Распространение и значение минорных моносахаридов (обзор) Текст научной статьи по специальности «Фундаментальная медицина»

ХититаиЕ ши

РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ЗНАЧЕНИЕ МИНОРНЫХ МОНОСАХАРИДОВ (ОБЗОР)

С.М. Кунижев, Е.В. Денисова

DIFFUSION AND EFFECT OF MINOR MONOSACCHARIDES (REWIEV)

Kunizhev S.M., Denisova E.V.

The paper presents the genera/Zzed data on minor carbohydrates diffusion Zn flora and fauna. Minor carbohydrates' signfficance in the processes of inter-cell recognition, cells and tissues differentiation, impregnation etc is shown. The processes of carbohydrates' interconversion and methods of regulation metabolism disorders are revealed.

В статье изложен обобщенным материал о распространении минорных углеводов в растительном и животном мире. Показано их значение в процессах межклеточного узнавания, дифференциации клеток и тканей, процессе оплодотворения и т.д. Детально описаны/ метаболические взаимопревращения углеводов, а также пути корреляции нарушений углеводного обмена.

Углеводы - полифункциональные соединения, один из главных классов клеточных компонентов, объединяющий в себе простейшие сахара, их олигомеры и полимеры [2].

Несмотря на то, что в природе существует более 200 моносахаридов, во всех природных объектах присутствуют только 9 из них. По аналогии с незаменимыми аминокислотами этот класс углеводов назвали минорными (табл. 1).

В организме человека и животных минорные моносахариды в свободном виде присутствуют лишь в жидких средах. Так, в плазме крови содержатся глюкоза, фукоза, в молоке также находится некоторое количество свободной фукозы. Но преобладающая часть углеводов входит в состав биополимеров. Углеводсодержащие соединения представлены следующими классами [1].

ГЛИКОПРОТЕИНЫ. Это высокомолекулярные биополимеры, состоящие из полипептидной и углеводной частей. В клетках гликопротеинами является большинство белков плазматической мембраны, они также входят в состав комплекса Гольджи и других мембранных органелл клеток. К этому классу соединений относятся коллаген и эластин, иммуноглобулины, многие ферменты и гормоны. Гликопротеины входят в состав секретов слюнных желез, желудка, кишечника. Специфическая структура углеводных детерминант гликопротеинов обеспечивает ориентацию белковых молекул в липидном бислое плазматической мембра-

Таблица

Минорные моносахариды

Название и сокращенное обозначение моносахарида

Класс

Химическая формула

Б-галактоза Б-ва!

гексоза

СН2ОН НО А \ОН

Н

НЧУ" У/Н Н ОН

Б-манноза Б-Мап

гексоза

СН2ОН

но^нн^он

Н Н

Ь-фукоза Ь-Бис (Ь-галактометилоза; 6-дезокси-Ь-галактоза)

гексоза дезоксисахар

Н

О

Н

СНз

НО

ОН Н

ОН Н

Ь-рамноза Ь-КЪа (Ь-маннометилоза; 6-дезокси-Ь-манноза)

гексоза дезоксисахар

Н

НО/СН

О

-з

ОН

Н/Н

ОН ОН

Б-ксилоза Б-Ху!

пентоза

Н

Нн

НО1

О

Н

^ОН ^ОН Н ОН

Ь-арабиноза Ь-Ага

пентоза

Н

НО/Н Н

О

Н

Н ОН

ОН

М-ацетилглюкозамин

вШАс (2-ацетамид-2-дезокси-Б-глюкоза)

гексоза аминосахар

СН2ОН Н/Н °ОН

и°\°и у,

Н

НзС

Н

ки I

С,

О

К-ацетилгалактозамин ва!-КАс

2-ацетамид-2-дезокси- Б-галактоза)

гексоза аминосахар

СН2ОН

О

н°/Н и

Н

^ОН

Н МН

I

Нз^^О

М-ацетилнейраминовая кислота №иАС (сиаловая кислота; 5-ацетамид-3,5-дидезокси -Б-глицеро-Б-галактоно-нулозоновая кислота)

ноноза кетосахар дезоксисахар аминосахар

О

НзС

I

С-

Н

Н-

О

ОН \ОН Н+ОН \

и\Н СН2°И/соон

ОН

Н

ны, стабилизацию пространственной структуры белков, трансмембранный и внутриклеточный транспорт, а также молекулярные механизмы межклеточного узнавания. Играет роль в ходе созревания и дифференциации клеток, гисто- и морфогенеза, обеспечении иммунного надзора, лежит в основе важнейших проявлений злокачественного роста.

ГЛИКОЛИПИДЫ. Это биополимеры, состоящие из ковалентно-связанных олиго-

сахаридных цепей и остатка аминоспирта сфингозина, этерифицированного жирными кислотами. Они входят в состав плазматических мембран, выполняют функции рецепторов токсинов, пептидных гормонов, интерферона.

ГЛИКОЗАМИНОПРОТЕОГЛИКАНЫ. Это гетерогенная группа длинных, отрицательно заряженных пролисахаридных цепей, мономерами которого являются дисахариды, состоящие из остатков гексозамина и уроно-

вых кислот. Они входят в состав межклеточного вещества большинства видов соединительной ткани позвоночных, содержатся в клетках синовиальной жидкости, в стекловидном теле глаза. Играют важную роль в ионном обмене, иммунологических реакциях, дифференцировке тканей.

Олигосахаридные фрагменты, присутствующие в биополимерах, играют важную роль в качестве сигналов многих биологических процессов, основанных на определении строгой последовательности участков цепи: скрещивание, транспорт к специфическим органам-мишеням, регуляция секреции, жизненный цикл. Гликаны участвуют в межклеточном взаимодействии, интеграции тканей и явлении адгезии свободных клеток организма (эритроциты, сперматозоиды). Так, по некоторым данным определяющее значение в специфическом узнавании и последующей адгезии сперматозоида и яйцеклетки человека играют остатки Ь-фукозы на поверхности прозрачной оболочки ооци-та. На дне анимальной ямки ооцитов В1\-]1о8\ш рю!;ш (единственном участке оолем-мы, через который в яйцеклетку может проникнуть сперматозоид) обнаружено локальное скопление гликоконъюгатов с концевым остатком Ь-фукозы. После же оплодотворения фукозосодержащие гликоконъюгаты подвергаются деструкции.

На фоне гормональной перестройки организма, сопровождающей беременность, фукозилирование биополимеров отсутствует. И к моменту имплантации плода наблюдается редукция гликоконъюгатов с концевыми остатками Ь-фукозы с одновременным нарастанием содержания остатков других моносахаридов.

Фукоза играет немаловажную роль в процессе дифференциации тканей зародыша. Специфические фукозосодержащие гликоконъюгаты избирательно накапливаются уже в бластомерах зародышей в период га-струляции. Например, такое накопление характерно для зародышевых клеток зернистого слоя эпидермиса, клеток плаценты, эритроцитов крипт тонкой кишки, эндотелиоци-тов сосудов и др [3].

Гликоконъюгаты с концевыми остатками Ь-фукозы выполняют функцию информационных молекул на поверхности клеток и принимают участие в трансмембранном и внутриклеточном транспорте. Так, удаление фукозы с поверхности лимфоцитов перед их введением в кровоток приводит к тому, что эти лимфоциты оказываются не в селезенке, как обычно, а в печени.

Фукоза принимает непосредственное участие при сборке функционально важных молекул. Она играет роль терминального сахара. Удлинение углеводной цепи биополимера заканчивается после присоединения Ь-фукозы, то есть ставится своеобразная «точка» процесса гликозилирования. А в случае сборки цепей иммуноглобулина на поверхности аппарата Гольджи фукоза добавляется к цепи иммуноглобулина, тем самым вызывая его секрецию и прохождение через мембрану клетки. Транспортную функцию фукозы можно рассмотреть на примере процесса созревания клеток, для которых характерны либо изолированное состояние (эритроциты, лейкоциты), либо миграционные способности (ооциты, спер-матазоиды). При этом происходит маскировка концевых нередуцирующих остатков Б-галактозы остатками Ь-фукозы.

Понимание динамики связей гликози-лированных биополимеров позволяет определить функции каждого минорного моносахарида. Это наиболее важно для предотвращения таких явлений, как воспалительные процессы, онкологические заболевания, диабет, нарушения обмена веществ и так далее.

В отличие от молекул белков и липи-дов, в которых связывание происходит непосредственно единственным типом связи (амидной и фосфодиэфирной), углеводы обладают широким спектром типов взаимосвязи. Существует два типа гликозилирования белков. В случае К-гликозилирования комплексные структуры содержат 7-20 или более моносахаридных единиц, связанных непосредственно с амидным азотом аспараги-на (рис. 1 А, Б, В).

□ ▲

Б

В

Г

- ГлюМАс

- НейК а2,3--Гал в 1,4-

Рис.1. Клеточный тип гликозилирования

| | - Глю 0

Д - НейК а2,6- Д

- Гал р 1,3- (3

- Ман

- НейК а2,3/6-

- Фук а 1,6- Фук а1,3-

О-гликозилированные белки являются комплексами, в которых серин или треонин белка модифицирован небольшими олигоса-

харидными фрагментами (рис. 1 Г). В обоих случаях первыми строительными блоками являются молекулы глюкозамина или галак-

Рис.2. Тканевой тип гликозилирования

тозамина. Дальнейшая элонгация высоко специфична. Подобные молекулы относятся к гликопротеинам «клеточного» типа и встречаются повсеместно в мембранах.

Гликозиды «тканевого» типа отличаются типом связывания нейраминовой кислоты и отсутствием проксимального фуко-зилирования. Схематично они представляют собой биантенновые олигосахаридные структуры (рис. 2).

«Тканевой» тип гликозилирования характерен для компонентов плазмы (синтези-

руемых клетками печени), тканей мозга и рекомбинантных белков.

Последний тип гликозилирования встречается только в групповых веществах крови и отличается повышенным содержанием фукозы (до 30 %), и появлением нового типа связывания а 1,2 (рис. 3).

Особенность химического строения фукозы, а именно наличие в молекуле ме-тильной группы обусловливает лабильность гликозидных связей с остальным углеводным компонентом гликопротеинов.

Lewis А

KS

О

Lewis В

4.

Lewis X

Sialyl Lewis X Рис.3. Групповые вещества крови

Lewis Y

Фукозилирование биополимеров осуществляется активированной формой фуко-зы, а именно - гуанозиндифосфатфукозой (ГДФ-Фук). При этом нуклеозиддифосфат не случайно является донором углевода, так как он обладает наиболее высокой свободной энергией гидролиза гликозидной связи.

В организм человека минорные моносахариды могут поступать несколькими путями. Во-первых, с пищей. Современный уровень технологии по переработке и очистке пищевых продуктов приводит в ряде случаев к потере минорных компонентов. Кроме того, социально-экономическое положение большинства населения привело к значительному сокращению ассортимента потребляемых продуктов.

Вторым источником поступления является жизнедеятельность микрофлоры кишечника и ферментативное взаимопревращение одних углеводов в другие. Схематично такой процесс можно проиллюстрировать на примере углеводного обмена красных

водорослей, сходного с обменом человека (рис. 4).

При нарушении обмена веществ отсутствие специфичных гликозидаз приводит к невозможности конвертировать одни углеводы в другие. Примером такого заболевания является фукозидоз.

Отщепление фукозы от содержащих ее полимеров осуществляется с участием лизо-сомального фермента a-L-фукозидазы (a-L-фукозид фукогидролаза, 3.2.1.51). Генетически обусловленная недостаточность a-L-фукозидазы приводит к развитию тяжелого нейровисцерального заболевания фукозидо-за, относящегося к наследственным глико-зидозам. Клинические проявления фукози-доза характеризуются нарушениями со стороны нервной системы, слабоумием, резким понижением мышечного тонуса, судорогами. У больных наблюдается увеличение печени, селезенки, сердца. Повышенная потливость сопровождается значительным выделением ионов натрия и хлора. Отмечены нарушения со стороны костей, включая де-

формацию позвоночника и изменение костей черепно-лицевого скелета. Это происходит из-за генетического дефекта фукозида-зы.

Невозможность других ферментов провести деструкцию биополимеров еще раз подтверждает терминальную роль фукозы в молекулах и ее маскировочную функцию. В некоторых случаях нарушение обмена веществ приводит к невозможности получения

9

Б-Ман-1-Ф -- Б-Ман-6-Ф

10

ГДФ-Б-Ман 11

ГДФ-4-кето-6-дезокси-Б-Ман 12

ГДФ-4-кето-6-дезокси-Ь-Гал 13

ГДФ-Ь-Фук —-

♦

фукозы из глюкозы или маннозы путем ферментативных превращений. Недостаток минорных моносахаридов может корректироваться пищевыми добавками. Так как в свободном виде они практически не встречаются, необходимо найти способы выделения углеводов из природных комплексных соединений.

-=-Фру-6-Ф-

Б-Глю-6-Ф

Фукитол

А

1

Ь-Фукулоза 6

Ь-Фук-1-Ф

— Ь-Фукоза Ь-фукозилоза-1-Ф 18/ 14

Аппарат Гольджи

Ь-Фуконат 19

2-Кето-3-дезокси-Ь-фуконат

Ь-Лактальдегид НАДФ 15

20 Ь-Лактат 16

▼

Пируват 17

Ч

ФЕП

Глюконеогенез

Рис.4. Углеводный обмен водорослей

ЛИТЕРАТУРА

1. Bush, A., Martin-Pastor, M. Structure and conformation of complex carbohydrates of glycoproteins, glycolipids, and bacterial polysaccharides С // An. Rev. Biophys. Biomol. Struct., 1999, $ V.28. $ P. 269-293.

2. Norton, A. The carbohydrates: chemistry and biochemistry. 2-nd Edition, Academic Press. $ New York, 1980.

3. Zara, J., Naz, K.R. The role of carbohydrates in mammalian sperm-egg interactions: how important are carbohydrate epitopes //Frontiers in Bioscience, 1998. $ V. 3. $P. 1028-1038.

Об авторах

Кунижев Станислав Мухадинович, доктор технических наук, профессор, почетный работник высшего образования РФ, заведующий кафедрой биохимии, заведующий лабораторией биотехнологии научно-образовательного центра «Технологии живых систем». Лауреат I и II Международных салонов инвестиций и инноваций (Москва, ВВЦ, 2001, 2002), обладатель золотых

медалей и дипломов за разработки в области биотехнологии, автор 151 научных публикаций, автор 40 патентов на изобретение, разработчик 15 пакетов нормативно-технической документации. Научный руководитель аспирантуры и док-тарантуры по биотехнологии. Область интересов: химия и биохимия углеводов, конструирование биофильтров, технология получения биологически активных веществ. Денисова Евгения Владимировна, кандидат биологических наук, старший преподаватель кафедры биохимии. Автор 2 патентов на изобретения, лауреат I Международного салона инвестиций и инноваций, обладатель золотой медали и диплома первой степени за разработки в области биотехнологии, автор 15 научных публикаций, разработчик 2 пакетов нормативно-технической документации. Область научных интересов: биотехнология получения и применения минорных моносахаридов, совмещенный органический синтез и модификация природных моно- и дисахаридов.