УДК 577. 114 : 581. 192
Биогликаны-иммуномодуляторы. Cтроение
и свойства
Ю.С.
Оводов, Р.Г. Оводова, С.В. Попов
(Институт физиологии Коми НЦ УрО РАН, (67982, г.Сыктывкар, Россия)
Углеводсодержащие биополимеры (рис.1), в основном,
представлены природными соединениями, биогликанами,
которые включают большие группы самых разнообразных полисахаридов и гликоконъюгатов:
гликопротеинов, протеогликанов, пептидогликанов, гликолипидов,
липополисахаридов (ЛПС), липополисахарид-белковых комплексов (ЛПБК), гликозаминогликанов
и т.д. Большинство биогликанов обладает многоплановой физиологической
активностью и относится к большой группе так называемых модификаторов биологическогоответа
–biologicalresponsemodifiers (BRMs).
Иммуномодуляторы (рис.2) включают три группы иммунологически
активных соединений: иммуностимуляторы, обусловливающие усиление иммунного
ответа; иммуноадъюванты, усиливающие действие иммуногенов, антигенов и вакцин
на иммунную систему человека и животных; а также иммунодепрессанты,
обеспечивающие подавление иммунного ответа, например, при трансплантациях
органов и тканей. Иммуномодуляторы находят достаточно широкое применение в
лечении самых различных заболеваний, включая онкозаболевания (рис.2).
К их числу принадлежат и
разнообразные полисахариды растений, которые являются основными структурными и
функциональными составляющими растений, достигая 80% от их биомассы.
Иммуномодуляторной
активностью обладают, в частности, пектиновые полисахариды (рис.3), которые
характеризуются большим разнообразием структур, их нерегулярностью, блочным
построением макромолекул и их значительной сложностью. В настоящее время
считается, что пектины принадлежат к числу наиболее сложных по структуре из
всех известных полисахаридов природного происхождения. В структуре их
макромолекул различают две области: линейную (гладкую, smooth), представленную галактуронаном, и
разветвленную (the
ramified,” hairy” region).
Галактуронан имеет
линейное строение, его участки различной длины обычно связываются между собой
через один или два остатка a-1,2-L-рамнопиранозы. Таким образом,
подавляющее большинство пектинов относится к группе рамногалактуронанов
(рис.3). Макромолекула рамногалактуронанов включает две структурных области:
сравнительно простую по структуре линейную область a-1,2-L-рамно-a-1,4-D-галактуронана, который
и является кором макромолекулы, и очень сложную, разветвленную область или
несколько таких областей.
Долгое время существовало
убеждение, что пектины представляют собой смесь галактуронана и нейтральных
полисахаридов, построенных из остатков галактозы и арабинозы. Однако к
нынешнему моменту накоплено большое количество данных о том, что в процессе
вегетации идет биосинтез пектиновых веществ, в результате чего образуется
макромолекула пектина, в которой линейная и разветвленные области связаны между
собой ковалентными связями. Доказательство такой связи долгое время считалось
основной проблемой структурной химии пектинов, теперь эта проблема в
большинстве случаев решена, и исследователи пришли к компромиссу, что в клеточной
стенке растений могут одновременно присутствовать в качестве самостоятельных
компонентов нейтральные полисахариды, галактуронан, рамногалактуронан и
гликаногалактуронан,т.е. пектин с завершенным
биосинтезом.
Нами на клеточной
культуре смолевки Silenevulgaris показано, что в процессе роста
культуры первоначально образуется галактуронан (пектиновая кислота) и
рамногалактуронан, с одной стороны, и арабиногалактан, содержащий лишь
незначительный процент галактуроновой кислоты, с другой. В дальнейшем биосинтезируется
гликаногалактуронан (пектин), который в процессе жизнедеятельности клеточной
культуры утилизируется, превращаясь вновь в галактуронан на последних стадиях
клеточного роста.
Разветвленная область
пектина чаще всего представлена одним или несколькими блоками
рамногалактуронана-I (RG-I) (рис.4). Нами достаточно подробно
изучены подобные пектины, выделенные из смолевки Silenevulgaris и
пижмы Tanacetumvulgare и названные силенаном и танацетаном
соответственно.
Структуры силенана и
танацетана приведены на рис.4. Сравнивая эти структуры, нетрудно видеть, что
оба пектина имеют много общего: линейную область галактуронана и
рамногалактуронана. Близки по структуре и блоки a-1,5-L-арабинофуранана в разветвленной
области, где в обоих полисахаридах имеются, кроме того, блоки галактана и
арабиногалактана. Но эти блоки заметно отличаются в обоих полисахаридах
характером гликозидных связей и типом разветвления. Таким образом, следует
отметить, что оба пектина могут обладать сходным физиологическим действием, но
в то же время могут и различаться по характеру этого действия в связи с
различиями в тонкой структуре макромолекул.
Апиогалактуронан (рис.5)
в качестве разветвленной области пектина был впервые обнаружен нами в середине
60-х г.г. прошлого столетия в составе пектина морских трав сем. Zosteraceae (Взморниковые): Zostera marina, Z.pacifica, Z. nana,
Phyllospadix iwatensis.
Пектин морских трав
впервые был выделен в 1940г. нашим ученым Мирошниковым В.И., который назвал его
зостерином, позднее нами было предложено для этого пектина название зостеран,
как более правильное, отражающее его принадлежность к классу полисахаридов
(биогликанов), названия которых всегда оканчиваются суффиксом «ан» (от слова
«гликан»). В 1970г. HartandKindel выделили апиогалактуронаны из ряски
малой LemnaminorL. Позднее нами
было показано, что в состав ряски входит пектин, названный нами лемнаном, в
котором апиогалактуронан является одним из основных и определяющих блоков
разветвленной области. Кроме того, разветвленная область лемнана
представлена очень сложным гетерогликаногалактуронаном, в состав которого в
качестве нейтральных входят остатки
арабинозы, галактозы и ксилозы и который, скорее всего, представляет одну из
разновидностей RG-I.
Ксилогалактуронан (рис.5)
входит в состав разветвленной области пектинов, как правило, наряду с блоком RG-I и представляет собой разветвленную
углеводную цепь, в которой боковые цепи состоят из единичных остатков
ксилопиранозы, присоединенных непосредственно к остаткам галактуроновой кислоты
кора макромолекулы. Значительно реже боковые цепи ксилогалактуронана построены
из нескольких остатков D-ксилозы, связанных между собой преимущественно 1,3-, иногда
1,4-гликозидными связями. Пектины, содержащие блок ксилогалактуронана в
разветвленной области макромолекулы, выделены из соевых бобов, из лимонной
корки и из некоторых других растительных объектов (рис.5). Все типы
разветвленных областей макромолекулы пектиновых полисахаридов (включая
ксилогалактуронан) были обнаружены нами в процессе структурного изучения
зостерана из морских трав и лемнана из ряски малой (рис.5).
Фрагмент
апиогалактуронана, который в молекуле зостерана устойчив к действию
пектинолитических ферментов, приведен на рис.6. Он имеет довольно простую, но
сильно разветвленную структуру, в которой к кору молекулы, представленному
рамногалактуронаном, присоединены одиночные остатки D-апиозы во 2-, 3-, и 2,3-положения
остатков D-галактуроновой кислоты кора. Фрагмент апиогалактуронана составляет
примерно четвертую часть макромолекулы зостерана. Резистентность этого
фрагмента к действию пектинолитических ферментов, по-видимому, и обусловливает
хорошо известную устойчивость морских трав к природным процессам гниения и
разложения, обеспечивает их хорошую сохранность в агрессивных морских условиях
и в выбросах на берегу.
В целом макромолекула
зостерана (рис.7) отличается значительной сложностью и состоит из нескольких
структурных блоков: наряду с линейной областью галактуронана и
рамногалактуронана, разветвленная область зостерана представлена RG-I и ксилогалактуронаном,
в котором боковые углеводные цепи построены из ряда 1,3-связанных остатков D-ксилопиранозы; некоторые из
этих цепей имеют точки разветвления, которыми являются остатки ксилозы,
замещенные в 3- и 4-положения. Концевое положение, наряду с остатками
ксилозы, скорее всего, занимают остатки 2-О-метил-D-ксилозы, а также, возможно, остатки
арабинозы и апиозы, но это положение еще требует дополнительного
доказательства. RG-I имеет типичную структуру 3,6-арабиногалактана, в котором немногочисленные
остатки арабинозы локализуются на терминальных, невосстанавливающих концах
макромолекулы (рис.7).
Лемнан (рис.8), пектин
ряски малой, близок по моносахаридному составу зостерану. В его состав в
качестве основного фрагмента разветвленной области также входит
апиогалактуронан (рис.8), содержание которого равняется тем же 25%, как и в
зостеране. Детальное изучение структуры последнего показало, что его строение
отличается от строения этого блока в зостеране наличием не только одиночных
остатков D-апиозы в боковых цепях, но и более длинных боковых цепей, состоящих из 2
или 3 остатков b-1,5-связанной D-апиофуранозы. Кроме того, лемнан
содержит, хотя и незначительный, но очень сложный фрагмент
гетерогликаногалактуронана, фрагменты боковых цепей которого приведены на рис.8
.Это разветвленные углеводные цепи, построенные из остатков L-арабинозы, D-галактозы, D-ксилозы и 2-О-метил-D-ксилозы и имеющие в качестве точек
разветвления ди-О-замещенные остатки D-галактозы, D-ксилозы и L-арабинозы. Изрис.8 можно сделать вывод, что разветвленная область
гетерогликаногалактуронана представляет собой RG-I с боковыми цепями 1,5-L-арабинана и 1,3;1,4-D-галактана, а также ксилогалактуронан
с b-1,4-связями между остатками ксилозы в боковых цепях.
На терминальных концах блока ксилогалактуронана, наряду с остатками ксилозы,
локализуются и немногочисленные остатки 2-О-метил-D-ксилозы.
Следует отметить, что
зостеран и лемнан характеризуются низкой степенью метоксилирования. Сравнивая
между собой структуры зостерана и лемнана, можно сказать, что они, по всей
видимости, очень близки друг другу, хотя и имеют некоторые определенные отличия
в элементах тонкого строения. Вероятно, не является случайным, что пектины,
содержащие апиогалактуронановый блок в составе разветвленной области, пока
обнаружены как компоненты водных растений: пресноводной ряски и морских трав,
относящихся к высшим цветковым растениям. Не исключено, что блок
апиогалактуронана играет существенную роль в поддержании водно-солевого режима
этих растений и обусловливает их устойчивость к водным условиям обитания.
Хорошо известно, что
неметоксилированные остатки галактуроновой кислоты в пектинах образуют с помощью ионов кальция и магния
межмолекулярные мостики, обусловленные ионными и водородными связями между
карбоксильными и гидроксильными группами(рис.9). В
результате образуется сетчатая структура, способная удерживать большие
количества молекул воды. На основании имеющихся данных о существовании боратных
комплексов между остатками апиозы мы полагаем, что в зостеране и лемнане с
помощью ионов определенных металлов (кальция, магния и, возможно, того же бора)
образуются дополнительные сшивки между отдельными макромолекулами. Это приводит
к формированию еще одной сетчатой структуры,
сопровождается резким увеличением молекулярной массы образующихся агрегатов,
ростом их гидрофильности и способности
удерживать большие количества внутримолекулярной воды. Действуя, как молекулярные сита,
подобные структуры и обеспечивают водно-солевой режим растения в водной среде.
Кроме того, эти же структуры могут оказывать существенное влияние на
физиологическую активность зостерана и лемнана.
Считается, что для
проявления физиологической активности, как правило, необходимо, чтобы
среднечисловая молекулярная масса полисахарида превышала 10-15 кДа, и он
обладал способностью образовывать высокомолекулярные агрегаты со средневесовой
молекулярной массой более 1 Мда. Зостеран и лемнан вполне соответствуют этому
условию, имея среднечисловую молекулярную массу в районе 50-70 кДа и образуя
высокомолекулярные агрегаты.
Особенно подробно изучена
физиологическая активность зостерана (рис.10), который в настоящее время широко
применяется в качестве лечебной пищевой добавки (рис.10). Это, прежде всего,
иммуномодулирующая активность, противоязвенное и антидотное действие.
Показано, что зостеран,
лемнан и силенан (рис.11) обладают иммуномодулирующим действием: все они
стимулируют фагоцитоз. Кроме того, зостеран и лемнан усиливают интенсивность
РГЗТ __ реакции гиперчувствительности замедленного типа. Показано также,
что зостеран стимулирует гуморальный иммунитет, в частности, увеличивает в
селезенке животных число антителообразующих клеток (АОК); в отношении остальных
трех пектинов информация в этом направлении пока отсутствует, хотя не
исключено, что все они обладают подобным действием. Кроме того, зостеран не
оказывает прямого цитотоксического действия на опухолевые клетки, но в то же
время обусловливает снижение роста опухолей (в частности, карциномы Эрлиха) у
животных именно благодаря стимуляции гуморального иммунитета.
Можно полагать, что
способность пектинов стимулировать рост и размножение определенных клеток в
организме, в том числе, иммунокомпетентных, лежит в основе их
иммуномодулирующей активности.
В то же время остается
неясным, какие структурные области пектиновой макромолекулы отвечают за
иммуномодулирующее действие пектина. В первую очередь следует отметить, что
далеко не все пектиновые полисахариды способны влиять на иммунную систему.
Можно предположить, что разветвленныйRG-I является иммуноактивной частью
пектина. То, что фрагмент RG-I
является минимально необходимым для проявления пектинами физиологической, в том числе,
иммуномодулирующей активности, известно из работ многих авторов, в частности,
группы японских исследователей, которую возглавляет проф. Ямада Т. Они
установили, что буплейран, пектин из володушки Bupleurumfalcatum, сохраняет способность
оказывать митогенное действие на лимфоциты после деградации неразветвленной
галактуронановой цепи с помощью пектиназы.
Можно полагать, что и другие
фрагменты разветвленной области пектинов, в частности, апиогалактуронан и
ксилогалактуронан, также способны оказывать существенное влияние на
иммуномодулирующее действие. Мы провели расщепление молекулы лемнана с целью
выяснить роль линейного и разветвленного участка его молекулы в
иммуностимулирующем действии (рис.12).
С помощью пектиназы был
получен фрагмент лемнана LMP, устойчивый к расщеплению и содержащий в основном
апиозу и галактуроновую кислоту. Последующий частичный кислотный гидролиз с
помощью трифторуксусной кислоты позволил отщепить терминально расположенные
остатки апиозы (фрагмент LMPH) (рис.12).
Установлено, что
апиогалактуронан LMP также, как исходный лемнан,
обладает иммуностимулирующим действием. Данные указывают на то, что часть линейного
галактуронана кора, расщепленная пектиназой, не участвует во взаимодействии
лемнана с клетками-мишенями. Следует также отметить, что яблочный пектин,
который на 95% представляет собой галактуронан, не оказывал в наших опытах
иммуностимулирующего действия (рис.12).
Фрагмент LMPH, лишенный ряда нейтральных
моносахаридных остатков и части терминальных апиозных
участков, не обладает иммуностимулирующим действием. Данный факт указывает на
существенную роль остатков апиозы и других нейтральных моносахаридов во
взаимодействии лемнана с клетками иммунной системы (рис.12).
Таким образом, доказано,
что строение разветвленной области пектиновой макромолекулы важно для
проявления иммуномодулирующего действия. Требуется дальнейшее изучение тонкого
строения пектиновых полисахаридов и выяснение зависимости физиологической
активности пектинов от особенностей
структуры разветвленного рамногалактуронана (RG-1).
Биогликаны-иммуномодуляторы
Строение и свойства
Ю.С. Оводов, Р.Г. Оводова, С.В. Попов
Резюме.
Приведен обзор работ авторов по изучению строения и свойств природных углеводсодержащих биополимеров (биогликанов), обладающих иммуномодуляторной активностью. В частности, рассматриваются структура и свойства ряда пектинов: силенана из смолевки Silenevulgaris, танацетана из пижмы Tanacetumvulgare, а также апиогалактуронановых пектинов: зостерана из морских трав сем. Zosteraceae и лемнана из ряски малой LemnaminorL.
Приводятся данные по иммуномодуляторной активности пектинов и обсуждается зависимость физиологической активности от структуры макромолекул.