ПРИКЛАДНАЯ БИОХИМИЯ И МИКРОБИОЛОГИЯ, 2014, том 50, № 6, с. 547-560
УДК 577.114.5,579.841.11.22
ГЛИКОПОЛИМЕРЫ МИКРООРГАНИЗМОВ: ДОСТИЖЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЙ (ОБЗОР)
© 2014 г. Л. Д. Варбанец
Институт микробиологии и вирусологии им. Д.К. Заболотного НАНУкраины, Д03680Киев ГСП, Украина
e-mail: varbanets@serv.imv.kiev.ua Поступила в редакцию 19.02.2014 г.
В обзоре приведены современные данные литературы о структуре пептидогликанов, липополисаха-ридов, тейхоевых кислот, механизме биологического действия липополисахаридов, возможности использования олигосахаридов для создания гликоконъюгатных вакцин, а также о перспективных направлениях дальнейших исследований гликополимеров микроорганизмов.
DOI: 10.7868/S0555109914060142
Возникновение в последние годы новой отрасли биологии — гликобиологии, включающей, кроме традиционных, такие направления, как гликотера-пия, гликоиммунология, гликомимикрия, убедительно свидетельствует в пользу актуальности исследований, посвященных изучению гликополимеров. И это не удивительно, поскольку гликополимеры, как никакие другие биополимеры клетки, чрезвычайно полифункциональны. Они являются основными антигенами бактериальной клетки, играют ключевую роль в процессах межклеточного узнавания, определяют иммуноспецифичность микробных клеток, используются в качестве компонентов вакцин, адъювантов, противоопухолевых препаратов, неспецифических стимуляторов.
Значение, которое биологи в настоящее время придают углеводам, подчеркивается названием, которое присвоено этой группе соединений — гликом. Подобно тому, как слово геном в отношении живых организмов означает весь набор его генов, а протеом — весь набор его белков, так и гликом означает сочетание всех производимых организмом (или отдельной клеткой) моносахаридов. При этом гликом одной клетки во много тысяч раз сложнее как генома, так и протеома.
Гликом микробной клетки включает специфические полисахариды и гликоконъюгаты клеточной поверхности, в частности пептидогликаны, липополисахариды грамотрицательных бактерий, анионные полисахариды клеточной стенки грам-положительных бактерий (тейхоевые и тейхуроно-вые кислоты), бактериальные внеклеточные полисахариды и гликопротеины 8-слоев (рис. 1).
Поскольку данных о структурно-функциональных исследованиях гликополимеров бактерий в последние годы появилось множество, в обзоре преимущественно изложены современные исследования пептидогликана, липополисахаридов, тей-
хоевых кислот, а также возможности использования различных гликополимеров, в том числе и химически синтезированных, для получения вакцин.
Пептидогликан. Биологическая роль, химическая структура, физические свойства и принципы биогенеза компонента клеточных стенок грампо-ложительных и клеточных оболочек грамотрица-тельных бактерий — пептидогликана (муреина) интенсивно изучаются, начиная с 1960 гг. При этом было показано, что несмотря на то, что его состав и тонкая химическая структура варьируют у различных бактерий, общий принцип структурной организации остается постоянным [1, 2]. Пептидогли-кан представляет полимерную сеть, образованную из параллельных полисахаридных цепей дисахари-дов, включающих N-ацетилглюкозамин (NAG) и N-ацетилмурамовую кислоту (NAM), связанных друг с другом в поперечных направлениях многочисленными короткими (тетра- или пента-) пептидными цепями, которые присоединяются к D-актильной части N-ацетилмурамовой кислоты. Общепринятой была модель, согласно которой в муреине гликаны и пептиды расположены параллельно мембране, образуя тонкий слой у грамотри-цательных бактерий или толстую многослойную структуру у грамположительных бактерий [3]. При этом пептидогликановые цепи могут иметь регулярную или нерегулярную ориентацию, образуя планарную сеть. Наиболее доступные доказательства получены для модели, постулирующей распределение гликановых цепей параллельно клеточной поверхности, однако в последние несколько лет благодаря развитию методологии, которая позволяет исследовать архитектуру пепти-догликанов, появились альтернативные модели. Так, согласно одной из них [4—7] муреин грамот-рицательных бактерий представляет собой гель-подобный матрикс, в котором перекрестносвя-занные гликановые цепи ориентированы перпен-
дикулярно цитоплазматической мембране, в то время как пептидные цепи имеют параллельную ориентацию. Авторы показали, что эта модель находится в соответствии с установленным принципом устройства муреина in vivo, то есть последовательное присоединение цепей к ранее существующей структуре. В этих работах [8—10] также была изучена структура пептидогликана клеточной стенки грамположительной бактерии Staphylocco-cus aureus и показано, что он построен из гликано-вых и олигопептидный цепей, расположенных перпендикулярно к цитоплазматической мембране, при этом олигопептидные цепи принимают конформацию зигзага и по принципу застежки молния закрывают соседние гликановые цепи по всей длине. В отличие от предыдущих моделей пеп-тидогликана грамположительных бактерий, эта модель отражает высокую степень перекрестного связывания, что является отличительным свойством клеточной стенки стафилоккоков.
Другие исследователи [11] провели 37-стадий-ный синтез сегмента пептидогликана, представ-лящего фрагмент с молекулярной массой 2 кДа NAG-NAM(пентапептид)-NAG-NAM(пентапеп-тид) (рис. 2). Структура сегмента 1 (рис. 2а), как и в пептидогликанах грамположительных бактерий, содержит пентапептид Ь-Ала-В-у-1лу-Ь-Лиз-Э-Ала-Э-Ала, однако, как у грамотрицательных бактерий L-Лиз заменен диаминопимелиновой кислотой. С использованием ЯМР-спектроскопии в водном растворе была определена 3D структура этого синтетического фрагмента клеточной стенки (рис. 2б). Определенная структура является упорядоченной, с право-направленной спиральной кон-формацией углевода (рис. 3). Первые 2 аминокислоты пентапептида принимают ограниченное количество конформаций. Как считают авторы [11] эта структура гипотетическая, представлена для дальнейших исследований биосинтеза пептид о -гликана и его взаимодействий с липидными и протеиновыми ансамблями бактериальной клеточной стенки.
Согласно работе [12], слабым местом большинства предлагаемых моделей [6, 13] является требование высокой степени упорядоченности устройства гликановых цепей и поперечных связей, что противоречит экспериментальным данным. Так, показано [14—16], что основные структурные параметры пептидогликана подвергаются резким изменениям в процессе нормального роста, то есть он находится в состоянии непрерывного изменения. Это подразумевает наличие динамических, а не статических моделей. Любая надежная модель должна учитывать способность к изменениям формы и размеров, которые клетки могут приобретать в определенных условиях. Более того, существующие модели должны объяснить, например, способность клеток Escherichia coli и других подобных им микроорганизмов в нормальных условиях роста синтезировать при-
мерно в 2 раза толще по сравнению с Pseudomonas aeruginosa пептидогликан, который является необходимым для сохранения физической целостности и нормальной формы клеток [17, 18]. Если E. coli действительно характеризуется избытком пептидогликана по сравнению с другими видами, как например это показано для P. aeruginosa, тогда грамотрицательные бактерии должны считаться более структурно гетерогенной группой, чем исследователи предполагали ранее.
Таким образом, использование в последние годы современных аналитических методов позволило получить данные не только о химическом составе, биофизике пептидогликана, но также показать, что изменения в тонкой структуре пеп-тидогликана происходят как функция старения, состава среды, патогенеза. Эти исследования имеют значение для бактериальной физиологии, врожденного иммунитета, патогенности и антибактериальной терапии. Более того, такие исследования могут привести к открытию пептидогликанов, структуры которых отличаются от известных до настоящего времени структур. Так, в пептидогли-кане Thermotoga maritima был идентифицирован необычный ("перевернутый") остаток D-Лиз [19], который сосуществует с обычным L-Лиз, и, вероятно, находится в начале особого типа перекрестного связывания. Другим примером являются представители Chlamidiae, у которых до настоящего времени не обнаружен пептидогликан, содержащий мурамовую кислоту [20].
Липополисахариды. Липополисахариды (ЛПС) — основные компоненты внешней мембраны грамотрицательных бактерий — амфифильные молекулы, образованные уникальной структурой липида А и полисахаридным компонентом. На поверхности одной бактериальной клетки может присутствовать до 3.5 х 106 молекул ЛПС [21]. Вместе с тем известно [22, 23], что такие представители грамотрицательных бактерий как Fibrobacter suc-cinogenes и Sphingomonas не синтезируют ЛПС.
Молекула ЛПС состоит из трех структурных компонентов: О-специфического полисахарида, олигосахарида кора и липида А, каждый из которых вносит определенный вклад в общую биологическую активность молекулы ЛПС.
Ответственным за жизнеспособность бактерий, а также за биологическую активность молекулы ЛПС является липид А [24, 25]. Он стимулирует систему врожденного иммунитета путем узнавания специфическим рецептором, часто вызывая широкий спектр биологических эффектов, варьирующих от значительного повышения устойчивости к инфекциям до неконтролируемого и массивного иммунного ответа, приводящего к сепсису и септическому шоку. На биоактивность липида А, включая способность взаимодействовать с рецепторами иммунной системы и активировать их, в значительной степени влияет его первичная
структура. Впервые структура липида А E. coli была установлена в 1954 г. [26], детали которой были уточнены в 1983 г. [27]. Липид А у большинства исследованных до настоящего времени бактерий представляет собой ß-(1 ^ 6)-связанный дисаха-рид глюкозамина (GlcN), фосфорилированный в положении 1a-GlcN (GlcNI) и 4'ß-GlcN (GlcNII), а также ацилированный 3-гидроксилированными жирными кислотами в положениях 2 и 3 обоих остатков GlcN амидными и эфирными связями. Ацильные группы, которые непосредственно присоединяются к дисахариду глюко
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.