Функции углевод: Функции углеводов – основные в организме человека и клетке в таблице

Содержание

Строение, примеры и функции углеводов

Строение и функции углеводов и липидов

Вода

Вода — самое распространенное неорганическое соединœение. Содержание воды составляет от 10% (зубная эмаль) до 90% массы клетки (развивающийся эмбрион). Без воды жизнь невозможна, биологическое значение воды определяется ее химическими и физическими свойствами.

Молекула воды имеет угловую форму: атомы водорода по отношению к кислороду образуют угол, равный 104,5°. Та часть молекулы, где находится водород, заряжена положительно, часть, где находится кислород, — отрицательно, в связи с этим молекула воды является диполем. Между диполями воды образуются водородные связи. Физические свойства воды: прозрачна, максимальная плотность — при 4 °С, высокая теплоемкость, практически не сжимается; чистая вода плохо проводит тепло и электричество, замерзает при 0 °С, кипит при 100 °С и т.д. Химические свойства воды: хороший растворитель, образует гидраты, вступает в реакции гидролитического разложения, взаимодействует со многими оксидами и т.

д. По отношению к способности растворяться в воде различают: гидрофильные вещества — хорошо растворимые, гидрофобные вещества — практически нерастворимые в воде.

Биологическое значение воды:

· является основой внутренней и внутриклеточной среды,

· обеспечивает поддержание пространственной структуры,

· обеспечивает транспорт веществ,

· гидратирует полярные молекулы,

· служит растворителœем и средой для диффузии,

· участвует в реакциях фотосинтеза и гидролиза,

· способствует охлаждению организма,

· является средой обитания для многих организмов,

· способствует миграциям и распространению семян, плодов, личиночных стадий,

· является средой, в которой происходит оплодотворение,

· у растений обеспечивает транспирацию и прорастание семян,

· способствует равномерному распределœению тепла в организме и мн. др.

Углеводы — органические соединœения, состав которых в большинстве случаев выражается общей формулой Cn(h3O)m (n и m ≥ 4). Углеводы подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды.

Моносахариды — простые углеводы, исходя из числа атомов углерода подразделяются на триозы (3), тетрозы (4), пентозы (5), гексозы (6) и гептозы (7 атомов). Наиболее распространены пентозы и гексозы. Свойства моносахаридов — легко растворяются в воде, кристаллизуются, имеют сладкий вкус, бывают представлены в форме α- или β-изомеров.

Рибоза и дезоксирибоза относятся к группе пентоз, входят в состав нуклеотидов РНК и ДНК, рибонуклеозидтрифосфатов и дезоксирибонуклеозидтрифосфатов и др.
Размещено на реф.рф
Дезоксирибоза (С5Н10О4) отличается от рибозы (С5Н10О5) тем, что при втором атоме углерода имеет атом водорода, а не гидроксильную группу, как у рибозы.

Глюкоза, или виноградный сахар (С6Н12О6), относится к группе гексоз, может существовать в виде α-глюкозы или β-глюкозы. Отличие между этими пространственными изомерами состоит по сути в том, что при первом атоме углерода у α-глюкозы гидроксильная группа расположена под плоскостью кольца, а у β-глюкозы — над плоскостью.

Глюкоза — это:

один из самых распространенных моносахаридов,

важнейший источник энергии для всœех видов работ, происходящих в клетке (эта энергия выделяется при окислении глюкозы в процессе дыхания),

мономер многих олигосахаридов и полисахаридов,

необходимый компонент крови.

Фруктоза, или фруктовый сахар, относится к группе гексоз, слаще глюкозы, в свободном виде содержится в меде (более 50%) и фруктах. Является мономером многих олигосахаридов и полисахаридов.

Олигосахариды — углеводы, образующиеся в результате реакции конденсации между несколькими (от двух до десяти) молекулами моносахаридов. Учитывая зависимость отчисла остатков моносахаридов различают дисахариды, трисахариды и т. д. Наиболее распространены дисахариды. Свойства олигосахаридов — растворяются в воде, кристаллизуются, сладкий вкус уменьшается по мере увеличения числа остатков моносахаридов. Связь, образующаяся между двумя моносахаридами, принято называть гликозидной.

Сахароза, или тростниковый, или свекловичный сахар, — дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и фруктозы. Содержится в тканях растений. Является продуктом питания (бытовое название — сахар). В промышленности сахарозу вырабатывают из сахарного тростника (стебли содержат 10–18%) или сахарной свеклы (корнеплоды содержат до 20% сахарозы).

Мальтоза, или солодовый сахар, — дисахарид, состоящий из двух остатков глюкозы. Присутствует в прорастающих семенах злаков.

Лактоза, или молочный сахар, — дисахарид, состоящий из остатков глюкозы и галактозы. Присутствует в молоке всœех млекопитающих (2–8,5%).

Полисахариды — это углеводы, образующиеся в результате реакции поликонденсации множества (несколько десятков и более) молекул моносахаридов. Свойства полисахаридов — не растворяются или плохо растворяются в воде, не образуют ясно оформленных кристаллов, не имеют сладкого вкуса.

Крахмал (С6Н10О5)n — полимер, мономером которого является α-глюкоза. Полимерные цепочки крахмала содержат разветвленные (амилопектин, 1,6-гликозидные связи) и неразветвленные (амилоза, 1,4-гликозидные связи) участки. Крахмал — основной резервный углевод растений, является одним из продуктов фотосинтеза, накапливается в семенах, клубнях, корневищах, луковицах. Содержание крахмала в зерновках риса — до 86%, пшеницы — до 75%, кукурузы — до 72%, в клубнях картофеля — до 25%. Крахмал — основной углевод пищи человека (пищеварительный фермент — амилаза).

Гликоген (С6Н10О5)n — полимер, мономером которого также является α-глюкоза. Полимерные цепочки гликогена напоминают амилопектиновые участки крахмала, но в отличие от них ветвятся еще сильнее. Гликоген — основной резервный углевод животных, в частности, человека. Накапливается в печени (содержание — до 20%) и мышцах (до 4%), является источником глюкозы.

Целлюлоза (С6Н10О5)n — полимер, мономером которого является β-глюкоза. Полимерные цепочки целлюлозы не ветвятся (β-1,4-гликозидные связи). Основной структурный полисахарид клеточных стенок растений. Содержание целлюлозы в древесинœе — до 50%, в волокнах семян хлопчатника — до 98%. Целлюлоза не расщепляется пищеварительными соками человека, т.

к. у него отсутствует фермент целлюлаза, разрывающий связи между β-глюкозами.

Инулин — полимер, мономером которого является фруктоза. Резервный углевод растений семейства Сложноцветные.

Гликолипиды — комплексные вещества, образующиеся в результате соединœения углеводов и липидов.

Гликопротеины — комплексные вещества, образующиеся в результате соединœения углеводов и белков.

Функции углеводов

Функция Примеры и пояснения
Энергетическая Основной источник энергии для всœех видов работ, происходящих в клетках. При расщеплении 1 г углеводов выделяется 17,6 кДж.
Структурная Из целлюлозы состоит клеточная стенка растений, из муреина — клеточная стенка бактерий, из хитина — клеточная стенка грибов и покровы членистоногих.
Запасающая Резервным углеводом у животных и грибов является гликоген, у растений — крахмал, инулин.
Защитная Слизи предохраняют кишечник, бронхи от механических повреждений. Гепарин предотвращает свертывание крови у животных и человека.

сдать анализ в лаборатории KDLmed

Углеводная недостаточность – болезненное состояние, связанное с недостаточным поступлением и усвоением углеводов либо с их интенсивным расходованием.

Так как углеводы играют роль быстрого источника энергии, относительный углеводный дефицит может сопровождать любое физическое перенапряжение и считается вариантом нормы. Уровень углеводов в этом случае быстро восполняется за счет резервов организма без негативных последствий. При длительном дефиците питания, а также при некоторых заболеваниях может развиваться хроническая углеводная недостаточность, последствия которой бывают необратимыми. Наиболее чувствительны к дефициту углеводов клетки нервной и мышечной ткани, которые являются основными потребителями энергии. При нехватке углеводов для восполнения энергии начинают использоваться жиры и даже белок, что может вызывать серьезные изменения в обмене веществ и влиять на работу печени и почек.

Синонимы русские

Дефицит углеводов, гипогликемия.

Синонимыанглийские

A Carbohydrate Deficiency, Deficiency Of Carbohydrates.

Симптомы

Симптомыуглеводной недостаточности во многом зависят от ее длительности и степени выраженности. При кратковременном падении уровня сахара в крови в периоды физического или умственного перенапряжения могут отмечаться легкая слабость и усиленное чувство голода. Длительный дефицит углеводов, сопровождающийся истощением их запаса в печени, может приводить к нарушению ее функций и развитию дистрофии (нарушению питания тканей).

Основные проявления углеводной недостаточности:

  • общая слабость,
  • головокружение,
  • головная боль,
  • голод,
  • тошнота,
  • обильная потливость,
  • дрожь в руках,
  • сонливость.
  • потеря веса.

Кто в группе риска?

  • Население стран с низким уровнем жизни.
  • Те, кто голодает с целью снизить вес или долго придерживается низкокалорийных диет.
  • Пациенты с заболеваниями поджелудочной железы, печени и почек.
  • Инсулинозависимые пациенты.
  • Лица, родственники которых страдают наследственными формами нарушений углеводного обмена.

Общая информация о заболевании

Наряду с жирами и белком углеводы относятся к основным компонентам пищевого рациона. Они удовлетворяют потребность организма в энергии, участвуют в расщеплении жиров и белка.

Многие люди, пытаясь сбросить вес, ошибочно урезают количество углеводов в рационе до минимума, однако полноценная утилизация жиров возможна только при достаточном количестве углеводов.

Основные функции углеводов

  • Энергетическая. При расщеплении углеводов образуется значительное количество энергии, обеспечивающей практически все процессы жизнедеятельности.
  • Питание мозга. Головной мозг является основным потребителем глюкозы.
  • Синтетическая. Углеводы участвуют в образовании многих необходимых организму веществ. Совместно с белками они образуют некоторые ферменты, гормоны, входят в состав слюны и пищеварительных соков.
  • Регуляторная. Углеводы участвуют в процессе расщепления жиров и белка.
  • Пищеварительная. Стимулируют процесс пищеварения, создавая объем пищевого комка.
  • Сорбирующая. Способствуют выведению из организма избытков холестерина и вредных веществ.

Разнообразие выполняемых функций обеспечивается за счет особенностей химического строения углеводов. Принято различать следующие их виды.

  • Простые сахара: глюкоза, фруктоза, лактоза, сахароза. Выполняют функцию источников «быстрой» энергии, главным из которых является глюкоза. Именно она используется клетками в первую очередь и является основой питания мозга. Уровень глюкозы в крови регулируется с помощью инсулина – особого белка (гормона), вырабатываемого поджелудочной железой, – и в норме относительно постоянен. При значительном поступлении углеводов с пищей часть их используется на поддержание уровня глюкозы, а остальные резервируются в печени и мышечной ткани.
  • Сложные сахара: крахмал, гликоген клетчатка и пектины.
    • Крахмал – основной углевод, поступающий с пищей. Содержится в крупах, картофеле, хлебе. В процессе переваривания расщепляется до глюкозы.
    • Гликоген, или «животный крахмал», является формой хранения углеводов в организме. Основная масса гликогена содержится в печени, где и происходит его расщепление до глюкозы при необходимости восстановления ее уровня в крови.
    • Клетчатка (целлюлоза) – практически неперевариваемый углевод, образующий оболочки семян и плодов. Клетчатка практически не участвует в углеводном обмене, но необходима организму для нормального пищеварения: создавая объем пищевого комка, она способствует насыщению и, кроме того, выведению холестерина и вредных веществ.

Таким образом, для обеспечения потребностей организма в первую очередь расходуются простые углеводы (глюкоза), уровень которых восполняется либо за счет поступления с пищей, либо за счет собственных запасов при расщеплении гликогена. Если же собственный углеводный резерв исчерпан, организм начинает использовать имеющийся жир и белки, поэтому длительная нехватка углеводов приводит к серьезным нарушениям обмена и образованию целого ряда вредных веществ, постепенно накапливающихся в крови. К числу таких веществ относятся продукты неполного расщепления жира: кетоновые тела и ацетон. Этот процесс представляет серьезную опасность и даже может привести к коме. Избыточный расход белка вызывает уменьшение мышечной массы, нарушение целого ряда жизненно важных процессов, таких как продукция гормонов, основных белков крови, пищеварительных ферментов, что чревато тяжелыми формами дистрофии, снижением работоспособности и интеллекта.

Главное проявление углеводного дефицита – это гипогликемия – низкий уровень глюкозы в крови.

Основные причины углеводной недостаточности

  • Сахарный диабет – основная причина гипогликемии. Падение уровня глюкозы чаще всего связано с передозировкой инсулина (гормона, регулирующего уровень глюкозы), таблетированных сахароснижающих препаратов или же может явиться следствием нарушений режима питания, стресса или физического перенапряжения у этих пациентов.
  • Физиологическая гипогликемия представляет собой незначительное кратковременное падение сахара в крови у лиц, занимающихся тяжелым физическим трудом, спортсменов в период максимальных нагрузок, а также при стрессовых ситуациях.
  • Алиментарная (пищевая) углеводная недостаточность развивается при длительном голодании, например с целью снизить вес, при избыточном приеме алкоголя. Кроме того, сахар может падать из-за значительного перерыва между приемами пищи. Обычно это проявляется слабостью чувством голода.
  • Инсулинома – опухоль поджелудочной железы, затрагивающая клетки, продуцирующие инсулин. По мере

Углеводы. Строение и функции — презентация онлайн

1. Углеводы. Строение и функции

2. Цели урока:

Продолжить знакомство с основными
классами органических соединений.
Познакомиться со строением и функциями
углеводов

3. Подумайте!!!!

Приведите примеры углеводов, известных
вам из курса ботаники и анатомии
В клубнях картофеля – крахмал;
В свекле, моркови – сахар;
В оболочках растительных клеток –
целлюлоза;
В клетках печени – гликоген.

4. Углеводы- группа органических соединений

Общая формула:
Сn(Н2О)m
Подумайте:
1. Откуда возникло название «углеводы»?

5. Содержание углеводов в клетках

В растительных клетках: в листьях,
плодах, семенах или клубнях картофеля –
90% от массы сухого вещества;
В животных клетках – 1-2% от массы
сухого вещества.
Объясните, в чём причина данного
различия?

6. Получение углеводов

Реакция фотосинтеза
6СО2 + 6Н2О С6Н12О6 + 6О2
Реакция полимеризации
Гидролиз крахмала
(С6Н10О5)n + nh3O –> nС6Н12О6

8. Животные и человек не способны синтезировать углеводы и получают их с различными продуктами растительного происхождения

9. Работа с учебником

Заполните таблицу:
Группы углеводов
Особенности
строения молекулы
Свойства углеводов

10. Классификация углеводов

Группы углеводов
Особенности
строения молекулы
Свойства углеводов
Моносахариды
Число атомов С
С3-триозы
С4-тетрозы
С5-пентозы
С6-гексозы
Бесцветны, хорошо растворимы
в воде, кристаллизуются, имеют
сладкий вкус.
Олигосахариды
Сложные углеводы.
Содержат от 2 до 10
моносахаридных
остатков
Хорошо растворяются в воде,
имеют сладкий вкус, который
уменьшается с увеличением
числа моносахаридных
остатков
Полисахариды
Сложные углеводы,
состоящие из большого
числа мономеровпростых сахаров и их
производных
Плохо или нерастворимы в
воде, не имеют сладкого вкуса,
не образуют ярко оформленных
кристаллов.
Классификация углеводов
Моносахариды
Олигосахариды
Глюкоза
(виноградный
сахар)
Фруктоза
Сахароза
(свекловичный
или тростниковый
сахар)
(фруктовый
сахар)
Лактоза
Рибоза
Мальтоза
Дезоксирибоза
(солодовый
сахар)
(молочный сахар)
Полисахариды
Крахмал
Целлюлоза
Гликоген

12. Моносахариды

Рибоза С5Н10О5
Дезоксирибоза С5Н10О4
Моносахариды
Глюкоза
С6Н12О6

14. Моносахариды

Фруктоза
С6Н12О6

15.

Олигосахариды Сахароза
Состав:
Глюкоза + фруктоза

16. Олигосахариды

Мальтоза
Состав:
Глюкоза + Глюкоза
Лактоза
Состав:
Глюкоза +Галактоза

17. Полисахариды

Крахмал- полимер. Мономеры молекулы
α-глюкозы.
Полисахариды
Целлюлоза — полимер. Мономеры
молекулы β-глюкозы
Полисахариды
Гликоген
Углевод
Где встречается
Значение
Рибоза
Входит в состав РНК, АТФ,
витаминов группы В, ферментов
Дезоксирибоза
Входит в состав ДНК
Глюкоза
Входит в состав ди- и
полисахаридов. Первичный
источник энергии для клеток.
Фруктоза
Содержится в меде. Мономер
олиго- и полисахаридов.
Диабетический продукт.
Углевод
Где встречается
Значение
Сахароза
(сахар)
Входит в состав тканей растений,
получают сахар.
Лактоза
В молоке, питание детенышей
млекопитающих и грудных детей.
В микробиологии для
приготовления питательных сред.
Углевод
Где встречается
Значение
Крахмал
Углевод растений. В пищевой
промышленности.
Целлюлоза
(клетчатка)
Структурный углевод клеточной
стенки растений. Производство
бумаги, вискозного волокна.
Гликоген
Углевод животных и человека
(печень, мышцы). Источник
глюкозы.
Основной компонент панциря
членистоногих, входит в состав
клеточной стенки грибов. Хитозан
используется в медицине.
Хитин
Задание на дом!
1 вариант.
Функции углеводов
2 вариант.
Применение углеводов

24. Функции углеводов

Проверь свои знания
В составе каких организмов больше
углеводов?
С каким важным процессом, протекающим в
растительных организмах, связано большое
содержание в них углеводов по сравнению с
животными?
Какие углеводы служат энергетическим резервом у
растений ? Какие у животных?
Ответь на вопросы теста.

25. Применение углеводов

Вопрос
1 В каких клетках содержится
больше углеводов?
Варианты ответов
А В растительных
Б. В животных
В. Одинаковое количество в тех и других.
2
Какими свойствами обладают
полисахариды?
А. Хорошо растворимы в воде, сладкий вкус.
Б.Плохо растворимы в воде, сладкий вкус.
В. Несладкие и плохо или не способны
растворяться в воде.
3
Основные биологические
функции углеводов?
А.Защитная.
Б.Энергетическая и строительная.
В. Энергетическая и защитная
4
Если вам дано 2 вещества
крахмал и глюкоза. Как можно
их распознать?
А. По запаху
Б. По растворимости в воде.
В. По цвету
5
Какие вещества относят к
моносахаридам?
А.Целлюлоза
Б. Дезоксирибоза
Сколько энергии выделяется
при расщеплении углеводов?
В. Сахароза
А.38,9 кДж
Б. 17,8 кДЖ
6

26. Проверь свои знания

Правильные ответы:






Каковы 6 функций углеводов? — MVOrganizing

Каковы 6 функций углеводов?

Углеводы выполняют шесть основных функций в организме:

  • Обеспечивает энергию и регулирует уровень глюкозы в крови.
  • Экономия белков для получения энергии.
  • Расщепление жирных кислот и предотвращение кетоза.
  • Биологические процессы распознавания.
  • Ароматизаторы и подсластители.
  • Пищевые волокна.

Каковы 4 основные функции углеводов?

Четыре основные функции углеводов в организме — обеспечивать энергию, накапливать энергию, строить макромолекулы и сберегать белок и жир для других целей.Энергия глюкозы хранится в виде гликогена, большая часть которого находится в мышцах и печени.

Какова основная роль углеводов в организме?

Углеводы выполняют несколько ключевых функций в организме. Они дают вам энергию для повседневных задач и являются основным источником энергии, необходимой вашему мозгу. Клетчатка — это особый тип углеводов, который способствует хорошему пищеварению и может снизить риск сердечных заболеваний и диабета.

Какие 4 примера углеводов?

Ниже приведены важные примеры углеводов:

  • Глюкоза.
  • Галактоза.
  • Мальтоза.
  • Фруктоза.
  • Сахароза.
  • Лактоза.
  • Крахмал.
  • Целлюлоза.

Какой хороший пример углеводов?

Углеводы содержатся в широком спектре как здоровой, так и нездоровой пищи — хлеба, бобов, молока, попкорна, картофеля, печенья, спагетти, безалкогольных напитков, кукурузы и вишневого пирога. Они также бывают разных форм. Наиболее распространенными и распространенными формами являются сахар, волокна и крахмал.

Какие примеры простых углеводов?

Общие простые углеводы, добавляемые в продукты, включают:

  • сахар-сырец.
  • коричневый сахар.
  • кукурузный сироп и кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы.
  • глюкоза, фруктоза и сахароза.
  • концентрат фруктового сока.

Какие классы углеводов?

Углеводы делятся на четыре типа: моносахариды, дисахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды состоят из простого сахара; то есть они имеют химическую формулу C6h22O6. Дисахариды — это два простых сахара.

Какие основные углеводы?

Есть три основных типа углеводов:

  • Сахаров. Их также называют простыми углеводами, потому что они находятся в самой простой форме.
  • Крахмалы. Это сложные углеводы, состоящие из множества простых сахаров, соединенных вместе.
  • Волокно. Это также сложный углевод.

Какие три основных класса углеводов?

Углеводы подразделяются на три подтипа: моносахариды, дисахариды и полисахариды.

Какие два основных класса углеводов?

В продуктах питания есть два основных типа углеводов (или углеводов): простые и сложные. Простые углеводы: их также называют простыми сахарами. Они содержатся в рафинированном сахаре, как белый сахар в сахарнице.

Какие классы углеводов и привести примеры?

Самыми простыми углеводами являются трехуглеродный дигидроксиацетон и триозный глицеральдегид. Далее они подразделяются на глюкозу, фруктозу, галактозу и маннозу… .1. Моносахариды:

Альдосес Кетоз
(C₄H₈O₄) Тетрозы Эритроза Эритрулоза
(C₅H₁₀O₅) Пентозы Рибоза Рибулоза
(C₆H₁₂O₆) Гексозы Глюкоза Фруктоза

Что вы подразумеваете под углеводами?

Углеводы — один из трех основных классов продуктов питания и источник энергии.Углеводы — это в основном сахара и крахмалы, которые организм расщепляет на глюкозу (простой сахар, который организм может использовать для питания своих клеток).

Как углеводы расщепляются в организме?

Когда вы едите углеводы, ваше тело расщепляет их на простые сахара, которые попадают в кровоток. Когда уровень сахара в организме повышается, поджелудочная железа вырабатывает гормон, называемый инсулином. Инсулин необходим для перемещения сахара из крови в клетки, где сахар может использоваться в качестве источника энергии.

Что делают простые углеводы?

Простые углеводы или сахара состоят из более коротких цепочек молекул и усваиваются быстрее, чем сложные углеводы. Этот факт означает, что простые углеводы вызывают скачок уровня глюкозы в крови, обеспечивая организм кратковременным источником энергии.

Что означает углевод?

Почему организм сначала сжигает углеводы?

Потребление жиров не способствует использованию жиров в качестве источника энергии — в первую очередь используются углеводы, и если съеденных калорий из углеводов достаточно, избыточные калории из жиров в рационе идут непосредственно на накопление жира.Жир также дает меньше сигналов о наполнении мозга (больше всего дает белок, затем идут углеводы, а затем жир).

Сжигает ли тело жир, когда он голоден?

Хотя вы можете чувствовать голод, когда пытаетесь похудеть, и ограничиваете потребление энергии, голод не означает, что вы сжигаете жир, потому что вы можете похудеть, не чувствуя себя всегда голодным.

Как мне научить свое тело сжигать жир вместо углеводов?

Вот 14 лучших способов быстро сжечь жир и способствовать похуданию.

  1. Начало силовой тренировки.
  2. Соблюдайте диету с высоким содержанием белка.
  3. Больше спать.
  4. Добавьте уксус в свой рацион.
  5. Ешьте больше полезных жиров.
  6. Пейте более здоровые напитки.
  7. Заполните волокно.
  8. Сократите количество рафинированных углеводов.

Сжигает ли ходьба жиры или углеводы?

Например, если у вас есть 30 минут на тренировку, вы сожжете 187 калорий при ходьбе (7 км в час) по сравнению с 365 калориями при беге (9 км в час).Ходьба может сжигать больше жира в качестве топлива, но бег сжигает больше калорий, что в целом способствует большей потере веса.

Может ли ходьба уменьшить жир на бедрах?

Быстрая ходьба также может улучшить ваш метаболизм. Если пояснить этот момент, то более быстрая ходьба может заставить ваше тело использовать жировые запасы для получения энергии. Что еще более важно, быстрая ходьба поможет вам привести ноги в тонус и уменьшить жир на бедрах. Ходьба укрепляет икры, квадрицепсы, подколенные сухожилия и поднимает ягодицы.

Поможет ли мне похудеть 60 минут ходьбы в день?

Существует множество доказательств пользы ходьбы. Ученые из Университета Питтсбурга недавно обнаружили, что люди с избыточным весом, которые быстро ходили от 30 до 60 минут в день, теряли вес, даже если они не меняли никаких других привычек образа жизни.

функций углеводов

Вот информация о функции углеводов в организме. Читайте дальше, чтобы узнать больше о важности углеводов.

Углеводы играют важную роль в укреплении вашего здоровья и обеспечении общей физической формы. Они составляют основную часть вашей пищи и очень помогают в укреплении организма за счет выработки энергии. Фактически, они входят в число трех важных макроэлементов, которые служат отличными поставщиками энергии, а два других — это жиры и белки. Потребление углеводов может происходить в различных формах, таких как сахар, крахмал, клетчатка и т. Д. Функции этого макроэлемента многочисленны, поэтому становится все более необходимым включать в свой повседневный рацион продукты, богатые углеводами. рутина.Для мгновенного производства энергии сахар и крахмал выступают в качестве идеального топлива, позволяющего эффективно выполнять физические упражнения. Помимо прямых преимуществ, еще одним дополнительным преимуществом их потребления является то, что они также открывают путь для легкого потребления и усвоения других важных питательных веществ. Поэтому рекомендуется употреблять в пищу определенные источники углеводов. Читайте дальше, чтобы узнать об основных функциях углеводов в организме.

Углеводы в организме

  • Углеводы помогают регулировать уровень глюкозы в крови, а также помогают организму расщеплять жирные кислоты, тем самым предотвращая кетоз.Итак, ешьте много продуктов, богатых углеводами. Однако рекомендуется выбирать только натуральные, медленно усваиваемые продукты, богатые углеводами.
  • Углеводы также служат источником «биотоплива» для организма. Глюкоза, расщепляемая углеводами, окисляется с образованием воды и углекислого газа, а энергия, выделяемая в этом процессе, регулирует функционирование клеток.
  • Углеводы не только обеспечивают баланс уровня глюкозы в крови, но и являются богатым источником энергии.Они подобны двигателям всех диет и дают нужное количество энергии при потреблении в нужных количествах.
  • Углеводы — отличные антикоагулянты. Они предохраняют организм от серьезной формы нарушения свертываемости, называемой «внутрисосудистое свертывание». Гликопротеин и сахара, высвобождаемые при расщеплении углеводов, обеспечивают плавное протекание антикоагуляции.
  • Гликопротеин и сахара, расщепляемые из углеводов, делают организм невосприимчивым к тяжелым заболеваниям и недомоганиям.Присутствие «олигосахаридных свойств» в гликопротеине способствует этому процессу, таким образом создавая углеводные антигены.
  • Увеличение потребления углеводов также может обеспечить фертильность у женщин. Углеводы контролируют и регулируют важные гормоны, такие как ФСГ (фолликулостимулирующий гормон) и ЛГ (лютеинизирующий гормон), которые жизненно важны для репродуктивной системы у женщин.
  • Углеводы обеспечивают правильную овуляцию и здоровье маточной системы, увеличивая шансы на зачатие и здоровую беременность у женщин.
  • Углеводы также являются важными факторами, способствующими правильному функционированию желудочно-кишечного тракта. Лактоза, высвобождаемая при расщеплении углеводов, обеспечивает и способствует росту в кишечнике определенного типа бактерий, что способствует свободному потоку витаминов группы B.
  • Наряду с этим углеводы также увеличивают шансы усвоения кальция в организме. Кальций в сочетании с клетчаткой, полученной из целлюлозы, обеспечивает бесперебойную работу желудочно-кишечного тракта, стимулируя перистальтику и секрецию важных пищеварительных ферментов.
  • Этот источник энергии также важен для ограничения возможности заразиться опасными для жизни заболеваниями, такими как рак, проблемы с сердцем и диабет. Это можно сделать, если организм человека регулярно получает ограниченные углеводы.
  • Углеводы обладают индивидуальной функцией обеспечения энергоснабжения и обеспечения бесперебойного функционирования клеток в организме человека. Таким образом, он позволяет другим незаменимым веществам, таким как белок, витамины и жир, функционировать бесперебойно.
  • Углеводы гарантируют, что организм не чрезмерно использует жир для получения энергии, и обеспечивают правильный баланс для высвобождения энергии. Это уменьшает и даже предотвращает эффекты кетоза.
  • Около 50–80% энергии в обычном рационе поступает из углеводов. Из этого необходимое количество потребляется тканями, а оставшееся сохраняется в форме гликогена для использования в будущем.
  • Глюкоза необходима организму, особенно для центральной нервной системы, недостаток которой может привести к слабости, головокружению и низкому уровню глюкозы в крови.Наш мозг получает большую часть своей энергии из глюкозы, которая необходима для повышения работоспособности организма и предотвращения умственной и физической усталости.

Углеводы необходимы для всех функций организма. Тем не менее, их неоднократно обвиняли и обвиняли в том, что они связаны с увеличением веса и нежелательным содержанием глюкозы в организме. Негативное воздействие углеводов можно радикально свести к минимуму, если скорректировать потребление. Этот макроэлемент необходимо потреблять в правильных количествах каждый день, в нужное время и с правильным балансом всех других питательных веществ, необходимых для здорового тела.


6 основных функций углеводов | Новый советник по здоровью

Углеводы действуют как топливо в наших автомобилях. Когда мы потребляем углеводы, мы получаем топливо, которое наш организм использует для метаболизма наших клеток. Хотя функции углеводов аналогичны функциям топлива в наших автомобилях, этот процесс намного сложнее. Мы потребляем углеводы в виде овощей, фруктов, бобов и цельного зерна, чтобы дать нашим клеткам глюкозу, необходимую для метаболических функций.

6 основных функций углеводов

Наш организм не может функционировать без углеводов. Наш мозг особенно полагается исключительно на углеводы в своих метаболических свойствах. Основные функции, которые делают углеводы важными, следующие:

1. Обеспечьте нас энергией

Главное, что дают нам углеводы, — это энергия для обмена веществ. Вот почему диетологи рекомендуют получать более половины калорий в виде углеводов.Некоторые углеводы незамедлительно используются для клеточных процессов, а излишки углеводов хранятся в виде гликогена, который присутствует в печени. Некоторые углеводы превращаются в жир и хранятся в наших жировых клетках.

2. Используйте белок другими полезными способами

Без функций углеводов нашему организму пришлось бы использовать белок в качестве топлива. Однако белок необходим для других клеточных процессов, и когда он расходуется в качестве топлива, у нас остается меньше белка для восстановления тканей и производства ферментов.Углеводы позволяют нашему организму использовать белок для его основной цели, а не только в качестве топлива.

3. Необходимы для окисления жиров

Углеводы необходимы организму для сжигания жира. Продукт распада углеводов называется щавелевоуксусной кислотой, которая необходима для метаболизма жиров. Без этого продукта распада жиры превращаются в кетоны, которые могут быть токсичными для организма. Вот почему нам нужны углеводы, чтобы жиры могли правильно усваиваться организмом.

4.Помощь в работе желудочно-кишечного тракта (ЖКТ) в организме

Углеводы играют важную роль в производстве витаминов группы B, вырабатываемых полезными бактериями в организме. Полезные бактерии живут за счет углеводов, потребляемых желудочно-кишечным трактом, а затем могут помочь нам, производя ценные витамины, необходимые для функционирования. Одна из функций углеводов — обеспечивать эти полезные бактерии топливом, чтобы они могли в свою очередь симбиотически помогать нам. Углеводы, такие как лактат, помогают организму лучше усваивать кальций, что полезно для наших костей.

5. Делаем нашу пищу более вкусной

Углеводы придают нам больше вкусовых качеств. Углеводы бывают более разнообразными, чем любая другая пища. Они легко перевариваются желудочно-кишечным трактом, особенно в приготовленном виде, и дают нам основную пищу, необходимую нашему организму для функционирования.

6. Помогите процессам сотового распознавания

Это означает, что углеводы важны для нашей иммунной системы. Многие антитела и белки, используемые в иммунной системе, содержат как углеводы, так и белок.Без углеводов эти комбинации белков / углеводов не могут образоваться. Углеводный компонент помогает печени узнать, когда следует расщеплять антитело, отщепляясь от белков, составляющих иммуноглобулин.

Включите углеводы в свой рацион с умом

Есть два основных типа углеводов, которые вы можете есть, и, хотя функции углеводов одинаковы для обоих типов, они по-разному влияют на обмен веществ в организме.

Простой сахар

Мы едим простые углеводы всякий раз, когда едим пищу, содержащую рафинированные углеводы, например сахар, рафинированные продукты, такие как пирожные, печенье, белый хлеб и некоторые фрукты.Простые сахара очень быстро попадают в организм и повышают уровень инсулина. Повышение уровня инсулина и сахара в крови может способствовать развитию диабета. Лучший способ употреблять простые сахара — это получать их через фрукты и молочные продукты. Фрукты, в частности, содержат простые углеводы, но также богаты клетчаткой, питательными веществами и витаминами. Нет ничего плохого в том, чтобы есть простой сахар, который также содержит полезные вещества. С другой стороны, употребление конфет не дает ничего в плане полезных питательных веществ и может привести к диабету.

Сложные сахара

Они также известны как крахмалы. Крахмал — это тип сложных углеводов, который лучше всего содержится в цельнозерновых продуктах, включая цельнозерновой хлеб, цельнозерновые макаронные изделия и цельнозерновой рис. Они содержат много клетчатки, которая способствует медленному всасыванию углеводов в желудочно-кишечном тракте, и они более сытные, чем простые сахара. Обычно они полезны для здоровья, но не следует выбирать изысканные.

Вы можете получить больше советов по употреблению углеводов из видео ниже, чтобы понять полезные функции углеводов:

5 важнейших функций углеводов

Углеводы выполняют множество функций в организме животных; наиболее важным является обеспечение энергией функций организма.Несмотря на то, что жир дает больше энергии на единицу массы тела, чем углеводы (9 калорий на грамм по сравнению с 4 калориями на грамм), потребление углеводов больше, чем при обычном питании.

Функции углеводов обсуждаются ниже:

1. Как источник энергии:

Основная функция углеводов — обеспечивать энергией процессы организма. Большая часть энергии в рационе (более 50-80%) обеспечивается углеводами.Некоторые из углеводов немедленно используются тканями, а остальные хранятся в виде гликогена в печени и мышцах, а некоторые — в виде жировых тканей для будущих энергетических потребностей.

2. Белкосберегающее действие:

Углеводы в основном используются организмом для удовлетворения большей части энергетических потребностей, таким образом сохраняя белок для построения и восстановления тканей. Первая физиологическая потребность организма — это потребность в энергии, которую необходимо удовлетворить, прежде чем питательные вещества будут использоваться для других функций.Таким образом, эта функция углеводов по сохранению белка для его основной цели — построения тела и восстановления тканей — очень важна.

3. Необходим для окисления жиров:

Несмотря на то, что жир дает вдвое больше энергии, чем углевод на единицу веса, углеводы необходимы для окисления жиров. Распространенное выражение «жир сгорает в огне углеводов» используется, чтобы подчеркнуть, что в отсутствие углеводов жиры не могут окисляться организмом для получения энергии.Недавние исследования показали, что щавелевоуксусная кислота, продукт распада углеводов, необходима для окисления ацетата, который является продуктом распада жиров. В отсутствие щавелевоуксусной кислоты ацетат превращается в кетоновые тела, которые накапливаются в организме, и человек страдает «кетозом» — токсическим состоянием организма. Кетоз возникает при диабете, когда клетки не могут использовать углеводы, и при голодании, когда клетки должны использовать запасы жира в организме в качестве источника энергии.

4. Роль в желудочно-кишечной функции:

Углеводы играют важную роль в желудочно-кишечных функциях млекопитающих. Лактоза способствует росту некоторых желательных бактерий в тонком кишечнике, что вызывает синтез определенных витаминов группы B. Лактоза также улучшает усвоение кальция. Целлюлоза обеспечивает клетчатку и массу, что помогает стимулировать перистальтические движения желудочно-кишечного тракта.

5.Добавьте аромата в рацион:

Углеводные продукты добавляют вкуса, разнообразия и диеты. Поскольку они не вызывают раздражения, легко усваиваются при приготовлении, они потребляются в определенном количестве и являются основным продуктом питания человека.

Углеводы — обзор | ScienceDirect Topics

Abstract

Углеводы — это полигидроксиальдегиды (альдозы) или полигидроксикетоны (кетозы), состоящие из C, H и O. Они подразделяются на моносахариды, олигосахариды и полисахариды. Моносахариды могут быть триозами, тетрозами, пентозами и т.д. в зависимости от количества атомов углерода в молекуле. Они представляют оптическую изомерию из-за наличия асимметричного или хирального C. У животных большинство углеводов в организме человека являются d-изомерами. Глюкоза — это альдогексоза и самый важный моносахарид в организме человека, используемый клетками в качестве топлива. Другие альдогексозы — это галактоза и манноза, которые входят в состав сложных молекул. Фруктоза — это кетогексоза, а рибоза — наиболее важная альдопентоза и компонент РНК.Эти молекулы обычно образуют циклическую структуру, которая может быть пираном или фураном, и они представляют собой изомеры α и β. Существуют производные моносахаридов, которые включают следующее: (1) гликозиды, в которых альдегид или кетонная группа реагируют с другой молекулой; (2) полиспирты, которые получают восстановлением альдегидной или кетонной группы; (3) дезоксисахары, которые образуются в результате потери кислорода из спиртовой группы моносахарида; (4) альдоновая, альдаровая и уроновая кислоты , которые возникают в результате окисления C1 или C6 альдоз; (5) сложные эфиры фосфорной кислоты, которые образуются путем фосфорилирования и обычно встречаются как продукты метаболизма моносахаридов; (6) аминосахара, которые обычно имеют аминогруппу, присоединенную к C2 (глюкозамин и галактозамин).Другими азотистыми производными являются нейраминовая и мурамовая кислоты. Дисахариды включают мальтозу, состоящую из двух d-глюкоз, связанных α-гликозидной связью от C1 одного до OH на C4 другой глюкозы (α-1 → 4 гликозидная связь). Лактоза — это молочный сахар, образованный d-галактозой и d-глюкозой, связанными через β-гликозидную связь от C1 галактозы до C4 d-глюкозы (β-1 → 4 гликозидная связь). Сахароза, обычный подсластитель, образована d-фруктозой и α-d-глюкозой, связанными двойной гликозидной связью между C1 α-глюкозы и C2 β-фруктозы⋅ Полисахариды или гликаны представляют собой полимерные макромолекулы, классифицируемые на: гомо — и гетерополисахариды. Гомополисахариды включают крахмал, являющийся запасом питательных веществ растений, состоящий из амилозы и амилопектина. Амилоза имеет 1000–5000 d-глюкозных единиц, линейно связанных α-1 → 4 гликозидными связями. Амилопектин — это полимер, содержащий более 600 000 единиц глюкозы. Он содержит основную структуру амилозных плюс разветвлений, образованных примерно 25 остатками глюкозы, вставленными в основную цепь посредством α-1 → 6 связей. Гликоген — это полимер, который служит полимером запаса энергии у животных. Он структурно похож на амилопектин, но с большим количеством ответвлений.Декстрины являются конечными продуктами частичного гидролиза амилопектина амилазой. Декстраны представляют собой разветвленные полимеры d-глюкозы, такие как амилопептин и гликоген, с различными гликозидными связями. Инулин — это полимер молекул фруктозы, связанных через α-2 → 1. Целлюлоза играет важную структурную роль в растениях; это линейный полимер глюкозы со связями β-1 → 4. Хитин составляет экзоскелет насекомых и ракообразных и представляет собой полимер из N -ацетил-d-глюкозаминовых единиц, связанных связями β-1 → 4. Гетерополисахариды включают гликозаминогликаны (гиалуроновую кислоту, хондроитинсульфат, дерматан, гепаран и кератансульфаты и гепарин).Гетерополисахариды, связанные с другими типами молекул, составляют протеогликаны, пептидогликаны, гликолипиды (ганглиозиды) и гликопротеины. Протеогликаны являются результатом ассоциации гликановых цепей (хондроитинсульфат, дерматансульфат, кератан), связанных через гликозидные связи с гидроксилом сериновых или треониновых остатков (O-гликозидная связь) или с N остатков аспарагина (N-гликозидная связь) белков. Пептидогликаны — основной компонент клеточных стенок бактерий. Они состоят из N, -ацетил-d-глюкозамина и N, -ацетилмурамовой кислоты.Гликопротеины — это углеводы, конъюгированные с белками посредством O- или N -гликозидных связей. Ганглиозиды и гликопротеины отличаются от протеогликанов тем, что имеют более короткие углеводные цепи. Они играют важную роль в распознавании антигенов / антител на поверхности клеток.

Исследование функций модулей связывания углеводов в белке CBEL от Oomycete Phytophthora parasitica

Abstract

Оомицеты — это микроорганизмы, которые отдаленно родственны истинным грибам, и многие представители этого типа являются основными патогенами растений.Оомицеты экспрессируют белки, которые способны взаимодействовать с полисахаридами клеточной стенки растений, такими как целлюлоза. Считается, что это взаимодействие опосредуется углеводсвязывающими модулями, которые классифицируются в семействе CBM 1 в базе данных CAZy. В этом исследовании два CBM (1–1 и 1–2), которые образуют часть гликопротеина клеточной стенки, CBEL, из Phytophthora parasitica , были представлены для подробной характеристики, во-первых, чтобы лучше количественно оценить их взаимодействие с целлюлозой, а во-вторых, определить, могут ли эти CBM быть полезными для биотехнологических приложений, таких как гидролиз биомассы.Для изучения взаимодействия CBM с различными субстратами использовались различные биофизические методы, и полученные данные показывают, что CBM1-1 CBEL проявляет гораздо большую способность связывать целлюлозу, чем CBM1-2. Конструирование ксиланазы семейства 11 из Talaromyces versatilis ( Tv XynB), фермента, который в природе имеет грибковое семейство 1 CBM, дало два варианта. У первого отсутствует собственный CBM, тогда как второй содержит CBEL CBM1-1. Изучение этих ферментов показало, что Tv XynB дикого типа связывается с целлюлозой через свой CBM1 и что замена его CBM на оомицетал CBM1-1 не влияет на его активность на пшеничной соломе.Однако любопытно, что добавление CBEL во время гидролиза пшеничной соломы фактически усиливает действие варианта Tv XynB, лишенного CBM1. Это предполагает, что потенцирующий эффект CBM1-1 может не требовать образования ковалентной связи с Tv XynB.

Образец цитирования: Martinez T, Texier H, Nahoum V, Lafitte C, Cioci G, Heux L, et al. (2015) Исследование функций модулей связывания углеводов в белке CBEL из оомицета Phytophthora parasitica .PLoS ONE 10 (9): e0137481. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0137481

Редактор: Эльс Дж. М. ван Дамм, Гентский университет, БЕЛЬГИЯ

Поступила: 20 мая 2015 г .; Одобрена: 17 августа 2015 г .; Опубликован: 21 сентября 2015 г.

Авторские права: © 2015 Martinez et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника

Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в пределах бумага.

Финансирование: Спонсор предоставил поддержку в виде заработной платы для HT, но не имел никакой дополнительной роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, решении о публикации или подготовке рукописи. Конкретные роли этого автора сформулированы в разделе «Авторские взносы».

Конкурирующие интересы: Авторы заявляют, что эта коммерческая принадлежность вместе с любыми другими соответствующими заявлениями, касающимися трудоустройства, не влияет на их приверженность политике PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Хотя стенки клеток растений представляют собой самый распространенный источник возобновляемого углерода на Земле, промышленное извлечение составляющих их сахаров затруднено, поскольку полисахариды химически сложны, структурированы и взаимосвязаны и встроены в матрицу лигнина, которая представляет собой высокомолекулярный аморфный полифенольный полимер [1]. Чтобы преодолеть эти трудности, микроорганизмы, которые разрушают стенки растительных клеток в естественных экосистемах, разработали ряд стратегий, которые включают специфические для стенок растительных клеток ферменты и родственные белки, которые вместе преодолевают многие естественные препятствия, которые придают устойчивость стенкам растительных клеток [2].

Углеводно-связывающие модули (CBM) — это разнообразная группа белковых модулей, которые в основном присоединены к ферментам, действующим на углеводы (CAZymes). В базе данных активных ферментов углеводов (http://www.cazy.org/) CBM классифицируются на 71 семейство (по состоянию на июль 2015 г.) на основе сходства аминокислотных последовательностей [3]. Среди сообщенных мишеней CBM некоторые из них связываются с кристаллической целлюлозой, в то время как другие связываются с аморфной целлюлозой, хитином, β-1,3-глюканами, ксиланом, маннаном, галактаном или крахмалом с константами ассоциации в диапазоне от 10 3 M –1 до 10 6 M –1 [4, 5].В этом контексте основная предполагаемая роль CBM заключается в связывании полисахаридов, тем самым увеличивая эффективную концентрацию фермента и повышая активность фермента [6, 7]. Кроме того, было также продемонстрировано, что CBMs могут усиливать активность фермента, воздействуя на полимеры, отличные от субстрата каталитического домена [8]. Это исследование предполагает, что обладание CBM предоставит преимущество ферментам, разлагающим полисахариды, в контексте сложного субстрата ( e . g .лигноцеллюлозная биомасса).

Углеводсвязывающий модуль семейства 1 (CBM1) в основном встречается в грибковых ферментах, разрушающих целлюлозу [9], где, как считается, они эффективно направляют связывание целлюлозы с кристаллической структурой целлюлозы [10]. Несколько исследований показали, что CBM1 сам по себе разрушает кристаллическую структуру целлюлозы и способствует гидролизу, делая субстрат более доступным [11-13]. Соответственно, удаление CBM1 из грибковых целлюлаз часто приводит к снижению сродства к лигандам и снижению гидролитической активности на нерастворимых субстратах [7, 14–16].CBM1 также обнаруживаются в ксиланазах грибов (, , и Gh20 и Gh21) либо на N-, либо на C-конце [9]. Присутствие CBM1 в ксиланазах грибов не всегда оказывается полезным для деградации растворимых и нерастворимых ксиланов [17]. Однако точная роль этого модуля в гидролизе лигноцеллюлозных субстратов все еще плохо изучена и требует дальнейшего изучения.

Структурные исследования показали, что все известные CBMs демонстрируют одну из трех топологий сайта связывания (тип A, B или C) [5].Что касается CBM типа A, которые все представляют собой небольшие домены (длиной от 32 до 36 аминокислотных остатков), структурный анализ CBM семейства 1, принадлежащих целлобиогидролазе I из Trichoderma reesei , показал, что эти связывающие домены имеют клиновидную структуру, которая характеризуется плоской гидрофобной поверхностью, состоящей из трех ароматических остатков (Y5, Y31 и Y32), которые вместе с полярными остатками (Q7 и N29) образуют границу связывания полисахаридов [18]. Более того, CBM1 содержат четыре остатка цистеина, образующие два дисульфидных мостика, которые необходимы для правильной укладки домена [18].В целом считается, что эти две структурные особенности являются общими для всех CBM1 грибов [9].

Хотя большинство CBM1 имеют грибковое происхождение, некоторые из них продуцируются оомицетами [19], грибоподобными нитчатыми микроорганизмами, которые на самом деле более тесно связаны с гетероконтальными водорослями (то есть диатомовыми водорослями, бурыми водорослями), чем с настоящими грибами. Тип Oomycota насчитывает более 800 видов, обитающих в земной или водной среде, и включает некоторые из наиболее разрушительных патогенов растений (например,Возбудитель фитофтороза Phytophthora infestans или возбудитель внезапной гибели дуба Phytophthora ramorum ) [20]. В отличие от ферментов, разрушающих клеточную стенку настоящих грибов, многие из ферментов, выделенных из оомицетов, не обладают CBM1s [19, 21]. С другой стороны, у видов оомицетов CBM1 были обнаружены как одиночные домены или как часть мультидоменных белков [21, 22]. Что касается последнего, то часто это белки, состоящие из CBM1, которые присоединены к так называемому модулю PAN / Apple, белковому домену, который может выполнять различные биологические функции, опосредуя взаимодействия белок-белок или белок-углевод [23-25] .Важно отметить, что хотя CBM1 оомицетального происхождения обнаруживают некоторые специфические особенности, они также имеют общие консервативные цистеины и ароматические остатки с CBM1 грибного происхождения [19].

c ellulose- b inding e licitor l эктин ( CBEL ) из Phytophthora parasitica представляет собой наиболее описанный оомицетальный CBM1-содержащий белок. Этот неферментативный гликопротеин клеточной стенки содержит две гомологичные, но неидентичные копии ассоциации CBM1-PAN / Apple, причем два повтора разделены линкерной областью, богатой треонином / пролином [26].Этот гликопротеин описывается как элиситор из-за его способности запускать иммунные ответы растений [27]. In vitro , CBEL, как было показано, связывается со стенками клеток табака и кристаллической целлюлозой (например, Avicel) [27]. Предыдущие результаты показывают, что CBEL представляет собой лектин, который действует как структурный белок в стенке целлюлозной клетки фитофторы Phytophthora и опосредует прикрепление микроорганизма к поверхностям хозяина [28]. Структурное предсказание с использованием моделирования in silico показало, что CBM1 оомицетала содержат пять цистеинов, четыре из которых участвуют в двух дисульфидных мостиках, и предположил, что аминокислоты F25, Y51 и Y52 в CBM1-1 и Y162, F187 и Y188 в CBM1 -2 находятся на поверхности и придают CBEL способность связывать целлюлозу [19].Более того, экспериментальная работа показала, что сродство к целлюлозе и активная активность CBEL значительно уменьшаются, когда Y52 и Y188 (расположенные в CBM1-1 и CBM1-2 соответственно гликопротеина) были мутированы на аланин [27]. Однако, помимо этого исследования, ясно, что CBM1 из оомицетов до сих пор изучены гораздо меньше, чем их грибковые аналоги.

В этом исследовании мы решили лучше охарактеризовать CBEL и, в частности, CBM1. Мотивом, лежащим в основе этого исследования, было желание лучше понять возможности связывания полисахаридов оомицеталом CBM1 и определить, могут ли они быть полезными для усиления разложения лигноцеллюлозной биомассы.Для достижения этих целей CBM1-ассоциированные CBM1 были охарактеризованы с использованием различных методов, а также были связаны с ксиланазой грибов с использованием стратегии белковой инженерии. В целом, данные, описанные в этой работе, подтверждают способность оомицетала CBM1 связывать полисахариды и раскрывают потенциал этих белковых модулей для разработки стратегий деградации биомассы.

Материалы и методы

Общие материалы и химические вещества

Если не указано иное, все химические вещества были аналитической чистоты и были закуплены у Sigma – Aldrich (St.Луис, Миссури, США). Рестрикционные ферменты, ДНК-полимераза Taq и их соответствующие буферы были получены от New England Biolabs (Ипсвич, Массачусетс, США). Олигонуклеотиды были синтезированы Eurogentec (Анже, Франция). Avicel PH-101 (Ref. 11365) и ксилан березового дерева (BWX) (Ref. X0502) были приобретены у Sigma Aldrich. Целлогексаоза, арабинан сахарной свеклы, глюкан со смешанными связями ячменя и арабиноксилан пшеницы были приобретены у Megazyme (Wicklow, Ирландия). Солома пшеницы (сорт Apache), собранная в 2007 году на юге Франции, была получена от ARD (Pomacle, Франция) и измельчена до 0.5 мм, как описано ранее [29], и нанокристаллы целлюлозы из хлопкового линта (в 2% -ной водной суспензии) были любезно получены Laurent Heux (CERMAV, Гренобль, Франция) с использованием установленного метода [30]. Полученные наночастицы имели решетчатую форму (200 ± 60 нм, длина, 20 ± 10 нм, ширина и высота 7 нм).

Гетерологичная экспрессия белков в

E . кишечная палочка
Клонирование
Tv XynB в E . кишечной палочки .

XynB из Talaromyces versatilis (GenBank AJ489605.1) был клонирован в pET28a между NdeI и HindIII (генерируя pET- Tv XynB) с использованием ПЦР для амплификации двух экзонов гена Xyn B, праймеров экзона 1 E1fo 5′-ATACTTCATATGGCTGAGGCGATCAACTACAACC-3 ‘и E CTGTAGGTGATGGGTTAGCATCACCTGGTTGCCAACC-3 ‘, а праймеры для экзона 2 были E2fo 5′-GGCAACCAGGTGATGCTAACCCCATCACCTACAGCGGC-3′ и E2re 5’-ATAGTCAAAGCTTCTTGGTAGCACTG. Используя ранее приготовленную конструкцию в качестве матричной ДНК, Tv XynBΔCBM получали с помощью ПЦР, амплифицируя только кодирующую ксиланазу последовательность (нуклеотиды от 1 до 693) ранее клонированной последовательности Xyn B с использованием праймеров E1fo и E2SSCBM: 5′-ATTCAAAGCTTCAGGTCCGCACCAC -3 ‘и клонировали в pET28 (генерируя pET- Tv XynBΔCBM).Последовательность, кодирующую первую копию CBM1 (обозначенную CBM1-1) из CBEL Phytophthora parasitica (аминокислоты с 23 по 55), амплифицировали с помощью ПЦР с использованием кДНК CBEL [27] в качестве матрицы. Ампликон клонировали в pET28a- Tv XynBΔCBM с использованием Hind III и Xho I, создавая, таким образом, новую кассету, кодирующую слитый белок Tv XynB-CBM1-1.

Экспрессия белка в
E . кишечной палочки .

CBEL из Phytophthora parasitica (GenBank ID: X97205) и их варианты (CBEL Y52A_Y188A , CBEL Y52A , CBEL Y188A ) были выражены в E . coli штамм BL21 DE3, как описано ранее [27]. Вкратце, экспрессию белка индуцировали добавлением изопропилтио-β-D-1-тиогалактопиранозида (конечная концентрация 500 мкМ) к бактериальной культуре (инкубированной при 37 ° C со встряхиванием), когда значение поглощения (600 нм) составляло 0,5 (примерно через 3 часа после инокуляции). ) было достигнуто. Культуру продолжали еще 4 часа при 37 ° C, а затем клетки выделяли центрифугированием (5000 g, 20 мин, 4 ° C) и лизировали для экстракции телец включения белка. Тельца включения, солюбилизированные мочевиной, подвергали диализу при 4 ° C против 10 л натрий-ацетатного буфера (100 мМ, pH 5.2) и наносили на хроматографическую колонку CM-Sepharose, уравновешенную тем же буфером. Белки разделяли, применяя градиент NaCl (от 0 до 1 М), и элюированные белки объединяли и нейтрализовали исчерпывающим диализом (100 объемов) при 4 ° C в течение 48 часов против воды. Белки Tv, XynB, Tv, XynBΔCBM и Tv, XynB-CBM1-1, экспрессировались в E . coli штамм Tuner DE3 в соответствии с аналогичной процедурой, за исключением того, что экспрессию индуцировали с использованием более низкой концентрации IPTG (конечная концентрация 200 мкМ), а рост продолжали в течение следующих 16 часов при 16 ° C после индукции.После извлечения осадка клеток центрифугированием (5000 g, 20 мин, 4 ° C) и лизиса клеток обработкой ультразвуком (10 мин, с использованием импульсов 0,5 с) супернатант клеток, содержащий фракцию растворимого белка, наносили на кобальтовую аффинную хроматографию. колонка (Talon) в 20 мМ Tris-Hcl pH 8,0 в 300 мМ буфере NaCl (буфер Talon). His-меченные белки элюировали с использованием градиента имидазола (от 0 до 200 мМ), а затем все фракции, содержащие рекомбинантный белок, объединяли и диализовали против 100 объемов 20 мМ трис-HCl, pH 7.0 при 4 ° C в течение 24 часов. Очищенные ферменты считали гомогенными после анализа SDS-PAGE и хранили при 4 ° C. Концентрации белка определяли путем измерения оптической плотности при 280 нм и применения уравнения Ламберта-Бера. Теоретические коэффициенты молярной экстинкции были рассчитаны с использованием онлайн-программы ProtParam [31].

Твердотельные анализы истощения.

Анализы адсорбции на целлюлозе Avicel проводили в 0,1 мМ натрий-ацетатном буфере, pH 5. Белки в концентрациях в диапазоне 0-25 мкМ инкубировали при непрерывном перемешивании (1100 об / мин, термомиксер Biorad) в течение 16 часов при 25 ° C с 2 .5% Avicel, перед извлечением супернатанта и твердой фракции с помощью центрифугирования (10 мин, 10 000 g, 22 ° C). После удаления надосадочной жидкости твердую фракцию снова подвергали центрифугированию, чтобы гарантировать выделение всей жидкой фракции, а затем определяли концентрацию несвязанной, растворимой белковой фракции (т. Е. В надосадочной жидкости) с использованием метода Брэдфорда ( Protein Reagent Assay, Bio-Rad). Затем определяли концентрацию связанного белка путем вычитания концентрации несвязанного белка из начальной концентрации белка.Параметры связывания ( K, , , D и B max, ) рассчитывали путем подгонки данных к изотерме Ленгмюра для одного сайта с использованием программного обеспечения Sigma-plot (версия 12.0). Каждый эксперимент проводился в трех экземплярах.

Эксперименты по флуоресцентной спектроскопии.

Спектры флуоресценции были получены при 25 ° C с использованием спектрофлуориметра Cary Eclipse Agilent и кварцевых кювет размером 5 мм × 5 мм. Длины волн возбуждения и излучения составляли 295 и 300–500 (сканирование) соответственно, а ширина щелей составляла 5 нм.Для проведения экспериментов буферный белковый раствор 7 мкМ белка (конечная концентрация) в 50 мМ HEPES, pH 7,5 помещали в кювету с 0, 0,05, 0,1, 0,5, 1 и 1,5% мас. / Об. Конечной концентрации суспензии. нанокристаллов целлюлозы. Спектры записывали с интервалами 2 нм до тех пор, пока не перестанут регистрироваться дальнейшие спектральные изменения. На этом этапе предполагалось, что привязка завершена. Все титрования проводили в трех повторностях. Когда наблюдался сдвиг длины волны интенсивности E max , барицентрическая средняя длина волны интеграла от 300 до 500 нм была рассчитана, как описано ранее [32].Константу диссоциации K D и B max вычисляли по кривой путем подгонки данных к модели связывания с одним сайтом (гипербола), содержащейся в программном пакете Sigma-plot (версия 12.0).

Изотермическая калориметрия титрования (ITC).

Эксперименты по изотермической калориметрии титрования (ITC) проводили при 25 ° C в 50 мМ HEPES, pH 7,4 с использованием прибора Microcal ITC200 (GE Healthcare, Little Chalfont, UK). Чтобы гарантировать минимальное несоответствие буфера, перед экспериментом белки диализовали против буфера, и молекулы лиганда непосредственно солюбилизировали в нем.Эксперименты состояли из серии инъекций 20 x 2 мкл целлогексаозы (от 1,6 до 3 мМ) в раствор белка (CBEL или CBEL Y52A_Y188A при 80-110 мкМ), содержащийся в термостатической ячейке (начальная задержка 60 с, продолжительность 4 с и интервал 100 с). Эксперименты ITC систематически проводились в двух экземплярах. Титрование лиганда в ячейке с образцом, содержащей только буфер, вычитали из фактического эксперимента по связыванию перед анализом данных. Скорректированные изотермы связывания были подогнаны к модели двух последовательных сайтов связывания с использованием нелинейного анализа методом наименьших квадратов для получения значения константы равновесного связывания ( K A ) и изменений энтальпии (ΔH), связанных со связыванием лиганда.

Измерение активности ксиланазы.

Все измерения активности ферментов проводили в трех экземплярах, отслеживая высвобождение редуцирующих сахаров, которые определяли количественно с использованием стандартного метода DNS. Во время реакции аликвоты (100 мкл) отбирали через равные промежутки времени и сразу же смешивали с равным объемом реагента 3,5-динитросалициловой кислоты (DNS) [33]. После этого измеряли оптическую плотность (540 нм) каждого образца и сравнивали со стандартной кривой, полученной с использованием раствора ксилозы при различных концентрациях, чтобы определить концентрацию восстанавливающих эквивалентов ксилозы.Не было сделано поправок на тот факт, что действительный продукт гидролиза в основном представляет собой ксилоолигосахариды.

Активность
Tv XynB и производных по отношению к ксилану березовой древесины.

Во-первых, чтобы определить оптимальные рабочие условия для рекомбинантного Tv XynB, ферментативную активность измеряли на 5 г / л ксилана березового дерева (BWX) при 40 ° C с использованием 50 мМ цитрат-фосфатных буферов с pH в диапазоне от 2,5 до 5. После определения оптимального pH для активности температуру реакции варьировали, работая при оптимальном pH (3.0). Для измерения активности использовали метод DNS и проводили реакции, как описано в разделе «Активность ксиланазы», ​​если не указано иное. Активности выражали в единицах, где 1 единица определяется как количество фермента, необходимое для высвобождения 1 мкмоль восстанавливающего эквивалента ксилозы в минуту. После определения оптимальных условий для Tv XynB кинетику фермента изучали путем проведения реакций в 50 мМ цитрат-фосфатном буфере, pH 3,0 при 40 ° C, с использованием восьми различных концентраций BWX в диапазоне 0.5–25 г. л -1 . За реакциями следили с помощью DNS, и начальные скорости строили как функцию концентрации субстрата с помощью пакета энзимной кинетики SigmaPlot Ver12.0. Данные были обработаны с использованием алгоритма нелинейной регрессии, и были получены значения k cat и кажущийся K m . Термостабильность контролировали путем предварительной инкубации ферментов и вариантов (100 мМ) при 40 ° C, 45 ° C, 50 ° C и 55 ° C в течение до 24 часов в 50 мМ цитрат-фосфатном буфере, pH 3.0. Затем в каждом случае анализировали остаточную ксиланазную активность, как описано выше, все эксперименты проводили в трех повторностях.

Определение активности пшеничной соломы.

Активность ксиланазы на измельченной пшеничной соломе (WS) определяли, как описано выше (при 40 ° C в 50 мМ цитрат-фосфатном буфере, pH 3,0), используя 2% (мас. / Об.) WS и XynB, XynBΔCBM или XynB-CBM1- 1 при конечных концентрациях белка 0, 0,1, 0,25, 0,5, 1 и 2,5 мг белка на 1 г субстрата. После 24-часовой инкубации при непрерывном перемешивании реакционную смесь центрифугировали для удаления твердого вещества (10 мин, 10 000 x г, , RT), и количество редуцирующих сахаров, высвобожденных в супернатант, определяли количественно методом DNS., Эксперименты были выполнены в трех экземплярах, и t-критерий Стьюдента был реализован с использованием значения p <0,05 и t -тест по сравнению с Tv XynB, эталоном дикого типа. Активность фермента выражали в единицах, как описано выше.

Мониторинг синергизма между CBEL и
Tv XynB вариантов.

Для выявления любых синергических эффектов, полученных путем объединения CBEL с Tv XynB или одним из его производных в концентрации 0,1 мг / г WS, активности измеряли с использованием субстрата WS, как описано выше, за исключением того, что CBEL добавляли к конечной концентрацию 10 мг / г WS и реакцию проводили в пробирках Эппендорфа емкостью 2 мл при 40 ° C в течение 24 часов при непрерывном перемешивании (с использованием миксера Biorad Thermomixer, работающего при 1400 об / мин).Также были выполнены контрольные эксперименты, которые содержали только CBEL. Для анализа реакционную смесь центрифугировали (10000 x г, в течение 10 минут) и количество восстанавливающих сахаров в супернатанте количественно определяли с помощью анализа DNS. Эксперименты были выполнены в трех повторностях, и t-критерий Стьюдента был реализован с использованием значения p <0,05 и t -тест по сравнению с эталоном Tv XynBΔCBM. Действия были выражены в единицах, как описано выше.

Результаты и обсуждение

CBEL представляет собой гликопротеин из Phytophthora parasitica , который состоит из двух CBM1 и двух некаталитических модулей, обозначенных PAN / APPLE, и, как известно, связывается с кристаллической целлюлозой in vitro (рис. 1).Предыдущее исследование мутагенеза предоставило доказательства того, что Y52 и Y188, расположенные на поверхности CBM1-1 и CBM1-2 соответственно, важны для связывания целлюлозы, поскольку двойной мутант CBEL Y52-Y188 был лишен связывающей способности [27]. Поскольку связывающие свойства CBEL были изучены исключительно в отношении элиситорной активности, мы решили лучше охарактеризовать и количественно оценить связывающие свойства CBEL, используя двойной мутант CBEL Y52-Y188 и одиночные мутанты: CBEL Y52A и CBEL Y188A.

Рис. 1. Схематическое изображение доменов белка CBEL.

CBM1 и PAN / Apple пронумерованы от N- до C-конца белка. CBM1 и PAN / Apple домены обозначены серыми и белыми прямоугольниками соответственно. Компоновщик представлен черной линией.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0137481.g001

Связывающая способность CBEL-кристаллическая целлюлоза

Твердотельный анализ истощения.

Анализ истощения в твердом состоянии с использованием Avicel проводили для количественной оценки связывания CBEL с этой кристаллической целлюлозой.В этом анализе CBEL дикого типа продемонстрировал способность связывать лиганд, в то время как использование двойного мутанта CBEL Y52A_Y188A, не выявило какого-либо детектируемого связывания, что согласуется с предыдущим выводом о том, что ароматические остатки придают связывающую способность CBEL (таблица 1). ). Точно так же вариант CBEL, несущий единственную мутацию в его CBM1-1 (CBEL Y52A ), также демонстрировал 15-кратное снижение связывания с Avicel. Это резко контрастирует со связывающей способностью, проявляемой другим одиночным мутантом CBEL Y188A (мутировавший в CBM1-2), который был аналогичен CBEL дикого типа (таблица 1).Интересно, что это последнее наблюдение предполагает, что CBM1-1 является основным детерминантом связывания целлюлозы в CBEL и что Y52 играет ключевую роль в этой функции.

Флуоресцентный спектроскопический анализ взаимодействий CBM-лиганд.

Для дальнейшего изучения связывающих свойств вариантов CBEL их взаимодействие с нанокристаллами целлюлозы было изучено с помощью флуоресцентной спектрофотометрии. Преимущество использования нанокристаллов целлюлозы состояло в том, что они водорастворимы и имитируют поверхность целлюлозы [34, 35].В этих экспериментах рассчитанное значение для K D составляло 2,5 гл -1 для CBEL, но связывание не было обнаружено в случае CBEL Y52A_Y188A , что еще раз согласуется с другими сообщенными данными. в этом исследовании (таблица 2). Точно так же, как и раньше, было обнаружено, что связывающая способность одиночного мутанта CBEL Y52A сильно снижена, при этом значение K D увеличилось примерно в 40 раз, тогда как у CBEL Y188A было увеличено только в 6 раз. (Таблица 2).Вместе эти данные подтверждают мнение о том, что связывание CBEL с целлюлозными соединениями в основном управляется CBM1-1 и что связывающая способность CBM1-2 намного ниже. В этом отношении следует отметить, что связывающая способность CBM1-1 с Avicel сравнима со способностью CBM1 грибов и что остаток Y52 в CBM1-1, по-видимому, является функциональным гомологом Y32 в CBM1 T . reesei целлобиогидролаза I, последняя, ​​как известно, является детерминантом связывания целлюлозы [36, 37]. Однако результаты также поднимают новый вопрос относительно возможной специфичности и, следовательно, биологической роли CBM1-2.

Связывающая способность CBEL-целлоолигосахарид

Чтобы получить подробную информацию о связывающей способности CBEL, эксперименты изотермической калориметрии титрования (ITC) (рис. 2) были выполнены в присутствии целлогексаозы, самого длинного растворимого целлоолигосахарида, доступного на рынке. После анализа данных ITC и на основании предыдущих результатов выяснилось, что связывание CBEL с титрованием целлогексаозы лучше всего анализировать с использованием модели с двумя последовательными сайтами связывания с более высокими ( K D 1 = 52 мкМ, Δh2 = -1967 ккал-моль -1 ) и более низкое сродство ( K D 2 ~ 800 мкМ, Δh2 = -9156 ккал-моль -1 ) сайтов связывания (рис. 2).Хотя наблюдаемое сродство является слабым, оно согласуется с сродством, наблюдаемым для целлюлаз с целлогексаозой и с другими семействами CBM [4, 38]. В случае CBEL Y52-Y188 в экспериментальных условиях мы не смогли наблюдать никакого связывания с целлогексаозой (данные не показаны), что подтверждает гипотезу о том, что остатки Y52 и Y188 являются ключевыми детерминантами способности CBEL связывать сахар.

Рис. 2. Связывающее взаимодействие между CBEL и целлогексаозой, как было исследовано с помощью изотермической калориметрии титрования (ITC).

На верхней панели показана термограмма, показывающая теплоту связывания. На нижней панели показана кривая титрования. Процедуру подбора выполняли с использованием модели двух последовательных сайтов связывания.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0137481.g002

Действие CBEL на пшеничной соломе

Некоторые CBM1 грибов обладают способностью разрушать поверхность целлюлозы по некаталитическому механизму [11–13]. Поэтому, чтобы исследовать, может ли CBEL проявлять способность изменять структуру целлюлозы аналогичным образом, рекомбинантный CBEL инкубировали с пшеничной соломой.CBEL индуцировал высвобождение небольшого, но значительного количества восстанавливающих сахаров (905 мкМ) по сравнению с контролем BSA (103 мкМ). Хотя активность доменов PAN / Apple на субстрате нельзя исключить в этом анализе, этот результат поддерживает точку зрения, что CBM1 из CBEL каким-то образом модифицируют полисахариды клеточной стенки. Однако мы не смогли продолжить и завершить это исследование, поскольку оказалось невозможным произвести CBM1-1 самостоятельно в E . coli , чтобы оценить его влияние на пшеничную солому.Тем не менее, ранее с использованием частично свернутого синтетического пептида CBM1-1 было показано, что он запускает иммунные ответы растений [27, 39]. Чтобы продолжить наше исследование действия CBEL на пшеничную солому, мы также объединили CBEL с коммерческим целлюлолитическим коктейлем. Однако в этом случае действие коктейля не было усилено, что означает, что коктейль сам по себе смог получить доступ к полисахаридам, на которые нацелился CBEL в предыдущем эксперименте (данные не показаны).

Присоединение CBM1-1 к грибковой эндоксиланазе

Сообщалось, что добавление ксиланаз к смеси целлюлозы усиливает высвобождение глюкозы за счет увеличения доступности целлюлозы для целлюлаз за счет удаления гемицеллюлозы [40, 41].Более того, точная роль CBM1, присоединенных к ксиланазам грибов, в гидролизе лигноцеллюлозы неясна, даже если известно, что CBM усиливают действие фермента на стенки растительных клеток, нацеливаясь на полимеры, которые находятся в непосредственной близости от субстрата фермента-партнера [8]. В этом контексте мы исследовали, может ли оомицеталь CBM1 усиливать действие грибковой ксиланазы на пшеничную солому. Следовательно, химерный фермент, Tv, XynB-CBM1-1, был создан путем замены CBM1 ксиланазы B Talaromyces versatilis , Tv XynB [42] на CBEL CBM1-1.Аналогичным образом, для полноты исследования был создан усеченный мутант Tv XynBΔCBM, в котором отсутствует CBM1. Оба белка успешно экспрессировались в растворимой форме в E . coli и может быть очищен почти до гомогенности. Рекомбинантные белки Tv, XynB и Tv, XynBΔCBM, имели кажущуюся молекулярную массу 27,8 и 26 кДа, что соответствует ожидаемой молекулярной массе.

Свойства телевизора
XynB и его вариантов.

Биохимическая характеристика Tv, XynB и вариантов показала, что три фермента проявляли очень похожие свойства, которые на самом деле довольно согласовывались со свойствами Tv XynB, экспрессированного в Pichia pastoris , [26]. Важно отметить, что все ферменты были оптимально активны в диапазоне pH 3,0–3,5 с максимальной активностью при pH 3,0, что является относительно низким, но вполне обычным для грибковых эндоксиланаз [43], и при 55 ° C. Однако при 55 ° C ферменты, описанные в этом исследовании, были менее стабильными (потеря 25% активности через 30 минут), чем Tv XynB, экспрессируемый в P . pastoris [26]. Таким образом, эксперименты фактически проводились при 40 ° C, таким образом гарантируя, что ферменты будут оставаться стабильными в течение как минимум 24 часов (данные не показаны). Эта разница в термостабильности рекомбинантного Tv XynB выражена в E . coli и P . pastoris может быть связано с гликозилированием, которое было доказано в P . pastoris , но полностью отсутствует в E . кишечной палочки .Что касается удельной активности, все три фермента Tv, XynB, Tv XynBΔCBM и Tv XynB-CBM1-1 показали аналогичное поведение (1515 ± 162 МЕ. Мг -1 белка) на ксилане березового дерева (BWX) (Таблица 3 ). Точно так же кинетический анализ выявил почти идентичные значения для k cat и очевидного K m (таблица 3), подтверждая, что ни присутствие CBM1 дикого типа, ни домена, производного от CBEL, не модулируют активность каталитический домен на BWX.Этот результат согласуется с предыдущими открытиями, которые показывают, что CBM1 обычно нацелены на целлюлозу, даже когда они добавляются к каталитическим модулям, которые не гидролизуют целлюлозу [38, 44]. Этот вывод был подтвержден анализами истощения, которые показали, что как Tv XynB дикого типа, так и вариант Tv XynB-CBM1-1 были способны связываться с Avicel, тогда как Tv XynBΔCBM — нет (Таблица 1). Тем не менее, связывание с Avicel не было идентичным, поскольку Tv XynB дикого типа связывались сильнее, чем Tv XynB-CBM1-1.Более того, анализы задержки геля с использованием фермента дикого типа и Tv XynB-CBM1-1 не смогли выявить взаимодействия любого из белков с арабинаном сахарной свеклы, арабиноксиланом пшеницы или смешанным β- (1, 3) (1, 4 ) -d-глюкан (данные не показаны).

Гидролиз соломы пшеницы
Tv XynB и его варианты, а также влияние CBEL.

Используя пшеничную солому в качестве субстрата, гидролитические свойства Tv XynB-CBM1 1 были дополнительно исследованы, сравнивая эффективность с ферментом дикого типа и Tv XynBΔCBM соответственно.После 24-часового гидролиза количество восстанавливающих сахаров, высвобождаемых Tv XynBCBM1-1, обычно было выше, чем наблюдавшееся с Tv XynB. При низких нагрузках фермента это увеличение активности составляло примерно 10%, но было более значительным (16, 18 и 16%) при более высоких нагрузках (0,5, 1 и 2,5 мг / г) соответственно (рис. 3). Следовательно, это подтверждает, что CBM1-1 может, по крайней мере, восстанавливать активность дикого типа в XynΔCBM и в лучшем случае может повышать активность, превышающую уровни дикого типа. Предположительно этот эффект можно объяснить связыванием CBM1-1 с целлюлозой, которая находится в тесном контакте с арабиноксиланами клеточной стенки.

Рис. 3. Гидролиз соломы пшеницы Tv XynB ксиланазой и ее производными.

Черные, серые и белые полосы представляют Tv XynB-CBM1-1, Tv XynB и Tv XynBΔCBM соответственно. Возрастающие количества Tv, XynB, Tv, XynBΔCBM и Tv, XynB-CBM1-1 (от 0,1 до 0,5 мг фермента / г субстрата) инкубировали с 0,02 г пшеничной соломы. Количество солюбилизированных восстанавливающих конечностей измеряли через 24 часа гидролиза при 40 ° C, pH 3.0 с помощью анализа DNS. Был включен контроль без фермента, и все эксперименты проводили в трех повторностях. Звездочки указывают на значительные различия (p-значение <0,05, t -тест по сравнению с Tv XynB, эталоном дикого типа).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0137481.g003

Для завершения этого исследования также был проведен гидролиз соломы пшеницы с использованием комбинации Tv, XynBΔCBM, Tv XynBCBM1-1 или Tv. XynB и CBEL (рис. 4).Это показало, что в результате реакции был получен выход растворимых восстанавливающих сахаров, аналогичный выходу с участием Tv, XynB-CBM1-1. Если предположить, что домены PAN / Apple здесь не играют никакой роли, это наблюдение одновременно интригует и сбивает с толку, поскольку может означать, что усиление активности ксиланазного модуля с помощью CBM1-1 не требует ковалентного связывания. С другой стороны, связывание CBEL (через его CBM1-1) с целлюлозой может спровоцировать аморфогенез, что, в свою очередь, приводит к неспецифической солюбилизации компонентов, которые не связаны ковалентно в клеточной стенке.Чтобы продолжить это исследование и лучше понять лежащие в основе явления, необходимо будет возобновить усилия по получению изолированной рекомбинантной формы CBM1-1.

Рис. 4. Дополнение Tv XynB CBEL при гидролизе пшеничной соломы.

Tv XynBΔCBM (0,1 мг фермента / г субстрата) инкубировали с CBEL или без него (10 мг. Г -1 пшеничной соломы) при pH 3,0 и 40 ° C при перемешивании (1400 об / мин) в течение 24 часов. Tv XynB-CBM1-1 без CBEL показан как контрольный.Эксперименты проводили в трех экземплярах. Звездочки указывают на значительные различия (p-значение <0,05, t -тест по сравнению с эталоном Tv XynBΔCBM).

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0137481.g004

Выводы

Это исследование дает новое понимание свойств связывания целлюлозы CBM1 из оомицетального белка CBEL и показывает, что CBM1-1, вероятно, является основным детерминантом взаимодействия CBEL с целлюлозой.Более того, эта работа продемонстрировала, что CBM1-1 из Tv XynB каким-то образом усиливает действие ксиланазы, хотя точно, как это достигается, остается неясным. Действительно, хотя добавление CBM1-1 к каталитическому модулю Tv XynB увеличивало активность по сравнению с эквивалентным ферментом, не содержащим CBM, аналогичный результат можно было получить, комбинируя Tv XynBΔCBM со свободным CBEL. Таким образом, хотя это исследование показало, что CBM1-1 может быть интересен для создания химерных ферментов, оно также вызывает ряд новых вопросов, требующих дальнейшего изучения.

Благодарности

Авторы хотели бы поблагодарить доктора П. Роблина (Soleil-Synchroton, Сакле, Франция) за научные обсуждения и М. Маэстраччи и О. Гуа за любезно предоставленные геном Tv XynB . Оборудование, используемое для изотермической калориметрии титрования, является частью Интегрированной платформы скрининга Тулузы (PICT, IBiSA). Благодарим доктора В. Жерве за помощь в эксперименте ITC.

Вклад авторов

Задумал и спроектировал эксперименты: TM HT BD MOD EG CD.Проведены эксперименты: TM HT VN CL LH. Проанализированы данные: TM HT VN GC BD MOD EG CD. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: TM HT VN CL GC LH EG CD. Написал статью: TM VN GC LH BD MOD EG CD.

Ссылки

  1. 1. Йоргенсен Х., Кристенсен Дж. Б., Фелби С. Ферментативное превращение лигноцеллюлозы в сбраживаемые сахара: проблемы и возможности. Биотопливо, Биопрод. Биореф. 2007: 1–16.
  2. 2. Мякеля М., Донофрио Н., де Врис Р. Разложение биомассы растений грибами.Fungal Genet Biol. 2014: 2–9. pmid: 25192611
  3. 3. Lombard V, Golaconda Ramulu H, Drula E, Coutinho PM, Henrissat B. База данных по углеводно-активным ферментам (CAZy) в 2013 году. Nucleic Acids Res. 2014; D490–5. pmid: 24270786
  4. 4. Montanier C, van Bueren AL, Dumon C, Flint JE, Correia MA, Prates JA, et al. Доказательства того, что модули связывания углеводов семейства 35 демонстрируют сохраненную специфичность, но дивергентную функцию. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2009: 3065–70. pmid: 19218457
  5. 5.Гилберт HJ, Нокс JP, Борастон AB. Успехи в понимании молекулярных основ распознавания полисахаридов клеточной стенки растений углеводсвязывающими модулями. Curr Opin Struct Biol. 2013: 669–77. pmid: 23769966
  6. 6. Рейникайнен Т., Руохонен Л., Неванен Т., Лааксонен Л., Краулис П., Джонс Т.А. и др. Исследование функции мутированных целлюлозосвязывающих доменов Trichoderma reesei целлобиогидролазы I. Белки. 1992: 475–82. pmid: 1438185
  7. 7.Каррард Г., Койвула А., Содерлунд Н., Бегин П. Домены, связывающие целлюлозу, способствуют гидролизу различных участков кристаллической целлюлозы. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2000: 10342–7. pmid: 10962023
  8. 8. Эрве С., Роговски А., Блейк А. В., Маркус С. Е., Гилберт Х. Дж., Нокс Дж. П. Модули, связывающие углеводы, способствуют ферментативному разрушению стенок интактных растительных клеток за счет эффектов нацеливания и близости. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2010: 15293–8. pmid: 20696902
  9. 9. Варнаи А., Мякеля М.Р., Джаяди Д.Т., Рахикайнен Дж., Хатакка А., Виикари Л.Связывающие углеводы модули грибковых целлюлаз: наличие в природе, функции и значимость в промышленном преобразовании биомассы. Adv Appl Microbiol. 2014: 103–65. pmid: 24767427
  10. 10. Гильен Д., Санчес С., Родригес-Саноха Р. Домены, связывающие углеводы: множественность биологических ролей. Прикладной Microbiol Biotech. 2010: 1241–9.
  11. 11. Борастон А.Б., Болам Д.Н., Гилберт Х.Дж., Дэвис Г.Дж. Модули связывания углеводов: тонкая настройка распознавания полисахаридов.Биохим Дж. 2004: 769–81.
  12. 12. Сяо З., Гао PJCGJW, Чжан Т.Х., Лю Ю.С. J., Qu Y, Wang T. Целлюлозосвязывающий домен эндоглюканазы III из Tr ichoderma reesei d разрушает структуру целлюлозы. Письма о биотехнологии. 2001: 711–5.
  13. 13. Gao PJ, Chen GJ, Wang TH, Zhang YS, Liu J. Негидролитическое разрушение кристаллической структуры целлюлозы целлюлозосвязывающим доменом и линкерной последовательностью целлобиогидролазы I из P enicillium janthinellum .Закон Биох Син 2001: 13–8.
  14. 14. Carrard G, Linder M. Значительно различаются скорости отклонения двух тесно связанных целлюлозосвязывающих доменов из Trichoderma reesei . Eur J Biochem. 1999: 637–43. pmid: 10411622
  15. 15. Томм П., Ван Тилберг Х., Петтерссон Дж., Ван Дамм Дж., Вандекеркхов Дж., Ноулз Дж. И др. Исследования целлюлолитической системы Trichoderma reesei QM 9414. Анализ доменной функции двух целлобиогидролаз с помощью ограниченного протеолиза.Eur J Biochem. 1988: 575–81.
  16. 16. Linder M, Teeri T. Роли и функции целлюлозосвязывающих доменов. J Biotech. 1997: 15–28.
  17. 17. van Gool MP, van Muiswinkel GC, Hinz SW, Schols HA, Sinitsyn AP, Gruppen H. Две эндо-ксиланазы Gh20 из Myceliophthora thermophila C1 с модулем связывания целлюлозы и без него действуют по-разному в отношении растворимых и нерастворимых ксиланов. Биоресур Технол. 2012: 123–32.
  18. 18. Краулис П.Дж., Клор Дж., Нилгес Т., Джонс Дж., Петтерсон Дж., Ноулз А. и др.Определение трехмерной структуры раствора С-концевого домена целлобиогидролазы I из Trichoderma reesei : исследование с использованием ядерного магнитного резонанса и гибридной дистанционной геометрии-динамического моделирования отжига. J Biochemistry. 1989: 7241–57.
  19. 19. Ларрок М., Баррио Р., Боттин А., Барре А., Руже П., Дюма Б. и др. Уникальная архитектура и функция взаимодействующих с целлюлозой белков у оомицетов выявлены с помощью геномного и структурного анализа.BMC Genomics. 2012: 605–09. pmid: 23140525
  20. 20. Judelson HS. Динамика и инновации в геномах оомицетов: понимание биологии, патологии и эволюции. Эукариотическая клетка. 2012: 1304–12. pmid: 22923046
  21. 21. Блэкман Л.М., Каллерн Д.П., Хардхэм А.Р. Биоинформатическая характеристика генов, кодирующих ферменты, разрушающие клеточную стенку, в геноме Phytophthora parasitica . BMC Genomics. 2014: 785. pmid: 25214042
  22. 22. Ларрок М., Рамирес Д., Лафит С., Бордери Дж., Дюма Б., Гаулин Э.Экспрессия и очистка биологически активного Phytophthora parasitica c элиситорского лектина, связывающего эллюлозу, в Pi chia pastoris . Protein Expr Purif. 2011: 217–23
  23. 23. Tordai H, Banyai L, Patthy L. Модуль PAN: N-концевые домены плазминогена и фактора роста гепатоцитов гомологичны яблочным доменам семейства прекалликреина и новому домену, обнаруженному во многих белках нематод. FEBS Lett. 1999: 63–7.
  24. 24.Браун П.Дж., Гилл А.С., Ньюджент П.Г., Маквей Дж. Х., Томли Ф.М. Домены белков органелл инвазии от апикомплексных паразитов гомологичны доменам Apple фактора свертывания крови XI и пре-калликреина плазмы и являются членами суперсемейства модулей PAN. FEBS Lett. 2001: 31–8.
  25. 25. Брехт С., Каррутерс В. Б., Фергюсон Д. Д., Гиддингс О. К., Ван Г., Джакл Ю. и др. Микронемный белок токсоплазмы MIC4 представляет собой адгезин, состоящий из шести консервативных доменов яблока. J Biol Chem.2001: 4119–27.
  26. 26. Вильяльба-Матеос Ф, Рикауэр М, Эскерре-Тугае МТ. Клонирование и характеристика кДНК, кодирующей элиситор Ph ytophthora parasitica v ar. ni cotianae t hat проявляет целлюлозосвязывающую и лектиноподобную активность. Mol Plant-Microbe Interac. 1997: 1045–53.
  27. 27. Гаулин Э., Драме Н., Лафит С., Торто-Алалибо Т., Мартинес И., Амелин-Торрегроса С. и др. Связывающие целлюлозу домены белка клеточной стенки Phytophthora представляют собой новые молекулярные структуры, связанные с патогенами.Растительная клетка. 2006: 1766–77. pmid: 16766692
  28. 28. Гаулин Э., Жоне А., Вильяльба Ф., Рикауэр М., Эскерре-Тугае М., Боттин А. Гликопротеин CBEL Ph ytophthora parasitica var . nicotianae i s участвует в осаждении клеточной стенки и адгезии к целлюлозным субстратам. J Cell Sci. 2002: 4565–75. pmid: 12415001
  29. 29. Песня L, Laguerre S, Dumon C, Bozonnet S, O’Donohue MJ. Система высокопроизводительного скрининга для оценки гидролизующих биомассу гликозидгидролаз.Биоресур Технол. 2010: 8237–43. pmid: 20579873
  30. 30. Фумагалли М., Ухаб Д., Буассо С. М., Хе Л. Универсальные газофазные реакции для поверхностной этерификации аэрогелей микрофибрилл целлюлозы. Биомакромолекулы. 2013: 3246–55. pmid: 23889256
  31. 31. Гастайгер Э., Гаттикер А., Хугланд С., Ивани И., Аппель Р.Д., Байрох А. ExPASy: протеомный сервер для углубленного изучения и анализа белков. Nucleic Acids Res. 2003: 3784–8. pmid: 12824418
  32. 32.Лейки Дж. Х., Массотт Д., Хейтц Ф., Дассе Дж. Л., Фокон Дж. Ф., Паркер М. В. и др. Мембранная вставка порообразующего домена колицина А. Журнал FEBS. 1991: 599–607.
  33. 33. Миллер Г.Л. Использование реактива динитросалициловой кислоты для определения редуцирующего сахара. Anal Chem. 1959: 426–8.
  34. 34. Lehtiö J, Sugiyama J, Gustavsson M, Fransson L, Linder M, Teeri TT. Детерминанты специфичности связывания и аффинности модулей связывания целлюлозы семейства 1 и семейства 3.Proc Natl Acad Sci U S. A. 2003: 484–9. pmid: 12522267
  35. 35. Элацзузи-Хафрауи С., Нишияма Ю., Путо Дж. Л., Хе Л, Дюбрей Ф., Рочас С. Форма и распределение по размерам кристаллических наночастиц, полученных кислотным гидролизом природной целлюлозы. Биомакромолекулы. 2008: 57–65. pmid: 18052127
  36. 36. Линдер М., Маттинен М.Л., Конттели М., Линдеберг Г., Штальберг Дж., Дракенберг Т. и др. Идентификация функционально важных аминокислот в целлюлозосвязывающем домене Tr ichoderma reesei ce llobiohydrolase I.Prot Sci 1995: 1056–64.
  37. 37. Beckham GT, Matthews JF, Bomble YJ, Bu L, Adney WS, Himmel ME и др. Идентификация аминокислот, ответственных за процессивность в углеводсвязывающем модуле семейства 1 из грибковой целлюлазы. J. Phys Chem B. 2010: 1447–53. pmid: 20050714
  38. 38. Брас Дж. Л., Картмелл А., Карвалью А. Л., Верзе Дж., Байер Е. А., Вазана Ю. и др. Структурные сведения об уникальной складке целлюлазы и механизме гидролиза целлюлозы. Proc Natl Acad Sci U S A.2011: 5237–42. pmid: 21393568
  39. 39. Дюма Б., Боттин А., Гаулин Э., Эскерре-Тугае MT. Целлюлозосвязывающие домены: партнеры по сенсорной защите, связанные с целлюлозой? Trends Plant Sci. 2008: 160–4. pmid: 18329320
  40. 40. Кумар Р., Вайман CE. Влияние добавок ферментов при умеренных нагрузках целлюлазы на начальное высвобождение глюкозы и ксилозы из твердых веществ кукурузной соломы, предварительно обработанной с помощью ведущих технологий. Biotechnol Bioeng. 2009: 457–67. pmid: 18781688
  41. 41.Ху Дж., Арантес В., Сэддлер Дж. Усиление ферментативного гидролиза лигноцеллюлозных субстратов путем добавления дополнительных ферментов, таких как ксиланаза: это аддитивный или синергетический эффект? Biotec Biof. 2011: 36–8.
  42. 42. Lafond M, Guais ​​O, Maestracci M, Bonnin E, Giardina T. Четыре ксиланазы Gh21 из ксиланолитического гриба Talaromyces versatilis по-разному действуют на (арабино) ксиланы. Appl Microbiol Biotechnol. 2014: 6339–52. pmid: 24664446
  43. 43.Polizeli ML, Rizzatti AC, Monti R, Terenzi HF, Jorge JA, Amorim DS. Ксиланазы из грибов: свойства и промышленное применение. Appl Microbiol Biotechnol. 2005: 577–91. pmid: 15944805
  44. 44. Де Ла Маре М., Гуаис О, Боннин Э., Вебер Дж., Франсуа Дж. М.. Молекулярная и биохимическая характеристика трех α-l-арабинофуранозидаз GH62 из почвенного дейтеромицета Penicillium funiculosum . Enzyme Microb Technol. 2013: 351–8. pmid: 24034435

Олигосахариды человеческого молока (HMO): использование, влияние на здоровье

Что такое олигосахариды грудного молока (HMO)?

Олигосахариды грудного молока (НМО) представляют собой смесь неперевариваемых олигосахаридов, состоящую из глюкозы, галактозы, фукозы, сиаловой кислоты и N-ацетилглюкозамина [1] .Грудное молоко человека содержит около 5-10 граммов HOS на литр (коровье молоко в детских смесях содержит только следы олигосахаридов) [1] . HMO считается растворимой клетчаткой [2] .

Возможные льготы HMO

ПРЕДЛАГАЕМЫЕ ЭФФЕКТЫ HMO, , но необходимы дополнительные исследования [2] :

  • HMO может уменьшить прикрепление бактерий в горле, пищеводе и тонком кишечнике и, таким образом, помочь предотвратить респираторные и желудочно-кишечные инфекции [2] .
  • HMO частично абсорбируется и выводится с мочой и может защищать от инфекций мочевыводящих путей [1] .
  • HMO может помочь предотвратить некротический энтероколит (NEC) — тяжелое воспаление кишечника — у больных младенцев, особенно недоношенных [5] .

HMO ВЕРОЯТНО НЕ ЭФФЕКТИВНА как пребиотик (вещество, которое способствует росту полезных кишечных бактерий) [3,4] .

Связанные питательные вещества

использованная литература
  1. Malainer C, 2010, магистерская работа: Ферментативный синтез и исследование новых галактоолигосахаридов Universitat fur Bodenkultur
  2. Engfer MB et al, 2000, Олигосахариды грудного молока устойчивы к ферментативному гидролизу в верхних отделах желудочно-кишечного тракта Американский журнал питания
  3. Роберфроид, М., 2007, Пребиотики: пересмотр концепции The Journal of Nutrition
  4. Bode L, 2012, Олигосахариды грудного молока: каждому ребенку нужна сахарная мама PubMed Central
  5. McGuire W, 2003, Донорское грудное молоко против смеси для предотвращения некротизирующего энтероколита у недоношенных детей: систематический обзор BMJ
.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *