CC BY
162
Химия растительного сырья. 2011. №1. С. 33-38.
УДК: 577.114:581.192:574.917:633.88
СОСТАВ И СВОЙСТВА ПЕКТИНОВЫХ ПОЛИСАХАРИДОВ ЗВЕРОБОЯ ПРОДЫРЯВЛЕННОГО HYPERICUM PERFORATUM L.
© А.А. Злобин1, Е.А. Мартинсон1, И.А. Овечкина1, Е.А. Дурнев1, Р.Г. Оводова2, С.Г. Литвинец1
1 Вятский государственныйуниверситет, ул. Московская, 36, Киров, 610601 (Россия) e-mail: biotech.vgu@gmail.com
2Институт физиологии Коми научного центра Уральского отделения РАН, ул. Первомайская, 50, Сыктывкар, 167982 (Россия) e-mail: ovoys@phisiol.komisc.ru
Из надземной части зверобоя продырявленного Hypericum perforatum L. последовательной экстракцией водой и 0,7%-ным водным раствором оксалата аммония выделены три фракции кислых водорастворимых полисахаридов (содержание гликуроновых кислот - 10-65%). Ферментативный гидролиз данных полисахаридов с помощью экЭо-полигалакт-уроназы указывает на то, что в состав их углеводных цепей входят участки галактуронана, образованного 1,4-а-связан-ными остатками незамещенной D-галакгуроновой кислоты. Выделенные полисахариды были очищены методом гель-фильтрации. Показано, что водорастворимые полисахариды, полученные с помощью экстракции водой, состоят в основном из остатков галактозы, маннозы, глюкозы и арабинозы (содержание гликуроновых кислот - 10-27%), а полисахаридная фракция, выделенная с помощью 0,7%-ного водного раствора оксалата аммония, представлена пектиновыми полисахаридами. С помощью хромато-масс-спекгрометрии триметилсилильных производных из гликуроновых кислот в ее составе идентифицированы только остатки галактуроновой кислоты (55-72%). Кроме того, данная фракция содержит остатки нейтральных моносахаридов, характерные для пектинов: арабинозы, галактозы, рамнозы и глюкозы; в минорных количествах присутствуют остатки ксилозы и маннозы. ИК-спектры пектиновых полисахаридов зверобоя продырявленного имеют характерные для пектинов полосы поглощения в областях: 1740, 1640-1620, 1236-1200 и 1200-1000 см-1.
Показано, что водные растворы пектиновых полисахаридов зверобоя продырявленного (2 мг/мл) обладают выраженной антиоксидантной активностью (44% от активности тролокса, принятой за 100%).
Ключевые слова: водорастворимые полисахариды, пектиновые полисахариды, моносахаридные остатки, гель-фильтрация, хромато-масс-спектрометрия, ИК-спектроскопия, антиоксидантная активность.
Работа выполнена при поддержке федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические
кадры инновационной России на 2009-2013 гг. (ГК№02.740.11.0294).
Введение
Большой объем исследований, связанных с изучением структуры, физико-химических свойств, биологических функций и физиологической активности фитополисахаридов определяется тем, что полисахариды из различных растений (и их фрагменты) обладают способностью стимулировать иммунитет организма к инфекциям, а в ряде случаев ингибировать развитие опухолей [1]. Важным направлением этих работ является поиск новых, нетрадиционных источников полисахаридов (в том числе пектинов), обладающих высокой физиологической активностью за счет особенностей строения их углеводных цепей, обусловленных видовым разнообразием растений. Кроме того, в настоящее время особое значение приобретает задача более полного использования местных растительных ресурсов.
Зверобой продырявленный (обыкновенный) Hypericum perforatum L. - многолетнее растение семейства зверобойных Hypericaceae, широко распространен на всей территории России. Препараты на его основе издавна используются как ценные лекарственные средства в официальной и народной медицине для профилактики и лечения ряда заболеваний. Они обладают вяжущим, противовоспалительным, антисептическим и стимулирующими регенерацию тканей свойствами. Их принимают внутрь при заболеваниях желудочно-
* Автор, с которым следует вести переписку.
кишечного тракта, острых и хронических колитах небактериального происхождения. Масло зверобоя применяют в стоматологии для лечения хронических гингивитов и стоматитов [2].
Надземная часть растения содержит флавоноиды (рутин, кверцитрин, изокверцитрин, кверцетин и др.), эфирное масло, в состав которого входят терпены, сесквитерпены, сложные эфиры изовалериановой кислоты, дубильные вещества, каротин, холин, алкалоиды и т.д. Вместе с тем сведения о свойствах его водорастворимых полисахаридов в доступных литературных источниках отсутствуют.
Данная работа посвящена изучению содержания, состава и свойств водорастворимых полисахаридов зверобоя продырявленного (H. perforatum L.).
Экспериментальная часть
Растительный материал. Растительный материал (надземная часть растений) собран в окрестностях г. Кирова (Кировская область) на стадии цветения растений.
Общие аналитические методы. Определение количественного содержания гликуроновых кислот в выделенных фракциях водорастворимых полисахаридов H. perforatum L. проводили спектрофотометрическим методом реакцией с 3,5-диметилфенолом в присутствии концентрированной серной кислоты [3], по калибровочному графику, построенному по D-галактопиранозилуроновой кислоте при длинах волн света 400 и 450 нм. Степень метилэтерифицирования (СМ) остатков гликуроновых кислот определяли реакцией с пен-тан-2,4-дионом (после предварительного омыления полисахаридов 1,5 н раствором NaOH) по калибровочному графику, построенному для метанола [4]. Содержание веществ белковой природы определяли с помощью метода Лоури [5] и калибровочного графика, построенного по бычьему сывороточному альбумину. Спектрофотометрические определения проводили на спектрофотометре Shimadzu UV-mini 1240 (Япония).
Обзорные ИК-спектры образцов снимали в таблетках KBr в диапазоне волновых чисел 4000-400 см-1 на ИК-Фурье-спектрометре Scimitar FTS 2000 (Австралия).
Моносахаридный состав выделенных фракций водорастворимых полисахаридов определяли после их полного кислотного гидролиза 2М раствором трифторуксусной кислоты (ТФУ) в течение 3 ч при 100 °С, с последующим восстановлением моносахаридов в гидролизатах боргидридом натрия и переводом их в соответствующие перацетаты полиолов [6, 7]. Количественное определение ацетатов полиолов проводили с помощью хромато-масс-спектрометрии (ГЖХ-МС). В качестве внутреннего стандарта использовали мио-инозит. Для расчета содержания моносахаридных остатков брали соответствующие коэффициенты отклика детектора.
ГЖХ-МС ацетатов полиолов проводили на газовом хроматографе G2589A (Agilent Tech., США) с масс-селективным детектором 5973 INERT (Agilent Tech., США) на капиллярной колонке HP-5MS (0,2 мм 0 30 м, Hewlett-Packard, США). Перацетаты полиолов анализировали при следующих условиях: температура термостата колонки 175^-250 °С с градиентом температуры - 3 °С/мин; температура испарителя - 250 °С; газ-носитель - гелий (скорость потока 1 мл/мин, деление потока 60 : 1); развертка - от m/z 44 до m/z 500; количество вводимой пробы - 1 мкл.
Идентификацию остатков гликуроновых кислот в составе фракций водорастворимых полисахаридов осуществляли после их полного кислотного гидролиза 2М раствором ТФУ в течение 5 ч при 100 °С методом ГЖХ-МС триметилсилильных (ТМС) производных [6]. ГЖХ-МС ТМС производных гликуроновых кислот проводили при температуре термостата колонки 180^250 °С с градиентом температуры - 3 °С/мин. Температура испарителя - 260 °С. Газ-носитель - гелий (скорость потока 1 мл/мин, деление потока 60 : 1); развертка - от m/z 44 до m/z 500; количество вводимой пробы - 1 мкл.
Качественный состав моносахаридов в ферментативных гидролизатах фракций полисахаридов определяли методом нисходящей распределительной бумажной хроматографии (БХ). БХ проводили на бумаге Filtrak FN-12 в системе растворителей н-бутанол - пиридин - вода (6 : 4 : 3 по объему). Для индикации пятен моносахаридов использовали раствор кислого анилинфталата при 105 °С в течение 5 мин [8]. Идентификацию моносахаридов проводили сравнением со стандартными образцами.
Все водные растворы и пробы для ГЖХ-МС-анализа упаривали на роторном испарителе под вакуумом при 40-45 °С.
Центрифугирование растворов проводили в течение 10 мин при 3000-6000 об/мин.
Выделение водорастворимых полисахаридов. Для выделения полисахаридных фракций из надземной части зверобоя продырявленного в нативном состоянии использован метод истощающей последовательной экстракции водой при температуре 20 и 68 °Си 0,7%-ным водным раствором оксалата аммония при 68 °С [9].
Воздушно-сухое (100 г) сырье экстрагировали в аппарате Сокслета 96%-ным этиловым спиртом в течение 4 ч для удаления низкомолекулярных примесей и дезактивации ферментов. Затем растительный материал многократно экстрагировали водой (2 л, 20 °С) до отрицательной качественной реакции на углеводы по фенол-сернокислотному методу [10]. Экстракты объединяли, концентрировали упариванием под вакуумом, осаждали белок при pH 4,8-5,0 [9], диализовали раствор и осаждали полисахариды добавлением четырехкратного объема ацетона. Осадок растворяли в минимальном количестве воды и высушивали лиофильно (фракция НРЫ). Выход и состав фракции приведены в таблице 1.
Остаток сырья обрабатывали несколько раз горячей водой (2 л, 68 °С). Контроль полноты экстракции осуществляли фенол-сернокислотным методом [10]. Выделение и осаждение полисахаридов проводили, как описано выше, но без проведения стадии осаждения свободного белка (фракция НРКП, табл. 1).
Остаток после экстракции растительного материала холодной и горячей водой обрабатывали подкисленной с помощью разбавленного раствора НС1 водой (0,5 л, 50 °С, pH 4,0) для гидролиза протопектинового комплекса клеточных стенок. Раствор диализовали, осаждали полисахариды четырехкратным объемом ацетона, растворяли в минимальном количестве воды и высушивали лиофильно (фракция НРКШ, табл. 1).
Пектиновые полисахариды из остатка сырья экстрагировали 0,7%-ным водным раствором оксалата аммония (2 л, 68 °С) до отсутствия содержания углеводов в экстрактах [10]. Экстракты объединяли, концентрировали упариванием, осаждали пектины добавлением четырехкратного объема ацетона, диализовали и высушивали лиофильно (фракция НРЮП, табл. 1).
Характеристика водорастворимых полисахаридов травы зверобоя приведена в таблице 1 (так как выход фракции, соответствующей стадии гидролиза протопектина, составил менее 0,01, ее состав не анализировали).
Гельфильтрацию полисахаридов проводили на колонке (41*1,6 см) с сефакрилом 8-500 (Бійка). Свободный объем колонки составил 32 мл. Полисахариды (30-32 мг) перед нанесением на колонку растворяли в 2-3 мл
0,01 М раствора №С1. Элюирование проб проводили 0,01 М раствором №С1 со скоростью потока элюента 20 мл/ч. Отбирали фракции объемом по 3 мл. Выход полисахаридов из колонки контролировали с помощью качественной реакции по фенол-сернокислотному методу [10]. Фракции, соответствующие отдельным пикам, объединяли, концентрировали до минимального объема, диализовали и лиофильно высушивали. В результате гельфильтрации исходных полисахаридов НРЫ, НРЯП и НРКШ получены фракции НРКМб, НРЫЫб, НРИПЫб, НРКІІІ-2є и НРКІІІ-3є соответственно. Выход и состав полученных фракций приведены в таблице 2.
Ферментативный гидролиз полисахаридов для идентификации галактуроновой кислоты проводили пекти-назой (Ккіїорш єр. Е.С. 3.2.1.15). Полисахариды (10 мг) растворяли в дистиллированной воде и добавляли 1 мл ферментного раствора, содержащего 2,3 мг эндо-полигалактуроназы. Гидролиз проводили при комнатной температуре в течение 3 ч. Фермент дезактивировали нагреванием на водяной бане при 100 °С в течение 2 мин. Осадок белка удаляли центрифугированием и анализировали супернатант методом БХ.
Антиоксидантную активность пектиновых полисахаридов (водный раствор с содержанием пектинов 2 мг/мл) определяли спектрофотометрическим методом по реакции с 2,2-дифенил-1-пикрилгидразидом в присутствии трис-НС1 буфера (pH 7,9), используя тролокс в качестве положительного контроля [11].
Обсуждениерезультатов
Извлечение водорастворимых полисахаридов из надземной части зверобоя продырявленного проводили последовательной истощающей экстракцией растительного материала водой при 20 и 68 °С и 0,7%-ным водным раствором оксалата аммония при 68 °С [9]. Выход и состав полученных фракций полисахаридов приведены в таблице 1.
Таблица 1. Состав фракций водорастворимых полисахаридов зверобоя продырявленного
Фракция Выход, %* СМ, % Содержание, %
Гликуроновые кислоты Ага 0а1 КЬа Ху1 Мап 01с Белок
НРЫ 1,0 25 10 1,8 0,5 0,5 Сл 0,3 4,0 -
НРМІ 0,4 29 27 5,7 2,0 0,9 0,7 1,4 2,2 -
НРМІІ 4,8 15 65** 2,5 1,5 1,0 0,5 Сл 0,8 15
* - выход в пересчете на сухой растительный материал; ** - идентифицированы остатки галактуроновой кислоты; Сл -
следовые количества.
Суммарное содержание водорастворимых полисахаридов в надземной части зверобоя продырявленного составляет 6,2%, что вполне согласуется с литературными данными по содержанию полисахаридов, извлекаемых водными растворами, из травянистых растений. Так, например, количество водорастворимых полисахаридов в надземной части смолевки обыкновенной (Silene vulgaris Moench Garcke) составляет 4,8% [9], а содержание водорастворимых полисахаридов (представленных пектинами - танацетанами) в побегах пижмы обыкновенной (Tanacetum vulgare L.) - 1,3%, соцветиях - 2,0% и корнях - 0,7% [12].
Как видно из результатов, представленных в таблице 1, фракции полисахаридов HPRI и HPRII, полученные экстракцией водой при температурах 20 и 68 °С соответственно, содержат незначительное количество остатков гликуроновых кислот - 10-27%. В то же время их количество во фракции полисахаридов HPRIII, полученной экстракцией 0,7%-ным раствором оксалата аммония, составляет 65%.
Для доказательства наличия в составе фракций водорастворимых полисахаридов HPRI, HPRII и HPRIII остатков галактуроновой кислоты проведен их гидролиз эндо'-полигалактуроназой (Rhizopus sp.). Методом БХ в составе гидролизатов полисахаридов обнаружены остатки галактуроновой кислоты, что свидетельствует о наличии в составе их углеводных цепей участков незамещенного 1,4-ос-В-галактуронана [1]. Степень метилэтерифициро-вания остатков гликуроновых кислот, входящих в состав данных фракций, составляет 15-29%.
С помощью ГЖХ-МС ТМС производных [6, 7] из гликуроновых кислот в составе фракции HPRIII (после ее гидролиза 2 М раствором ТФУ) идентифицированы только остатки галактуроновой кислоты, что характерно для пектиновых полисахаридов. Количественное определение нейтральных моносахаридных остатков (арабинозы (Ara), маннозы (Man), галактозы (Gal), глюкозы (Glc), ксилозы (Xyl) и рамнозы (Rha)) в составе гидролизатов полученных фракций полисахаридов проводили с помощью ГЖХ-МС соответствующих пер-ацетатов полиолов. Суммарное их содержание составило 7,1, 12,9 и 6,3% для фракций HPRI, HPRII и HPRIII соответственно.
Фракция HPRIII содержит до 15% сопутствующего белка. Количество белка во фракциях полисахаридов HPRI и HPRII, полученных водной экстракцией, определить по методу Лоури не удалось, так как они содержат соединения полифенольной природы.
Для очистки полученных фракций от сопутствующих веществ проведено их разделение методом гель-фильтрации. При гельфильтрации полисахаридов HPRI, HPRII и HPRIII на сефакриле S-500 были получены фракции HPRI-1s, HPRII-1s, HPRIII-1s, HPRIII-2s и HPRIII-3s соответственно (табл. 2).
Фракция полисахаридов HPRI-1s элюировалась из колонки практически со свободным объемом колонки (К^ - 0,01), т.е. представлена высокомолекулярными полисахаридами, а в состав фракций HPRII-1s, HPRIII-1s, HPRIII-2s и HPRIII-3s входят более низкомолекулярные фрагменты полисахаридов (Kav для них составляют
0,21, 0,12, 0,30 и 0,65 соответственно).
Как следует из результатов, представленных в таблицах 1 и 2, в процессе гельфильтрации удалось отделить большую часть сопутствующих полисахаридам примесей. Содержание гликуроновых кислот во фракции HPRI-1s составляет 10%, а суммарное количество нейтральных моносахаридов, которые представлены главным образом остатками галактозы, маннозы и глюкозы, составляет 31,6%. Возможно, в ее состав входят галактаны, маннаны и глюканы. Йод-крахмальный тест дает отрицательную реакцию, что свидетельствует об отсутствии в ее составе соединений крахмальной природы. Полисахаридная фракция HPRII-1s также характеризуется относительно высоким содержание нейтральных моносахаридов - 24,4%, большая часть которых представлена остатками галактозы.
Таблица 2. Состав фракций водорастворимых полисахаридов после гельфильтрации на сефакриле S-500
Фракция Выход, %* cm, % Содержание, %
Гликуроновые кислоты Ara Gal Rha Xyl Man Glc Белок
HPRI-ls 37 25 10 3,2 10,9 2,2 0,5 7,9 6,9 14
HPRII-ls 48 31 27 5,2 9,9 2,7 1,7 1,4 3,5 9
HPRIII-ls 41 20 55** 2,1 1,1 0,5 0,4 Сл 0,5 5
HPRIII-2s 27 24 72 2,2 1,7 0,9 0,9 0,6 1,4 3
HPRIII-3s 16 27 68** 3,4 2,7 1,4 0,7 0,5 1,1 Сл
* - выход от количества материала, нанесенного на колонку; ** - см. примечание к таблице 1.
В состав фракций HPRIII-1s, HPRIII-2s, HPRIII-3s также входят кислые полисахариды (содержание остатков галактуроновой кислоты в них составляет 55-72%). ИК-спектры фракций полисахаридов HPRIII-1s, HPRIII-2s, HPRIII-3s, а также исходной фракции HPRIII имеют характерные для пектиновых полисахаридов полосы поглощения в областях: 1740, 1640-1620, 1236-1200 и 1200-1000 см-1. Наличие в спектрах полос поглощения при 892—890, 834-832, 763-760 см-1 свидетельствует о том, что остатки галактуроновой кислоты в углеводных цепях находятся в 4Ci-a-конформации. Следует также отметить, что по сравнению с полисахаридами, полученными при гельфильтрации исходной фракции HPRIII, в состав HPRI-1s и HPRII-1s входит более высокое количество остатков рамнозы. Это может свидетельствовать о большей степени разветв-ленности их углеводных цепей.
Все полученные фракции полисахаридов характеризуются незначительной степенью метилэтерифициро-вания остатков гликуроновых кислот.
Таким образом, на основании полученных данных можно считать, что фракции полисахаридов HPRI и HPRII, выделенные водой из надземной части зверобоя продырявленного, представлены, кислыми полисахаридами, в состав которых входит значительное количество остатков галактозы, маннозы и глюкозы, а фракция, выделенная с помощью 0,7%-ного водного раствора оксалата аммония, представлена пектиновыми полисахаридами.
При изучении физиологической активности пектиновых полисахаридов HPRIII зверобоя продырявленного показано, что они обладают выраженной антиоксидантной активностью. Антиоксидантная активность их вод-ныхрастворов при концентрации 2 мг/мл составляет 44% от активности тролокса, принятой за 100% [11].
Выводы
1. Из травы зверобоя продырявленного выделены с суммарным выходом 6,2% три фракции водорастворимых полисахаридов. Показано, что в состав их углеводных цепей входят остатки гликуроновых кислот и нейтральных моносахаридов: арабинозы, галактозы, глюкозы, рамнозы, ксилозы и маннозы.
2. Показано, что фракция полисахаридов, полученная экстракцией зверобоя продырявленного 0,7%-ным водным раствором оксалата аммония, представлена пектиновыми полисахаридами, которые характеризуются высоким содержанием остатков галактуроновой кислоты. В состав их углеводных цепей входят участки незамещенного 1,4-а-Б-галактуронана. Несмотря на гетерогенность по молекулярным массам, они близки по моносахаридному составу и, скорее всего, являются полимергомологами или фрагментами одного пектинового полисахарида.
3. Показано, что водные растворы пектиновых полисахаридов зверобоя продырявленного обладают вы -раженной антиоксидантной активностью.
Список литературы
1. Оводов Ю.С. Полисахариды цветковых растений: структура и физиологическая активность // Биоорганическая химия. 1998. Т. 24, №7. С. 483-501.
2. Машковский М.Д. Лекарственные средства. М., 1988. Т. 1. 624 с.
3. Usov A.I., Bilan M.I., Klochkova N.G. Polysaccharides of algae. 48. Polysaccharide composition of several calcareous red algae: isolation of alginate from Corallinapilulitara // Bot. Marina. 1995. V. 38, N3. Pp. 43-51.
4. Wood P.J., Siddiqui I.R. Determination of methanol and its application to measurement of pectin ester content and pectin methyl esterase activity // Analyt. Biochem. 1971. V. 39. Pp. 418-428.
5. Lowry O.H., Rosebrough N.J., Farr A.L., Randall R.J. Protein measurement with the Pholin phenol reagent // J. Biol. Chem. 1951. V. 193. Pp. 265-275.
6. York W.S., Darvill A.G., McNeil M.A., Stevenson T.T., Albersheim P. Isolation and characterization of plant cell walls and cell-wall components // Meth. Enzymol. 1985. V. 118. Pp. 3-40.
7. Костенко В.Г. Хроматографический анализ сахаров, получаемых в процессе переработки растительного сырья. М., 1984. 44 с.
8. Чармс Ш., Фишбейн Л., Вагман Дж., Вейнстейн М., Каулинг Г., Дольфин Д., Харборн Дж., Ледерер М.,
Янак Я., Адлард Э. Хроматография. Практическое приложение метода. М., 1986. Т. 2. 422 с.
9. Бушнева О.А. Выделение и строение силенана - пектина из смолевки обыкновенной Silene vulgaris (Moench) Garke: автореф. дис. ... канд. хим. наук. Уфа, 2002. 26 с.
10. Методы химии углеводов / под ред. Р.Л. Уистлера, Дж.Н. Бемиллера. М., 1975. 445 с.
11. Yang S.S., Cheng K.T., Lin Y.S., Liu Y.W., Hou W.C. Pectin hydroxamic acid exhibit antioxidant activities in vitro // J. Agric. Food Chem. 2004. V. 52. Pp. 4270-4273.
12. Полле А.Я., Оводова P.Г., Шашков A.C., Оводов Ю.С. Выделение и общая характеристика полисахаридов из пижмы обыкновенной // Биоорганическая химия. 2001. Т. 27, №1. С. 52-56.
Поступило в редакцию 5 апреля 2010 г.
