Морские водоросли – источник необычных полисахаридов

Заключение
Морские водоросли – источник
необычных полисахаридов
А.И. Усов
Институт органической химии
им. Н.Д.Зелинского РАН
Использование полисахаридов морских
водорослей.
•
Эмульгаторы, стабилизаторы, желирующие агенты
*пищевая промышленность
*текстильная промышленность
*фармацевтическая промышленность
*биотехнология
* медицина
*др.
•
Фикоколлоиды:
Агары и каррагинаны из
красных водорослей
Альгиновые кислоты из
бурых водорослей
Биологически активные вещества
Сульфатированные полисахариды
*Виды биологической активности:
антикоагулянтная
противоопухолевая
противовирусная
противовоспалительная
Бурые водоросли - фукоиданы
Красные водоросли - галактаны ,
маннаны
Зеленые водоросли - ?
Систематика водорослей 50-летней давности
КРАСНЫЕ ВОДОРОСЛИ – ИСТОЧНИК СУЛЬФАТИРОВАННЫХ
ГАЛАКТАНОВ
(АГАРА, КАРРАГИНАНА И ДР.)
Источник высококачественного агара – Ahnfeltia plicata
Галактаны красных водорослей
Полисахариды построены из дисахаридных повторяющихся звеньев:
[A
В положении А всегда 3связанная β-Dгалактопираноза
B]n
В положении В 4-связанная αгалактопираноза или 3,6-ангидрогалактопираноза, имеющая D- или Lконфигурацию
Гидроксильные группы могут быть метилированы, сульфатированы,
гликозилированы остатками D-ксилозы, 4-О-метил-L-галактозы, Dглюкуроновой кислоты и могут участвовать в образовании циклических
кеталей пировиноградной кислоты
Базовые структуры галактанов красных водорослей
HO
O
O
HOCH2
CH2OH
OH
O
O
OH
OH
HO
агаран
CH2OH
HO
O
HO
O
O
O
OH
CH2OH
O
O
O
O
агароза
CH2OH
OH
O
HO
OH
каррагинан
HO
CH2OH
O
O
O
O
OH
каррагиноза
O
OH
Полисахариды группы агара
R3O
CH2OR4
O
O
O
OH
RO
O
R = H или Me
R1 = H, Me или β-D-Xylp
R2 = H или SO3R3 = H или SO3R4 = H, Me, SO3-, β-D-Xylp или
4-O-Me-α-L-Galp
R3, R4 = HOOC
C
Me
O
R3O
O
R OCH2
CH2OR4 2
O
OR1
O
O
OH
OR
HO
HO
CH2OH
O
O
HO
O
CH2OH
O
O
O
HO
O
O
OH
OH
O
O
агароза
HO
CH2OH
O
O
HO
O
OH
O
O
HO
O
O3SOCH2
CH2OMe
O
OH
O
O
OH
порфиран
OH
Структуры некоторых каррагинанов
-
-
O3SO
O
CH2OH
O
CH2OH
O
O
O
O
O3SO
OH
OH
OH
O3SO
HO
мю-каррагинан
-
O
CH2OH
O
O3SO
CH2OH
O
O
O
O
CH2OSO3O
HO
каппа-каррагинан
-
O
O
O
O
OH
OH
OSO3-
CH2OSO3O
HO
иота-каррагинан
-O
3SO
ню-каррагинан
HO
HO
O
CH2OH
O
O
O
O
O
O
-
-
OSO3
CH2OH
O
OSO3-
OSO3
HO
тета-каррагинан
CH2OSO3O
-
O3SO
ламбда-каррагинан
Схема образования геля при переходе молекул полисахарида
из конформации хаотического клубка в частично упорядоченные
спиральные структуры
(а) Модель Риса
(б) Модель Смидсрода
Сильно модифицированные полисахариды группы агара
CERAMIALES
Polysiphonia morrowii - 6-сульфат агарозы, сульфатированные звенья
собраны в блоки
HO
HO
CH2OSO3-
HO
O
O
O
CH2OH
HO
O
O
O
O
O
OH
OH
O
O
m
n
Laurencia nipponica HO
CH2OH
HO
O
HO
-O
O
O
O
O3SO3SOCH2
O
O
CH2OH
OH
O
O
- звенья-предшественники 3,6-ангидрогалактозы ксилозилированы по О-3
O
O
OSO3-
O
OH
OH
HO
Neorhodomela larix - сосуществование структурных фрагментов агара и
каррагинана в одной молекуле
HO
HO
CH2OR1
O
O
R2O
O
CH2OR1
O
O
O
OH
O
m
O
OH
-O SO
3
CH2OH
O
n
HO
R1 = H or SO3-, R2 = H or Me
Гипотетическая последовательность стадий биосинтеза
полисахарида группы агара
X
O
HO
HO
n
OH
CH2OH
O
OH
O
HO
OH
CH2OH
O
Полимеризация
O
HO
HO
OH
OH
O
O
OH
O
HO
HO
OH
CH2OH
O
OH
O
O
OH
O3SOCH2
CH2OH
OH
O
O
HO
Сульфатирование
O
OH
HO
O
O3SOCH2
CH2OH
OH
O
O
OH
HO
HO
O
CH2OH
HO
O
O
O
O
OH
Элиминирование
сульфата
HO
CH2OH
O
O
O
O
OH
OH
O
O
Дальнейшие модификации
(метилирование и т.д.)
O
OH
Возможный путь биосинтеза DL-гибрида
X
m
O
OH
CH2OH
O
CH2OH
O
HO
HO
HO
OH
+n
O
HO
O
HO
CH2OH
OH
O
HO
OH
OH X
Сополимеризация
предшественников,
различающихся
абсолютной конфигурацией
4-связанного остатка галактозы
HO
CH2OH
O
O
O
CH2OH
OH
HO
HOCH2
O
OH
CH2OH
O
O
HO
OH
OH
O
O
OH
DL-гибрид
Полисахариды пальмариевых водорослей
PALMARIALES
O
O
HO
OH
O
O
HO
O
HO
O
O
O
OH
HO
OH
OH
Devaleraea
Halosaccion
Palmaria
нейтральные линейные (1-3,1-4)-β-D-ксиланы
HO
-O
3SOCH2
CH2OMe
O
OH
O
O
O
OH
OH
HO
CH2OH
O
HOCH2
OMe
O
O
OH
O
OH
Сульфатированный и метилированный
агаран из Palmaria stenogona
Уникальные полисахариды немалиевых водорослей
NEMALIALES
OH
HOCH2
-O
O
3SO
O
OH
-O3SOCH2
O
O
HO
O
HO
O
HO
OH
Galaxaura
Liagora
Nemalion
Nothogenia
O
HOCH2
O
O
HO
сульфатированные ксиломаннаны
O
HO
OH
O
HO
O
HO
O
OH
O
O
O
OH
HO
OH
нейтральные линейные
(1-3,1-4)-β-D-ксиланы
Уникальные полисахариды кораллиновых водорослей
CORALLINALES
O
HO
O
HO
HO
RO
CH2
O
HOCH2
O
O
O
OR
OR
OH
HO
CH2OR
O
HOCH2
O
O
O
OR
R = H, Me, or SO3-
OR
OH
"КOРАЛЛИНАНЫ " -
частично метилированные, сульфатированные и
ксилозилированные агараны
HOOC
O
HO
OH
O
HOOC
O
HO
OH
O
COOH
O
OH
COOH
O
O
OH
OH
O
АЛЬ ГИНОВЫ Е КИСЛОТЫ
OH
(ранее известные только как компоненты бурых водорослей
и некоторых бактерий)
Полисахариды в разных порядках Rhodophyta
Порядок
BANGIALES
NEMALIALES
GELIDIALES
CORALLINALES
CRYPTONEMIALES
GRACILARIALES
GIGARTINALES
RHODYMENIALES
PALMARIALES
CERAMIALES
Специфические водорастворимые
полисахариды
Частично метилированные гибриды агарана и
агарозы (“порфираны”)
Сульфатированные ксиломаннаны и
нейтральные ксиланы
Типичные агары
Сульфатированные и метилированные
ксилогалактаны группы агара и альгиновые
кислоты
Сложные сульфатированные галактаны (DLгибриды), модифицированные агары и
каррагинаны
Агары и модифицированные агары
Типичные каррагинаны
Сложные сульфатированные галактаны (DLгибриды)
Нейтральные ксиланы и галактаны группы
агара
Высокомодифицированные галактаны группы
агара и DL-гибриды
Бурые водоросли: альгиновые кислоты
25
Последовательность и конформации моносахаридных
остатков в молекулах альгиновых кислот
H OOC
O
OH
O
COOH
HO
O
OH
O
HO
H OOC
OH
O
OH
O
O
OH
O
OH
M
M
G
COOH
G
-M-M-M-M-M-M-M-G-M-G-M-G-M-G-M-G-G-G-G-G-G-
Гелеобразование в альгинатах с участием ионов Са2+
(egg-box model)
+
Ca 2
O
O-
OH
OH
O
O
OH
O
O
OH
O
Ca
Ca
OO
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Ca
Иммобилизация клеток, производящих инсулин,
в геле альгината
Бурые водоросли: фукоиданы
Примеры биологической активности фукоиданов
•Антикоагулянтная
•Антивирусная
•Антиадгезивная
•Антиангиогенная
•Противовоспалительная
•Противоопухолевая
•Иммуномодулирующая
•Контрацептивная
Фукусы на литорали Белого моря
Структура фукоидана из водоросли Fucus distichus
O
CH3
OH
B
O
Methanol
O
CH3
OSO3-
6B
6A
-
OSO3
O
-O SO
3
A
5A
n
3B
5B
4B
2A
1A
1B
2B
4A
3A
Fucf-6C
CH3CO
CH3CO
170
160
150
140
130
120
110
100
90
M.I.Bilan et al. Carbohydr.Res., 339 (2004) 511-517.
80
70
60
50
40
30
20
ppm
Структура фукоидана из Fucus evanescens
Me
O
O R1
O
Me
O
O
Me
O
O
Me
O
R2
A
R1
R2
A
OSO3-
B
OSO3-
OSO3-
B
OSO3-
R1= ~ 45% OAc,
~ 55% OH
R2= ~ 61.5% OSO3 ,
~ 27% OAc,
~ 11.5% OH
M.I.Bilan et al. Carbohydr.Res.
337 (2002) 719-730.
Структура фукоидана из Fucus serratus
-
-
-
SO3
SO3
SO3
↓
↓
↓
2
2
2
→3)-α-L-Fucp-(1→4)-α-L-Fucp-(1→ ........ →3)-α-L-Fucp-(1→4)-α-L-Fucp-(1→
|
|
α-L-Fucp-(1→4)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→4)
4
2
2
↑ ↑ ↑ SO3
SO3
SO3
M.I.Bilan et al. Carbohydr.Res. 341 (2006) 238-245.
Строение фукоидана из Laminaria saccharina
O
H3C
4-сульфаты
-
O3SO
O
OH
O
1,3-связь
O3SO
O
H3C
2-сульфат
O
H3C
-
-
OSO3
O
OH
O
-
O3SO
O
H3C
-
OH
H3C
-
OSO3
O
O3SO
OH
O
2,3-разветвление
А.И.Усов и др. Биоорган.химия 24 (1998) 437-445.
21
Структура углеводной цепи фукоидана из Chorda filum
↑
α-L-Fuc
3
↑
α-L-Fuc →2 α-L-Fuc
3
↑
α-L-Fuc
3
↑
α-L-Fuc
3
↑
α-L-Fuc
3
↑
A.O.Chizhov et al. Carbohydr.Res. 320 (1999) 108-119.
Структура фукоидана из Analipus japonicus
Десульфатированный фукоидан:
→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→
2
4
4
4
↑
↑
↑
↑
Fuc
Fuc
Fuc
Fuc
Нативный фукоидан:
-
-
-
-
4SO3
2SO3
2SO3
2SO3
→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→
2
4
4
4
↑
↑
↑
↑
Fuc
Fuc
Fuc
Fuc
2,3SO3
2,4SO3
2,4SO3
М.И.Билан и др. Биоорган.химия 33 (2007) 38-46.
Углеводная цепь фукоидана из Chordaria flagelliformis
α-D-GlcAp-(1→2)
α-L-Fucf-(1→4)-α-D-GlcAp-(1→2)
|
|
|
|
→3)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→
|
|
α-L-Fucf-(1→2)-α-L-Fucf-(1→4)-α-D-GlcAp-(1→2)
H3C
HOOC
OH
O
HO
O
O
H3C
OH
O
OH
HO
O
HO
HO
M.I.Bilan et al. Carbohydr.Res., 343 (2008) 2605-2612.
Новые данные о полисахаридном составе «фукоидана»
из Laminaria saccharina
→2)-α-D-Man-(1→4)-β-D-GlcA-(1→2)-α-D-Man-(1→4)-β-D-GlcA-(1→2)-α-D-Man-(1→
3
↑
α-L-Fuc
A
→3)-β-D-GlcA-(1→3)-β-D-GlcA-(1→3)-β-D-GlcA-(1→3)-β-D-GlcA-(1→3)-β-D-GlcA-(1→
4
↑
α-L-Fuc
B
→6)-β-D-Gal-(1→6)-β-D-Gal-(1→...6)-β-D-Gal-(1→6)-β-D-Gal-(1→…6)-β-D-Gal-(1→
4
4
4
↑
↑
↑
→6)-β-D-Gal-(1→6)-β-D-Gal
β-D-Gal
β-D-Gal
4
3
↑
↑
β-D-Gal
α-L-Fuc
C
→3)-α-L-Fuc-(1→3)-α-L-Fuc-(1→3)-α-L-Fuc-(1→3)-α-L-Fuc-(1→ 3)-α-L-Fuc-(1→
2
↑
D
α-L-Fuc
Некоторые выводы:
1. Структурное разнообразие природных фукоиданов
существенно выше, чем считалось ранее. Даже виды одного
рода бурых водорослей могут содержать полисахариды,
кардинально различающиеся по структуре и биологической
активности. Комплекс сульфатированных полисахаридов,
извлекаемых из данного вида водорослей, может содержать
несколько различных по структуре полисахаридов.
2. Соотношение биологических активностей в исследованных
фукоиданах свидетельствует, что разные активности
несомненно зависят от различных структурных элементов
полисахаридных молекул. Структура главной цепи фукоидана
не является фактором, определяющим тип
биологической активности.
ПОЛИСАХАРИДЫ ЗЕЛЕНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ
Типичный представитель порядка ульвовых, Ulva armoricana
Главные дисахаридные повторяющиеся звенья ульвана
M.Lahaye, A.Robic. Biomacromolecules 8(6), 1765-1774 (2007)
Олигосахаридные продукты ферментативного расщепления ульвана
Спектры 13С-ЯМР полисахаридов из разных видов рода Ulva
Представитель сифоновых водорослей, Codium yezoense
Спектр 1Н-ЯМР нативного галактана из Codium yezoense
CH3
O OH
•Количественное определение
пирувата в виде
2,4-динитрофенилгидразона
HOOC
O
O
OH
7% остатков пирувата
(1 остаток ПВК:4 остатка Gal)
OH
H3C
NaOOC
O O
O
HO
OH
OH
5.0
4.8
4.6
4.4
4.2
4.0
3.8
3.6
3.4
ppm
1.6
ppm
Десульфатированный и депирувилированный галактан
B6
A6
OH
OH
OH
OH
O
O
O
O
HO
OH
OH
OH
OH
OH
B
OH OH
OH
C
O
O
O
B5
O
O
O
OH
A
A2
G2
B2
OH
OH
OH
B3
O
O
OH
A
G
O
O
HO
B1
F
A5
F5
OH
OH
B4
A4
C4
G4
F4
A1
C1
G3
F3
F1
G1
105
100
95
90
85
C5
G5
80
75
G6
C6
70
65
ppm
Строение галактана из Codium yezoense
Из тихоокеанской зеленой водоросли Codium yezoense выделен сульфатированный
галактан, содержащий большое количество остатков пировиноградной кислоты.
Характерным фрагментом молекулы галактана является гептасахарид:
Gal 1
1 Gal 3←1 Gal
↘
↙
3 6
Gal
1
↑
6
→3 Gal 1→3 Gal 1→3 Gal 1→
Остатки пировиноградной кислоты в нативном полисахариде присоединены только к
концевым остаткам галактозы, главным образом в положения 3,4, и образуют кетали
с S-конфигурацией:
CH3
O OH
HOOC
O
O
O
OH
Сульфатные группы находятся преимущественно в положениях 4 остатков
галактозы.
Некоторые выводы:
1. Зеленые водоросли, представители рода Ulva, содержат сульфатированные
рамногликуронаны, построенные из повторяющихся дисахаридных звеньев, с
необычными нарушениями этого плана построения в виде дополнительных
остатков уроновых кислот в повторяющемся звене. Разные виды этого рода,
несомненно, содержат существенно различающиеся по строению полисахариды.
2. Зеленые водоросли, представители рода Codium, содержат сульфатированные
галактаны (или арабиногалактаны), в состав которых входят остатки
пировиноградной кислоты. Эти полисахариды напоминают галактаны высших
растений по структуре углеводной части молекулы, содержат пятичленные кетали
пировиноградной кислоты, подобно некоторым бактериальным полисахаридам, а
по степени сульфатирования аналогичны другим полисахаридам морских
водорослей.
Эволюционное древо живых организмов
по данным геносистематики
Степень родства водорослей по ядерным геномам
и пути приобретения ими пластид