== ОБЗОР
УДК 577.114:579.22
ТРЕГАЛОЗА: ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО СТРОЕНИЯ, БИОЛОГИЧЕСКИЕ ФУНКЦИИ И ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗНАЧЕНИЕ © 2014 г. Е. П. Феофилова*, А. И. Усов**, И. С. Мысякина*, Г. А. Кочкина***
*Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского Российской академии наук, Москва **Институт органической химии им. Н.Д. Зелинского Российской академии наук, Москва ***Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Г.К. Скрябина Российской академии наук,
Пущино, Московская обл. Поступила в редакцию 23.04.2013 г.
Обзор посвящен современным представлениям о химическом строении и свойствах трегалозы, распространении и биологических функциях у растений, грибов и прокариот, ее практическом использовании, главным образом, в медицине и биотехнологии. Отдельный раздел посвящен значению трегалозы и других протекторных полиолов при стрессе у грибов.
Ключевые слова: трегалоза, протекторные углеводы, микроорганизмы, мицелиальные грибы, бактерии.
DOI: 10.7868/S0026365614020074
ВВЕДЕНИЕ
Трегалоза была обнаружена в мицелии гриба р. Claviceps (спорыньи), паразитирующего на ржи, еще в 1832 г. [1]. Французский химик Марсе-лен Бертло (Marcellin Berthelot) впервые получил этот дисахарид в достаточном количестве в виде сладкого вещества из гнезд и коконов насекомого Larinus maculatus и L. nidificans. Отсюда, вероятно, и произошло название "трегалоза" — коконы жука называли "Trehala manna" [2, 3], хотя существует еще одно название этого дисахарида — микоза [4]. Оказалось, что трегалоза широко распространена в природе и встречается в самых разнообразных организмах, от бактерий до беспозвоночных. Наибольшее количество трегалозы сосредоточено в спорах мицелиальных грибов и в дрожжах — от 16 до 30% [5, 6]. Наличие этого сахара у млекопитающих долгое время вызывало сомнения, хотя у некоторых людей еще в 1965 г. была обнаружена активная трегалаза — фермент, разлагающий в кишечнике трегалозу на две молекулы глюкозы [7] и являющийся маркером повреждения почечных канальцев [8]. Был обнаружен также специальный ген, участвующий в синтезе трегалозы, который идентифицирован у многих организмов, имеющих очень низкий, трудно идентифицируемый уровень трегалозы. Эти данные позволяют предположить, что трегалоза является универсальным соединением, свойственным всему живому.
1 Автор для корреспонденции (e-mail: feofilov@inmi.host.ru, biolog100@bk.ru).
К середине прошлого столетия был выполнен химический синтез трегалозы и накоплены обширные сведения о метаболизме и природных источниках дисахарида [9, 10]. Длительное время трегалозу рассматривали как своеобразный энергетический резерв, пока не появились сведения о сигнальных функциях и защитной роли дисаха-рида в отношении белков и мембран при стрессовых ситуациях, таких как дегидратация и тепловой шок. Эти данные привели к появлению множества работ, посвященных изучению специфических физико-химических свойств трегалозы и ее роли в живых системах. Количество работ, посвященных трегалозе, измеряется тысячами (например, к началу 2000 г. выполнено более 4600 исследований, где упоминается этот дисахарид [3]), а наиболее важные результаты отражены в ряде обзоров [2, 11—13 и другие]. Но только относительно недавно было осмыслено основное значение трегалозы: молекула этого сахара поддерживает и сохраняет (консервирует) в состоянии покоя жизнь при неблагоприятных условиях существования (что, вероятно, можно отнести к любому живому существу). Возможно, эту мысль можно выразить в более определенной форме — трегалозе мы обязаны тем, что, несмотря на все "усилия" цивилизации, природа еще сохраняется на нашей планете. Обоснование этой идеи на примере ряда царств живой природы стало основной целью при написании настоящего обзора, в котором также показано, как теоретические положения, касающиеся протекторной роли трегалозы, способствуют развитию исследований, направленных на практическое
271
2*
СН2ОН
но^о
НО I
но^т^о
СН2ОН
Рис. 1. Строение молекулы трегалозы.
применение трегалозы, в частности, в медицине. На примере царства Муео1а впервые представлены данные о взаимодействии трегалозы с другими протекторыми соединениями (полиолами).
ХИМИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И СВОЙСТВА ТРЕГАЛОЗЫ И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫХ
Молекула трегалозы построена из двух молекул D-глюкозы (рис. 1). Подобно сахарозе, еще более распространенному дисахариду, трегалоза не обладает восстанавливающими свойствами, поскольку у нее блокированы гликозидные группы обоих остатков глюкозы. Исходя из того, что моносахариды могут иметь а- или Р-конфигурацию и находиться в пиранозной или фуранозной форме, теоретически возможны десять дисахаридов, содержащих связи 1 о- 1 между остатками D-глюко-зы. Природный дисахарид построен из двух одинаковых остатков а^-глюкопиранозы, его полное название — а^-глюкопиранозил-а^-глюкопи-ранозид — для краткости обычно заменяют термином а,а-трегалоза, или просто трегалоза. Изомерные а,Р-трегалоза и Р,Р-трегалоза, отличающиеся только конфигурациями гликозидных центров, получены синтетически, а соответствующие дисаха-риды, содержащие фуранозные формы глюкозы, по-видимому, не известны. Установление строения трегалозы классическими методами химии углеводов подробно описано в обзоре Берча [9].
Благодаря хорошей растворимости в водно-этанольных смесях трегалозу можно легко извлечь из биологического материала экстракцией 70-80%-ным этанолом при нагревании. Дисаха-рид кристаллизуется из водного этанола в виде дигидрата, т. пл. 96—97°С, [а]0 +177—182, и может быть идентифицирован в виде октаацетата, т. пл. 97—98°С, [а]0 +163. Для количественного микроопределения трегалозы применяют высокоэффективную жидкостную хроматографию с внутренним стандартом [14] или действие высокоспецифичного фермента трегалазы в комбинации с оксидазой D-глюкозы [15]. Трегалоза имеет характеристические спектры 1Н- и 13С-ЯМР, которые также можно эффективно использовать для ее обнаружения и количественного определения в биологических объектах [16, 17]. Другие фи-
зико-химические свойства трегалозы подробно описаны в обзоре Отаке и Ванга [18]. Для препаративного получения сравнительно небольших количеств трегалозы предложена экстракция из биомассы пекарских дрожжей [19].
Кроме свободной трегалозы, в природе встречается несколько типов ее производных, среди которых можно назвать трегалозо-6-фосфат, промежуточный продукт ее биосинтеза из уридинди-фосфатглюкозы и глюкозо-6-фосфата [8, 10]. Известны также продукты гликозилирования молекулы трегалозы, напоминающие аналогичные производные сахарозы (раффинозу, стахиозу и др.). Так, из микобактерий были выделены тет-расахариды а^1е-(1 ^ 4)-а^1е-(1 о 1)-а^1е-(6 ^ 1)-а^а1, а^а1-(1 ^ 6)-а^а1-(1 ^ 6)-а-G1е-(1 о 1)-а^1е и p-G1е-(1 ^ 6)-p-G1е-(1 ^ ^ 6)-а-G1е-(1 о 1)-а-G1е и трисахариды а^1е-(1 ^ 4)-а^1е-(1 о 1)-a-G1е и p-G1е-(1 ^ 6)-а-G1е-(1 о 1)-a-G1е [20]. Присутствие некоторых из этих олигосахаридов было отмечено также в других бактериях, насекомых и грибах.
Необычными производными трегалозы являются гликолипиды, в которых остаток трегалозы составляет полярную часть молекулы [21]. Такие гликолипиды были обнаружены впервые в туберкулезных бактериях в качестве материала (они получили название "корд-фактора"), который является фактором патогенности. В 1956 г. было установлено, что корд-фактор представляет собой 6,6'-димиколат трегалозы. Строение миколо-вых кислот было затем предметом многочисленных исследований. Стало известно, что это кислоты С60—С90 с разветвленной углеродной цепью и, по крайней мере, двумя хиральными центрами в а- и Р-положении к карбоксилу, имеющими R-конфи-гурацию [22]. В молекулах миколовых кислот различают а-ветви и меромиколатные ветви (рис. 2). В гликолипидах, выделяемых из разных видов или штаммов микобактерий, а-ветви миколовых кислот различаются только длиной, тогда как меро-миколатные участки более вариабельны и могут различаться функциональным составом. Чаще всего эти участки содержат цис-циклопропано-вые звенья, но встречаются и оксигенированные миколаты, содержащие метокси-, кето- и эпокси-группы [21] (рис. 2).
Сходные с корд-фактором 6,6'-диацилпроиз-водные трегалозы были выделены из коринебак-терий [23]. Входящие в их состав кориномиколо-вые кислоты имеют несколько более простое строение по сравнению с миколовыми кислотами, хотя также содержат два хиральных центра, имеющих R-конфигурацию (рис. 3) [22]. Чаще всего в этих гликолипидах находят С32-кориноми-коловую кислоту, хотя встречаются также кислоты с более короткими цепями (С24—С30) и их дегидро-производные. Еще более простые кислоты обнару-
% O
меромиколатная ветвь ✓ ' альфа-ветвь OH
с^У
OH
O-V
OH
о /
OH
О V
Рис. 2. Остатки миколовых кислот в составе корд-фактора (х, у, I — общая длина цепи С60—С90, п = 13—19) [21].
Рис. 3. Строение 6,6'-дикориномиколата трегалозы (вверху) и диацилированных производных 2-сульфата трегалозы (внизу) (m = 1 или 3, n = 2—9) [21].
жены в составе марадолипидов у спящих личинок нематоды Caenorhabditis elegans. Это первые представители 6,6'-диацилпроизводных трегалозы, выделенные из животного организма [24].
Вирулентные микобактерии содержат также сульфогликолипиды, основой молекул которых служит 2-сульфат трегалозы. Прочие гидроксилы трегалозного остатка могут быть ацилированы пальмитиновой, стеариновой или более сложными кислотами, такими как фтиоцерановая или гидроксифтиоцерановая [21].
БИОСИНТЕЗ ТРЕГАЛОЗЫ
Биосинтез трегалозы в природе происходит несколькими способами [25]. В клетках дрожжей, базидиомицетов, насекомых и ряда других организмов дисахарид образуется либо из а^-глю-козилфосфата и D-глюкозы под действием фос-форилазы трегалозы [26], либо из УДФ-глюкозы и глюкозо-6-фосфата с последующим дефосфо-рилированием [27]. В некоторых бактериях обнаружен фермент, катализирующий внутримолекулярную перегруппировку мальтозы в трегалозу [28]. Другие бактерии способны использовать в качестве исходного материала для образования трегалозы крахмал или мальтодекстрины. В этом случае вначале синтаза мальтоолигозилтрегалозы (MTSase) катализирует образование остатка тре-галозы на восстанавливающем конце м
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.