СК: структура и свойства

УДК 577.1:547/637.1
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ СИАЛОВЫХ КИСЛОТ
В БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ
Часть 1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИАЛОВЫХ
КИСЛОТ
И.М. Мироненко, к.т.н.
ГНУ Сибирский НИИ сыроделия Российской академии сельскохозяйственных
наук, г. Барнаул
[email protected]
Сиаловые кислоты входят в состав углеводной части молекул гликопротеинов и гликолипидов и определяют физико-химические свойства этих веществ. Известна также группа сиалосодержащих олигосахаридов [1].
1 Роль углеводов в биологической специфичности
Предположения о роли углеводов в специфичности появлялись в научной
литературе уже давно, однако мало кто придавал им значение. К 1950-м годам
было твердо установлено, что инъекции животным полисахаридов могут стимулировать образование антител. Стало известно, что группы крови АВО детерминируются сахарами, расположенными на поверхности кровяных клеток, и
что вирус гриппа связывается с эритроцитами через определенный сахар, а
именно сиаловую кислоту. Термин «сиаловая кислота» (от греческого σίαλον /
сиалона) впервые был введён шведским биохимиком Гуннаром Бликсом в 1952
году.
Может быть поэтому, начиная именно с изучения свойств сиаловой кислоты, в 1960-е годы углеводы привлекли должное внимание исследователей. К
тому привели два важных события. Во-первых, было показано, что на поверхности всех клеток есть «сахарный покров». А во-вторых – что существуют лектины – белки, специфически узнающие углеводы.
В настоящее время уже нет сомнений в том, что, благодаря колоссальному потенциальному структурному разнообразию углеводов, полимеры сахаров
могут быть весьма эффективными носителями информации. В расчете на единицу веса углеводы способны содержать больше информации, чем нуклеино1
вые кислоты или белки. Моносахариды могут, таким образом, служить буквами
в словаре биологической специфичности; считывание углеводных «слов» основано на вариабельности сахарных субъединиц, различиях в связях между ними
и наличии или отсутствии точек ветвления [2].
Заслуженное внимание исследованию специфичности действия сиаловых
кислот уделяется в медицинской науке.
Сиаловые кислоты, входящие в состав гликопротеинов секретов слизистых оболочек дыхательного, кишечного и полового трактов, обуславливают их
высокую вязкость. Это обеспечивает защиту слизистых оболочек от механических и химических повреждений. Наличие сиаловых кислот в составе белков
крови и некоторых гормонов определяет длительность циркуляции этих соединений в кровотоке. После отщепления сиаловых кислот, когда концевым сахаром в молекулах гликопротеинов становится галактоза, эти белки поглощаются
клетками печени. Именно этим объясняется потеря гормонами биологической
активности. Длительность циркуляции в кровотоке некоторых клеток крови
(эритроцитов, лимфоцитов) также зависит от наличия или отсутствия сиаловых
кислот на их поверхности. Процесс старения эритроцитов связан с уменьшением количества сиаловых кислот в их оболочке. Находясь в составе углеводной
части гликопротеинов, сиаловые кислоты маскируют остатки сахаров, являющихся антигенными детерминантами, и таким образом, играют важную роль в
иммунных реакциях, снижая иммуногенные свойства нормальных и опухолевых клеток. Сиаловые кислоты являются компонентами клеточных рецепторов,
специфичных для вирусов гриппа.
Установлено, что наличие или отсутствие сиаловой кислоты в структуре
антител определяет их противо- или провоспалительные свойства. Проводятся
исследования по расшифровке регуляции механизма модификации иммуноглобулинов молекулами сиаловой кислоты.
Cодержание сиаловых кислот в сыворотке крови здорового человека составляет 620-730 мг/л, но оно заметно повышается при ряде заболеваний, сопровождающихся воспалительными процессами (например, ревматоидном арт2
рите, полиартрите и др.) или усиленной пролиферацией тканей. Известны тяжелые наследственные заболевания, которые обусловлены дисбалансом свободных и связанных сиаловых кислот в тканях и жидкостях организма.
В настоящее время определение количества сиаловой кислоты в крови
используют как диагностический и прогностический биохимический тест.
Наиболее распространенными методами определения сиаловых кислот в сыворотке крови и других биологических жидкостях являются резорциновый метод
Свеннерхольма и метод с тиобарбитуровой кислотой Уоррена [3,4].
2 Структура и свойства сиаловых кислот
Сиаловые кислоты – одноосновные полиоксиаминокислоты, ацильные
производные нейраминовой кислоты, отличающиеся друг от друга структурой
ацилирующих радикалов (ацетил- или гликолил-), их количеством и характером
связи радикала [5].
Выделение сиаловых кислот из индивидуальных углевод-белковых и углевод-липидных комплексов сопряжено с большими трудностями. Этим объясняется тот факт, что даже для наиболее изученных представителей данного
класса соединений многие детали их структуры полностью не выяснены, а также отсутствует их чёткая классификация. Принято считать, что сиаловые кислоты являются типичными представителями моносахаров, входящих в состав
полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов [6].
В настоящее время под термином «сиаловые кислоты» понимается групповое название различных N- и N,O-ацилированных (или О-метилированных)
производных нейраминовой кислоты – 2-кето-3,5-дидезокси-5-амино-Dглицеро-D-галакто-нононовой кислоты (рис. 1) . Сиаловые кислоты могут существовать в ациклической или циклической форме с предпочтительной конформацией кресла. Полифункциональность этих соединений позволяет отнести
их в равной степени к кетозам, аминосахарам, дезоксисахарам и аминокислотам
[6].
Рис.1 Нейраминовая кислота
3
В группе сиаловых кислот особое место занимает N-ацетилнейраминовая кислота
(NeuAc), которая в научных публикациях
может фигурировать, как сиаловая кислота.
NeuAc состоит из одной молекулы галактозы, у пятого углеродного атома находится
ацетилированная аминогруппа (рис.2).
Рис. 2 N-ацетилнейраминовая кислота [7]
В связанном состоянии сиаловые кислоты находятся во всех тканях человека и животных организмов, а также в микроорганизмах. В свободном состоянии они обнаружены в спинномозговой жидкости, коре головного мозга, сосудах, тимусе, печени и слизистой желудка. Выяснено, что углеводсодержащим
полимерам отведена существенная роль в энергетическом балансе клетки [5,8].
В выделенном чистом виде сиаловые кислоты представляют собой
безцветные кристаллические вещества, не имеющие резкой температуры плавления (разлагаются, не плавясь, в интервале температур от 130 до 200ºС). Хорошо растворимы в воде и нерастворимы в неполярных растворителях. Легко
разрушаются под действием кислот и оснований. Почти все сиаловые кислоты
левовращающие [6,8].
Сиаловые кислоты проявляют свойства сильных кислот и подобно другим α-кетокислотам характеризуются низкими значениями рКа (2,6-2,8). Они
вносят существенный вклад в поверхностный заряд молекул гликопротеинов и
определяют их поведение при электрофорезе, ионообменной хроматографии,
устойчивость к воздействию протеолитических ферментов, иммунохимические
свойства.
Кетозидная связь сиаловых кислот легко подвергается гидролитическому
расщеплению, что обуславливается влиянием карбоксильной группы. При дли-
4
тельном воздействии кислот они образуют гумины. Сиаловые кислоты склонны
к внутримолекулярным конденсациям [6].
В составе гликопротеинов сиаловая (N-ацетилнейраминовая) кислота соединена с боковыми углеводными цепями или непосредственно с гидроксилсодержащими аминокислотами – серином и тирозином, а в составе гликолипидов
(ганглиозидов) – гликозидной связью со звеньями галактозы [8].
Гликозилирование протеинов происходит в специфических положениях
вдоль полипептидного скелета и бывает обычно двух типов: О-связанные олигосахариды присоединяются к сериновым или треониновым остаткам, в то время как N-связанные олигосахариды присоединяются к аспарагиновым остаткам,
если они являются частью последовательности Asn-X-Ser/Thr, где X может
быть любой аминокислотой, за исключением пролина. Структуры N-связанных
и О-связанных олигосахаридов и остатков сахаров, найденные в каждом типе,
являются различными. Один тип сахара, который обычно находят на обеих
структурах, является N-ацетилнейраминовой кислотой (NeuAc) [9].
3 Функциональные особенности сиаловых кислот
Являясь полифункциональными соединениями, сиаловые кислоты, входящие в состав углеводной части молекул гликопротеинов, гликолипидов и
олигосахаров, определяют биологическую активность этих веществ.
1) Занимая в молекулах углеводсодержащих веществ концевое (терминальное) положение, сиаловые кислоты оказывают значительное влияние на их
физико-химические свойства. Определяя отрицательный заряд молекул гликопротеинов, сиаловые кислоты обуславливают вытянутую форму их молекул и,
как следствие, высокую вязкость в жидких биологических средах [10].
2) Сиаловые кислоты содержатся в оболочке клеток и играют важную
роль в их взаимоотношениях с внешней средой. В настоящее время идентифицировано порядка 50 вариаций этих кислот в организмах. Находясь на поверхности клеток в виде гликолипидов или гликопротеинов, сиаловые кислоты являются составной частью разнофункциональной сигнальной системы. Они
обладают функцией распознавания чужеродных тел, с помощью которой им5
мунная система узнает, активизировать или не активизировать свою деятельность. Иммунная система распознает чужеродную сиаловую кислоту, в результате чего образуются антитела. Сейчас необходимы дальнейшие исследования,
чтобы установить, что эта несовместимость является причиной различных заболеваний, таких как рак, воспаление суставов, цирроз печени, артериальных
болезней и т.д. [11].
3) Группа учёных из Германии, Словакии и Швейцарии под руководством
Бориса Стрилика исследовала механизмы, формирующие кровеносные сосуды.
Экспериментально подтверждено, что сиаловая кислота, создавая общий отрицательный заряд на поверхности эндотелиальных клеток, инициируют формирование просвета сосудов. С помощью соединений, способных специфично
связывать остатки углеводов на поверхности клеточной мембраны (лектинов) и
маркера PODXL, ученые выяснили, что остатки сиаловой кислоты обладают
также способностью «расталкивать» слипшиеся клетки [12,13].
4) Поверхностный электрический заряд форменных элементов крови на
80-90 % обусловлен карбоксильными группами сиаловой кислоты. Одним из
проявлений нарушения реологических свойств крови является усиление способности эритроцитов и тромбоцитов к агрегации, что может быть следствием
редукции отрицательного заряда на их поверхности. Снижение зарядности клеток крови может быть вызвано экранированием карбоксильных групп сиаловой
кислоты или отщеплением ее от поверхности мембран эритроцитов и тромбоцитов. Эритроциты со сниженным содержанием сиаловых кислот не только изменяют свои мембранные свойства, но и теряют способность нормально циркулировать в кровотоке [14].
5) Считают, что увеличение уровня сиаловых кислот в сыворотке крови
происходит за счет деградации крупных сложнобелковых комплексов в зоне
воспаления. В фазе обострения воспалительных процессов отмечается увеличение количества сиаловых кислот [15].
6
6) Присутствие сиаловой кислоты обеспечивает противовоспалительные
свойства иммуноглобулинов, а в ее отсутствие молекулы IgG проявляют провоспалительное действие [16].
7) Молочные жировые глобулы (МЖГ) коровьего молока отделены друг
от друга двойной мембраной, внешний слой которой пронизан белками, содержащими сиаловую кислоту.
Одним из основных белков МЖГ является муцин 1 (MUC1). Молекула
коровьего MUC1 содержит ~50% (вес/вес) карбогидратов (углеводов), основными из которых являются фукоза, галактоза, манноза, N-ацетилглюкозамин,
N-ацетилгалактозамин и сиаловая кислота. Именно высоким содержанием сиаловой кислоты, объясняется низкая изоэлектрическая точка MUC1 (рI<5,0).
Установлено, что в процессе отпочковывания липидных глобул от поверхности секреторной клетки MUC1 защищает её поверхность от физического
повреждения и инвазии патогенных микроорганизмов. Предполагается, что
MUC1 участвует в процессе образования тканевых микроканалов и полостей.
Считается, что муцин 1 может играть иммунопротективную роль, путем связывания и изолирования патогенных микробов в кишечнике новорожденного, питающегося молоком [цит. по 17].
4 Сиаловые кислоты в молоке
Во-первых, сиаловая кислота является компонентом гликомакропептида
(ГМП), который входит в состав к-казеина коровьего молока. Установлено, что
ГМП содержит 11,7% азота, 0,63% фосфора, 5,1% гексозы (галактозы), 2,3%
глюкозамина и 11,3% сиаловой кислоты.
Во-вторых, сиаловая кислота входит в состав белков оболочек жировых
шариков, фракция которых содержит: 14% азота, 0,4-0,6% фосфора и 6,6-10,2%
углеводов (из них 2,8-4,2% гексоз, 2,5-4,2% глюкозамина и 1,3-1,8% сиаловой
кислоты [18].
В-третьих, сиалосодержащими олигосахаридами особенно богато коровье
и женское молоко. В большей степени изучены сиалосодержащие олигосахариды женского молока (их около 400), которые представлены трисахаридами,
7
пентасахаридами и тетрасахаридами, содержащими остатки сиаловой кислоты.
В трисахаридах остаток сиаловой кислоты присоединен к лактозе в положениях
3 или 6 остатка галактозы, в пентасахаридах – к лакто-N-тетраозе в положениях
3 или 6 лактозы и в положении 6 гексозамина [6, 19].
Козье молоко в настоящее время позиционируют в качестве мощного иммуномодулятора, потому что в его состав входит большое количество сиаловых
кислот. Есть убеждение, что молоко здоровых коз не может быть источником
инфекционных микроорганизмов и что регулярное употребление козьего молока помогает стимулировать иммунитет и повышать защитные силы организма
[20,21].
Количество сиаловых кислот стали учитывать в рецептурах детских молочных смесей. Суммарная концентрация сиаловой кислоты в этих рецептурах
предпочтительно повторяет концентрацию, обнаруживаемую в грудном молоке, и обычно варьирует в интервале от 250 мг/л (найдена в женском молоке) до
1500 мг/л (найдена в женском молозиве). В отличие от женского молока, в котором 75% сиаловой кислоты связано с олигосахаридами, в смесях 70% сиаловой кислоты связано с гликопротеином. В составах смесей используются следующие комбинации компонентов, содержащих сиаловую кислоту:
– фракции протеинов из концентрата белков молочной сыворотки, содержащих от 20 до 30 мг сиаловой кислоты на грамм протеина;
– фракции протеина из обезжиренного сухого молочного продукта, содержащих от 2 до 10 мг сиаловой кислоты на грамм протеина;
– фракция гликомакропептида κ-казеина (от 40 до 300 мг сиаловой кислоты на грамм протеина).
Такие продукты выпускаются фирмами Davisco, New Zealand Milk, MD
Foods Ingredients и Formost Farms [22].
Из вышеизложенного можно сделать вывод, что сиаловые кислоты являются полифункциональными компонентами биологических сред, включая молоко. Являясь компонентами белков, жиров и углеводов и обладая одновременно свойствами кетоз, аминосахаров, дезоксисахаров и аминокислот, они спо8
собны выполнять множество разнообразных функций, специфичность и механизм действия которых ещё только начала осознавать современная наука.
Список литературы:
1 Краткая Медицинская Энциклопедия, издательство "Советская Энциклопедия", издание
второе, 1989, Москва / Главный редактор: академик Б. В. Петровский. Краткая Медицинская
Энциклопедия, 1989.]
2 http://humbio.ru/humbio/cytology/0012067c.htm
3 Мецлер Д.Э. Биохимия, пер с англ., – М., 1980.– т. 1, – С. 111, 118.
4 http://www.curemed.ru/medarticle/articles/37345.htm
5 http://veterinarslovar.narod.ru/base/RS/000926.html
6 Химия биологически активных природных соединений (углевод-белковые комплексы,
хромопротеиды, липиды, липопротеиды, обмен веществ). Под ред. Н.А. Преображенского и
Р.П.Евстигнеевой. М., Химия, 1976. – 456 с.
7 http://humbio.ru/humbio/cytology/001140ae.htm
8 http://lifeukr.h1.ru/nauka/o_prod/citam_3/cit3_04.html
9 http://ru-patent.info/21/55-59/2159814.html
10 http://www.chemport.ru/sialolacids.shtml
11 http://www.probudilis.ru/veg-myaso-prichina-zabolevanij.php
12 http://voliadis.ru/news/2010/10/krovenosnye-sosudy-rastut-pod-deistviem-otritsatelnykhzaryadov
13 http://infox.ru/science/human/2010/10/21/Sosudy_elektroni.phtml
14 http://www.dilansaglik.com/2010/10/18/cholecystitis/reologicheskie-svojstva-krovi-3/
15http://www.medchitalka.ru/pylmo/sovremennye_metody_issledovaniya_pulmonologicheskih_bol
nyh/313.html
16 http://www.eternalmind.ru/index.php?option=com_content&task=view&id=1627
17 Ельчанинов В.В. Номенклатура и биохимические свойства белков мембраны молочной
жировой глобулы. 3. Муцин 1 // «Актуальные проблемы техники и технологии переработки
молока» Сб. науч.трудов ГНУ СибНИИС, вып. 6. – Барнаул, 2009. – С. 201-206.
18 Овчинников А.И., Горбатова К.К. Биохимия молока и молочных продуктов /под ред.
проф. Н.В. Новотельнова. – Л., Изд-во Ленингр. ун-та, 1974. – 260 с.
19 http://www.t-pacient.ru/archive/tp10-10/tp10-10_706.html
20 http://animal-industries.ru/new/post_1318429151.html
21 http://www.vashaibolit.ru/1292-celebnye-svoystva-kozego-moloka.html
22 http://bd.patent.su/2361000-2361999/pat/servl/servletb1be.html
УДК 577.1:547/637.1
СПЕЦИФИЧНОСТЬ ДЕЙСТВИЯ СИАЛОВЫХ КИСЛОТ
В БИОЛОГИЧЕСКИХ СРЕДАХ
Часть 1. ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ СИАЛОВЫХ
КИСЛОТ
И.М. Мироненко, к.т.н.
ГНУ Сибирский НИИ сыроделия Российской академии сельскохозяйственных
наук, г. Барнаул
9
Обзорная статья. Прошло 60 лет со времени открытия сиаловых кислот,
но до сих пор появляются всё новые экспериментальные данные, раскрывающие их многогранную функциональность и специфичность действия в биологических средах. Полифункциональность этих соединений позволяет отнести
их в равной степени к кетозам, аминосахарам, дезоксисахарам и аминокислотам. Сиаловые кислоты, входящие в состав углеводной части молекул гликопротеинов, гликолипидов, а также в состав олигосахаров, определяют биологическую активность и физико-химические свойства этих веществ.
10