются все положения, представленные в таблице 1.
| Таблица 1 Мутации для введения GTFB-подобной (α-глюканотрансферазной) активности в GTFA-подобный (глюкансахаразный) фермент |
|||
| Положение# | Мутация* | Положение# | Мутация* |
| 981 | L→V | 1136 | Удален S |
| 1026 | P→A | 1134-1136 | NNS→QR |
| 1062 | D→G | 1137 | Q→K |
| 1063 | W→Y | 1414 | N→L |
| 1064 | N→H | 1463 | D→R, T или M |
| 1062-1064 | DWN→GYH | 1510 | W→I или L |
| 1134 | N→Q | 1512 | P→M |
| 1135 | N→R | 1513 | D→N |
| # нумерация, соответствующая GTFA Lactobacillus reuteri 121. * однобуквенный аминокислотный код |
Предлагается также применение фермента, способного расщеплять (α1→4) гликозидные связи и создавать новые (α1→4) и (α1→6) гликозидные связи и/или переносить мальтозильную, мальтотриозильную или мальтотетраозильную единицы, создавая новую (α1→6) гликозидную связь, в способе получения производных крахмала, предпочтительно (частично) непереваривамых производных крахмала. В одном варианте осуществления фермент представляет собой тип GTFB глюкансахаразы, например, выбранный из таблицы 2 или из группы, состоящей из GTFB из Lactobacillus reuteri 121, GTF106B из Lactobacillus reuteri TMW 1.106, GTML4 из Lactobacillus reuteri ML1, GTFDSM из Lactobacillus reuteri DSM 20016 A или GTF из Lactobacillus fermentum ATCC 14931, или его природный или искусственный гомолог (мутант). Предпочтительно фермент представляет собой GTFB из Lactobacillus reuteri 121.
Специалист в данной области техники способен определить подходящие условия процессов для осуществления предлагаемого в настоящем описании способа с помощью общепринятых экспериментальных методов, такие как температура, время инкубации, рН, количество фермента и т.д. Может быть использован диапазон рН 4-5, предпочтительно 4-4,5. В одном варианте осуществления используется температура, по меньшей мере, 30°С, предпочтительно 37°С. В другом варианте осуществления, например, учитывая свойства субстрата и/или стерильность, может быть желательной работа при более высокой температуре, такой как, по меньшей мере, 70°С, при условии, что фермент является достаточно термостабильным. Содержание сухого вещества в реакционной смеси может варьироваться. В одном варианте осуществления оно составляет, по меньшей мере, 10%, предпочтительно, по меньшей мере, 25%.
В способе по изобретению могут быть использованы различные олигосахаридные или глюкановые субстраты или смеси субстратов, предлагаемые так, что они включают поли- и/или олигосахариды, чей невосстанавливающий конец содержит (α1→4)-связанные остатки глюкозы. Предпочтительно указанный невосстанавливающий конец содержит 3 или более последовательных (α1→4)-связанных остатков глюкозы. Предпочтительны линейные субстраты. Соответственно также предлагается способ получения смеси линейных глюкоолигосахаридов, имеющих одну или более (α1→6) гликозидных связей, включающий введение в контакт, например, путем инкубации линейного поли- и/или олигосахаридного субстрата, включающего на своем невосстанавливающем конце, по меньшей мере, две (α1→4)-связанных единицы глюкозы, с ферментом α-глюканотрансферазой, способным расщеплять (α1→4) гликозидные связи и создавать новые (α1→4) и (α1→6) гликозидные связи.
Очень хорошие результаты наблюдаются, когда субстрат имеет степень полимеризации, по меньшей мере, 4, предпочтительно, по меньшей мере, 5, более предпочтительно, по меньшей мере, 6. Субстрат, например, выбран из группы, состоящей из природного крахмала, модифицированного крахмала, производных крахмала, мальтоолигосахаридов, амилозы, амилопектина, мальтодекстринов, (α1→4) глюканов, рейтерана или их сочетаний. Применяемый в настоящем описании термин «производное крахмала» относится к продукту природного крахмала, который подвергся одной или более модификациям, осуществленных с помощью физических и/или (био)химических методов. Модификации включают деполимеризацию, поперечную сшивку и замену. Крахмал или производное крахмала может происходить из различных растительных источников, включая помидоры, маис, тапиоку и пшеницу. Некоторые другие необработанные продукты включают: рис, маниоку, золотистую фасоль, лущеный горох, ячмень, овес, гречиху, банан, сорго и чечевицу. Предпочтителен крахмал (производное) из картофеля, маиса, тапиоки или пшеницы.
В конкретном аспекте в способе по изобретению в качестве субстрата используется обработанный амиломальтазой (AMазой) крахмал (ATS), предпочтительно картофельный крахмал. ATS имеется в продаже у AVEBE (Veendam The Netherlands) под торговой маркой Etenia™. В дополнительном конкретном варианте осуществления в качестве субстрата используется рейтеран, который представляет собой α-глюкановый продукт активности рейтерансахаразы и включает (α1→4) и (α1→6) связи. Очень хорошие результаты дает также смесь рейтерана и мальтоолигосахаридов (MOS). Предлагается также обработка продукта, получаемого путем инкубации крахмала, производного крахмала, мальтодекстрина или мальтоолигосахарида с GTFB или родственным GTFB ферментом, гидролитическим ферментом, который вызывает разрушение альфа,1-4-O-гликозидных связей, таким как альфа-амилаза, бета-амилаза, альфа-глюкозидаза или мальтогенная амилаза. Это дает неперевариваемые или медленно перевариваемые олигосахарид/волокна.
Как иллюстрируется в настоящем описании ниже, способ по изобретению, как описано выше, должен обычно давать смесь различных линейных глюкоолигосахаридов, обладающих одной или более последовательными (α1→6) гликозидными связями и одной или более, предпочтительно двумя или более последовательными (α1→4) гликозидными связями. Для многих промышленных вариантов применения (например, для пищевой промышленности) смесь может быть использована по существу как таковая и не требует дополнительной очистки. Однако, если это желательно, конечно, возможно выделить или удалить один или более из индивидуальных глюкоолигосахаридов из смеси. С этой целью могут быть использованы различные методы, известные в данной области техники, например методы преципитации-фракционирования или хроматографии. В одном варианте осуществления способ по изобретению включает подвергание смеси хроматографии, исключающей по размеру, и/или анионообменной хроматографии и выделение, по меньшей мере, одного глюкоолигосахарида, обладающего одной или более (α1→6) гликозидными связями и одной или более, предпочтительно двумя или более (α1→4) гликозидными связями.
Как указывалось, ферментативная активность, как раскрыто в настоящем описании, может давать прирост олигосахарида с уникальной структурой. Предлагаемый глюкоолигосахарид является линейным (т.е. неразветвленным) глюкоолигосахаридом общей формулы A-B, глюканом, включающим такую линейную часть, или смесью, включающей различные глюкоолигосахариды/части общей формулы A-B, где связь между частью A и частью B представляет собой (α1→6) гликозидную связь и где B включает, по меньшей мере, два, предпочтительно, по меньшей мере, три последовательных связанных (α1→4) связями остатка глюкозы. Предпочтительно присутствуют только (α1→6) и (α1→4) гликозидные связи. Линейная часть общей формулы A-B может быть присоединена к любому типу глюкана (является ли он разветвленным или неразветвленным), например к восковидному амилопектину.
В одном варианте осуществления линейный (т.е. неразветвленный) глюкоолигосахарид общей формулы A-B или смесь, включающая различные глюкоолигосахариды общей формулы A-B, отличается тем, что (i) связь между частью A и частью B представляет собой (α1→6) гликозидную связь, (ii) часть A включает две или более последовательные (α1→6) гликозидные связи, предпочтительно, где A включает изомальтоолигосахарид со степенью полимеризации, по меньшей мере, 4 остатка глюкозы, и (iii) B включает, по меньшей мере, два, предпочтительно, по меньшей мере, три последовательных (α1→4) связанных остатка глюкозы. Например, часть A состоит из серий последовательных (α1→6) связанных остатков глюкозы, а часть B состоит из серий последовательных (α1→4) связанных остатков глюкозы.
В другом варианте осуществления часть A включает одну или более последовательные (α1→4) гликозидные связи, предпочтительно, где A включает мальтоолигосахарид, по меньшей мере, с четырьмя (α1→4) связанными остатками глюкозы. Таким образом, участок (α1→4) связанных остатков может быть связан через (α1→6) связь с другим участком (α1→4) связанных остатков.
Предлагаются олигосахариды с различными длинами цепей. В одном варианте осуществления глюкоолигосахарид (часть) имеет степень полимеризации (DP), по меньшей мере, 7 (DP≥7), предпочтительно, по меньшей мере, 10 (DP≥10), более предпочтительно, по меньшей мере, 15 (DP≥15), до приблизительно 50. Олигосахариды длиной до более 30 остатков выявлялись с помощью MALDI-TOF-MS анализа. Обычно относительное количество продуктов с высокой молекулярной массой DP10-DP35 в смеси меньше, чем количество продуктов DP 1 H-ЯМР смеси продуктов после инкубации мальтоолигосахарида DP7 (100 мМ) с GTFB (250 мМ) в течение 120 час.
Фиг.8. Возможный способ действия GTFB. Схематическое представление последовательностей реакций, возникающих в активном сайте ферментов GTFB типа. Донорские и (акцепторные) субсайты ферментов типа GTFB картированы на основании доступной информации о 3D структуре ферментов глюкансахараз (с одним донорским (-1) субсайтом) и данных, полученных в настоящем исследовании. Связывание G7 с субсайтами -1 и с +1 до +6 ведет к расщеплению α-1,4-гликозидной связи (G6 высвобождается, показано серым) и к образованию (предполагаемого) ковалентного промежуточного продукта в субсайте -1 (показано серой линией). В зависимости от используемого субстрата-акцептора происходит гидролиз (с водой) или перенос гликозила на олигосахарид-акцептор (см. ниже). Фермент GTFB Lb. reuteri 121 катализирует также диспропорционирующую реакцию с мальтоолигосахаридами. Две молекулы мальтогептаозы (G7), например, превращаются в одну молекулу G6 и в продукт G8, содержащий 8 остатков глюкозы, но с заново синтезированной α-1,6-гликозидной связью на невосстанавливаемом конце.
Ферменты глюкансахаразы (GS) (или гликозилтрансферазы; GTF) (EC 2.4.1.5) кисломолочных бактерий (LAB) используют сахарозу для синтеза множества глюканов с гликозидными связями (α1→6) [декстран, обнаруживаемый главным образом в Leuconostoc], (α1→3) [мутан, обнаруживаемый главным образом в Streptococcus], перемежающимися (α1→3) и (α1→6) [альтернан, о котором сообщалось только для Leuconostoc mesenteroides], (α1→4) [рейтеран, синтезируемый с помощью GTFA и GTFO из штаммов Lactobacillus reuteri]
Lactobacillus reuteri 121 использует глюкансахаразу GTFA и сахарозу в качестве субстрата для синтеза рейтеранового продукта с большим количеством (α1→4) гликозидных связей. Выше этого гена gtfA был идентифицирован другой предполагаемый ген глюкансахаразы, обозначенный как gtfB. Ранее было показано, что после клонирования и экспрессии этого гена фермент не проявляет активности на сахарозе в качестве субстрата. В геноме L. reuteri ML1 выше gtfML1, кодирующего мутансахаразу, также был идентифицирован потенциальный каталитический и C-концевой домен гомолога gtfB, gtfML4
В настоящем описании показано, что GTFB обладает диспропорционирующим типом и полимеризующим типом активности на мальтоолигосахаридах. Фермент использует мальтоолигосахариды (содержащие только (α1→4) гликозидные связи) в качестве субстрата для синтеза олигосахаридов со степенью полимеризации (DP) до 35. Во время этого процесса элонгации/полимеризации в конечный продукт вводится большое количество (α1→6) гликозидных связей (
32%). Более того, заявители показали, что при использовании крупного амилозного субстрата (амилозы-V) в качестве донора и сахаридов меньшего размера (глюкозы, мальтозы) в качестве акцептора также синтезируются более крупные сахариды, соединенные посредством (α1→4) гликозидных связей, содержащие более пяти единиц глюкозы. Подробный анализ продукта, синтезированного из мальтогептаозы, с помощью анализа метилированием и 1H ЯМР показал, что в конечный продукт вводится до 32% (α1→6) гликозидных связей. Хотя первичная структура GTFB сходна с ферментами GH70, включая перемещенный барабан (β/α)8, его активность больше напоминает ферменты типа GH13 α-амилазы, использующих в качестве предпочтительного субстрата мальтоолигосахариды.
Штаммы бактерий, плазмиды, среды и условия выращивания. Для целей клонирования в качестве хозяина использовали Escherichia coli TOP 10 (Invitrogen, Carlsbad, Calif.). Для экспрессии (мутантных) генов gtfB в E. coli BL21 Star (DE3) (Invitrogen) использовали плазмиду pET15b (Novagen, Madison, WI). Штаммы E. coli выращивали в аэробных условиях при 37°С в среде LB
Выравнивание аминокислотной последовательности GTFB из L. reuteri. Было произведено множество операций выравнивания аминокислотной последовательности GTFB, известных глюкансахараз и потенциальных α-глюканотрансфераз из молочнокислых бактерий с помощью интерфейса Clusta1W в версии 4 MEGA (www.megasoftware. net) со штрафными баллами за открытие пропусков и расширения, равными 10 и 0,2 соответственно.
Молекулярные методы. Общие процедуры клонирования генов, трансформации ДНК E. coli, манипуляций с ДНК и электрофореза в агарозном геле были такими же, как описано в
Конструирование плазмид. Для создания двух разных экспрессионных конструктов с C-концевой меткой His использовали подходящие пары праймеров: для полного GTFB (1587 аминокислот), построенного с помощью трех отдельных реакций ПЦР с использованием метода, ранее описанного для GTFA из Lb. reuteri 121 (см. ниже)
Для облегчения предстоящего мутагенеза и секвенирования нуклеотидов gtfB был разделен на три части и клонирован в виде трех частей. Первый из двух сайтов рестрикции PstI (1385 п.н., 1751 п.н.) был изменен с помощью мегапраймерного метода
1500 п.н.) гидролизовали с помощью PstI и BamHI и лигировали с соответствующими сайтами pBluescript II SK + с получением pBPB1000. Третий фрагмент получали с помощью праймеров BforBamHI 5′-CGCTATGTAATTGAACAGAGTATTGCTGC-3′, соответствующего последовательности, расположенной на 200 п.н. ниже сайта рестрикции BamHI, и BRevHis 5′-CCTCCTTTCTAGA TCTATTAGTGATGGTGATGGTGATGGTTGTTAAAGTTTAATG AAATTGCAGTTGG-3′, содержащего сайты XbaI (курсив) и BglI (жирный шрифт) и метку из 6 остатков гистидина (подчеркнуто). Полученный продукт из 2300 п.н. гидролизовали с помощью BamHI и XbaI и лигировали с соответствующими сайтами pBluescript II SK+ с получением pBBX2300. Полный ген собирали следующим образом: pBPB1000 гидролизовали с помощью PstI и BamHI, и полученный фрагмент лигировали в pBSP1600, гидролизованную теми же ферментами рестрикции, с получением pBSB2600 (содержащей первый и второй фрагмент). Затем плазмиду pBBX2300 гидролизовали с помощью BamHI и SacII (сайты, имеющиеся в плазмиде и используемые вместо XbaI), и фрагмент лигировали в pBSB2600 с получением pBSS4900, содержащей полноразмерный ген gtfB. Эту плазмиду гидролизовали с помощью NcoI и BglII, и ген gtfB лигировали в сайты NcoI и BamHI pET15b с получением pET15B-GTFB.
Экспрессия и очистка GTFB. Ночную культуру E. coli BL21star (DE3), содержащую (мутантный) GTFB
(i) Оптимумы pH и температуры. Оптимумы pH и температуры были определены количественным определением с помощью ТСХ количества олиго- и полисахаридов, синтезированных из 25 мМ мальтотетраозы после инкубации в течение ночи (данные не показаны).
(ii) Продукты, синтезированные из мальтоолигосахаридов и других олигосахаридов. Инкубация с одним субстратом. 90 нМ GTFB инкубировали раздельно с 25 мМ сахарозы (Acros), раффинозы (Sigma), туранозы (Sigma), палатинозы (Sigma), панозы (Sigma), 0,25% амилозы-V (Avebe, Foxhol, The Netherlands), 0,25% амилопектина, 25 мМ изомальтопентаозы, изомальтогексаозы (Sigma), мальтоолигосахаридами с разной степенью полимеризации (G2-G7) в 25 мМ NaAc pH 4,7 1 мМ CaCl2 при 37°C и анализировали с помощью ТСХ. Продукты, синтезированные по прошествии длительного времени из G6 и G7, анализировали с помощью ТСХ и HPAEC.
Исследование доноров/акцепторов. 90 нМ GTFB и 25 мМ глюкозы и мальтоолигосахаридов с разной степенью полимеризации (G2-G7) инкубировали совместно с 0,25% амилозой-V в течение ночи в 25 мМ NaAc pH 4,7 1 мМ CaCl2 при 37°С и анализировали с помощью ТСХ.
(i) Характеристика олигосахаридов и полисахаридов, полученных из G7. Очищенные препараты фермента GTFB (90 нМ) инкубировали в течение 7 дней с 150 мМ G7 (Sigma) с использованием условий, описанных выше, для ферментного анализа. Олиго- и полисахариды, продуцированные очищенной рекомбинантной GTFB, разделяли осаждением 96% этанолом (осаждается наиболее крупный сахаридный продукт)
(ii) Анализ метилированием. Олиго- и полисахариды предварительно метилировали с использованием метилйодида и димезила натрия (CH3SOCH2·-Na + ) в ДМСО при комнатной температуре
GTFB является первым представителем группы гомологичных ферментов, обнаруженных в разных Lactobacilli. Выравнивание членов этой новой группы ферментов с другими глюкансахаразами выявило сходство, а также некоторые характерные различия. Три каталитических остатка, имеющихся в глюкансахаразах (D1024, E1061 и D1133, в описании используется нумерация GTFA L. reuteri 121, если это не указано иначе), присутствуют также в группе α-глюканотрансфераз (D1015, E1053 и D1125, нумерация GTFB L. reuteri 121). Тем не менее, большое количество аминокислотных остатков, консервативных для глюкансахаразы в областях I, II, III и IV, отсутствует в группе ферментов α-глюканотрансферазы (фиг.1). В области II (заключающей предполагаемый нуклеофильный остаток) консервативный V1025 (Pro в GTFA и GTFO) в α-глюканотрансферазах заменен аланином. Область III, расположенная ниже предполагаемого кислотно-основного катализатора E1061, в глюкансахаразах и α-глюканотрансферазах совершенно различна.
Тем не менее, большое количество аминокислотных остатков, консервативных для областей I, II, II и IV глюкансахараз, отсутствует в α-глюканотрансферазной группе ферментов (фиг.1). В области II (заключающей предполагаемый нуклеофильный остаток) консервативный P1025 (Pro в GTFA и GTFO, Val в большинстве GTF) в α-глюканотрансферазах заменен аланином. Область III, расположенная ниже предполагаемого кислотно-основного катализатора E1061, в глюкансахаразах и α-глюканотрансферазах совершенно различна. Консервативный триптофан 1063 в α-глюканотрансферазах заменен остатком тирозина (фиг.1). В области IV гомологи GTFB содержат пробел непосредственно выше расположения остатка Q1137, а на месте консервативного глутамина находится остаток лизина.
Поиски в банках данных последовательностей генов и белков позволили обнаружить несколько последовательностей, которые могут обладать теми же каталитическими свойствами, что и GTFB. Информация основывается на филогенетическом древе всех 70 членов семейства гликозидгидролаз (в базе данных Pfam на 27 апреля 2010 г доступно 108 последовательностей). На сервере Pfam также доступно филогенетическое древо, см. фиг.2.
Из 9 последовательностей, подобных GTFB, предполагаемая декстрансахараза из Lactobacillus reuteri DSM 20016 (№ 5 в таблице) была клонирована и экспрессирована в Escherichia coli. Рекомбинантный белок был очищен сочетанием аффинной и анионообменной хроматографии. Очищенный белок проявил GTFB-подобную активность при инкубации с мальтоолигосахаридами. Предполагаемая декстрансахараза из Lactobacillus reuteri DSM 20016 не проявила активности на сахарозе, но вместо этого она использует мальтозу, мальтотриозу, мальтотетраозу, мальтопентаозу, мальтогексаозу и мальтогептаозу в качестве субстрата с образованием лестницы из более коротких и более длинных продуктов. Протонный ЯМР анализ продуктов показал, что были введены α-1,6-гликозидные связи, как это наблюдалось также при инкубации с GTFB. Более того, предполагаемая декстрансахараза из Lactobacillus reuteri DSM 20016 также увеличивала процент α-1,6-гликозидных связей в растворимом картофельном крахмале от Sigma-Aldroch.
Клонирование и экспрессия GTFB
Полноразмерная GTFB, укороченная с N-конца версия и предполагаемый нуклеофильный мутант GTFB были последовательно сконструированы и экспрессированы. И полноразмерный, и укороченный с N-конца варианты проявили явную активность на мальтоолигосахаридах по данным измерений с помощью ТСХ (данные не показаны). Сконструированная укороченная версия GTFB (GTFB-ΔN) не экспрессировалась столь же эффективно, как полноразмерная GTFB, и поэтому все эксперименты проводили с использованием полноразмерной GTFB. Для исключения любой фоновой активности, возникающей от самой E. coli, была очищена пустая плазмида pET15b, и уже после очистки с помощью метки His не было выявлено активности на мальтоолигосахаридах (G2-G7) (данные не показаны). Более того, очищенный полноразмерный D1015N (предполагаемый) нуклеофильный мутант не проявил активности на мальтоолигосахаридах (G2-G7; данные не показаны).
Оптимальная активность GTFB на мальтотетраозе в качестве субстрата по данным количественного определения с помощью ТСХ наблюдалась при температуре 30-37°С и pH 4-5 (данные не показаны). Сочетания разных температур и pH буферов дали оптимальную активность при температуре 37°С и pH 4,7, которые использовали во всех последующих тестах.
Поскольку ранее уже было показано, что GTFB неспособна использовать сахарозу в качестве донорного субстрата
Характеристика продукта G6 и G7 во времени
Первыми продуктами реакции на G6 были G1 (глюкоза) и G5 (мальтопентаоза) (фиг.4). Также на G7 первыми высвобожденными продуктами были G1 (глюкоза) и G6 (мальтогексаоза). Позднее на G6 появлялись также другие мальтоолигосахариды, такие как G2, G3 и G4. Были также идентифицированы неизвестные сахариды, следующие за G7 и G8, которые помимо (α1→4) гликозидных связей должны также содержать другие связи, на что указывает сдвиг во времени их задержки.
После инкубации мальтогептаозы с GTFB в течение 120 час 1D 1 H-ЯМР спектр суммарной смеси продуктов (фиг.7) указал на наличие вновь образованных (α1→6) связей по уширенному сигналу при δH-1
4,96. Сигнал (α1→4) находится в области δH-1
5,39. После 120 час инкубации отношение (α1→4): (α1→6) составляет 67:33 в смеси продуктов. Анализ смеси продуктов с помощью MALDI-TOF МС выявил наличие соединений в диапазоне от DP2 до DP35 (m/z 365 — m/z 5711, [M+Na] + ).
В реакционной смеси, полученной после инкубации MOS DP7 с рекомбинантной GTFB, с помощью ЯМР спектроскопии можно было подробно выяснить структуру семнадцати соединений (фиг.6), варьирующих от DP2 до DP10. Выясненные структуры составляют лишь часть от общего количества образовавшихся соединений. Имеются продукты с большей молекулярной массой, включая полисахариды. Ясно, что олигосахариды, меньшие G7, должны возникать в результате гидролитической активности GTFB на субстрате [продукты, содержащие только (α1→4)], а также в результате гидролитической активности на образовавшихся олигосахаридах [продукты, содержащие (α1→4) и (α1→6)]. Следует отметить, что не было обнаружено структур, содержащих 6-замещенный восстанавливающий концевой остаток глюкозы. К настоящему времени была обнаружена лишь одна структура (DP8), содержащая (α1→6) присоединенный остаток глюкозы, удлиненный последовательно (α1→4)-присоединенными остатками глюкозы. В других случаях имело место лишь (последовательное) (α1→6) удлинение. Все олигосахариды содержат 4-замещенный остаток глюкозы на восстанавливающем конце. Однако в спектре 1D 1 H ЯМР (фиг.7) суммарной смеси продуктов была обнаружена концевая восстанавливающая -(1→)-D-Glc единица (H-1α при δ 5,240 и H-1β при δ 4,669), но эта единица не была обнаружена в выясненных структурах.
Таким образом, рекомбинантная GTFB катализирует расщепление лишь (α1→4) связей и инициирует образование новых (α1→4) и (α1→6) связей. Этим путем образуются многие продукты, варьирующие от моносахарида до полисахарида (DP>30). Продукт с данной молекулярной массой может иметь разные структуры, как четко показано для образующихся DP7- и DP8-олигосахаридов (-альдитолов). Более того, наблюдалось, что количество (α1→6) связей относительно (α1→4) связей возрастает при увеличении длины цепи вплоть до максимума 50:50. Не вводятся точки ветвления 4,6 или другого типа. Факт, что рекомбинантный фермент GTFB проявил сходную активность на свободных мальтоолигосахаридах и на их восстановленных формах (мальтоолигосахарид-альдитолах), демонстрирует механизм элонгации без восстанавливающего конца.
На основании представленных выше результатов могут быть сделаны следующие важные заключения:
— не обнаружено структур, содержащих 6-замещенный концевой восстанавливающий остаток глюкозы;
— GTFB катализирует расщепление лишь (α1→4) связей и инициирует образование новых (α1→4) и (α1→6) связей;
— количество (α1→6) связей относительно (α1→4) связей возрастает при повышении длины цепи до максимума 50:50;
— не вводятся 4,6- или другие типы точек ветвления;
— GTFB имеет механизм элонгации без восстанавливающего конца.
Введение GTFB-подобной активности в GTFA посредством белковой инженерии
Предшествующие исследования по белковой инженерии показали, что аминокислотные остатки, расположенные в консервативной области III и IV последовательности (см. фиг.1 на предмет выравнивания последовательности), контролируют специфичность в отношении продукта ферментов GTF в плане типа образующейся гликозидной связи. Кроме того, область I и область II содержат аминокислотные остатки, которые вносят вклад в активность фермента и специфичность реакции. Аминокислотные остатки консервативных областей последовательности формируют часть области связывания акцепторного субстрата ферментов GTF. В реакции полимеризации с использованием сахарозы в качестве субстрата эти остатки взаимодействуют с глюкозной (субсайт -1) и фруктозной (субсайт +1) частью сахарозы. Поскольку GTFB использует мальтогептаозу (и другие мальтоолигосахариды) в качестве субстрата, глюкозная часть должна взаимодействовать с акцепторными субсайтами фермента GTFB. Поэтому наиболее вероятно, что уникальная субстратная специфичность GTFB по сравнению с обычными GTF определяется различиями в акцепторных субсайтах. Таким образом, для введения GTFB-подобной активности в обычный фермент GTFA предусматривается замена остатков в акцепторных субсайтах, расположенных в областях I, II, III и IV, для придания сходства с ферментом GTFB.
Более того, 3D структура GTF180 (Vujicic, PhD thesis University of Groningen) показывает наличие нескольких дополнительных остатков, взаимодействующих в субсайтах -1 и +1, которые, по-видимому, важны для взаимопревращения реакционной специфичности GTF. Мутация 981 L→V основывается на взаимодействии, наблюдаемом в 3D-структуре GTF180, где Leu981 посредством сил Ван-дер-Ваальса взаимодействует с фруктозильной частью сахарозы. В GTFB это положение занято остатком валина, как и в других α-глюканотрансферазах GTFDSM, GTF106B, GTFML4. Мутации 1463 D→R, T или M предназначены для замены остатка аспартата, который высококонсервативен в глюкансахаразах, но не в GTFB и родственных ферментах, и взаимодействует с глюкозной частью в субсайте -1 в 3D структуре GTF180.
Кроме того, мутации можно комбинировать любым образом для получения более выраженного действия в отношении изменения реакционной специфичности ферментов GTF. Предлагаются следующие мутации:
источник