БИОЛОГИЧЕСКИЕ МЕМБРАНЫ, 2008, том 25, № 5, с. 323-342
== ОБЗОРЫ =
УДК 577.114.7
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ЛИПОПОЛИСАХАРИДОВ С РАСТВОРИМЫМИ БЕЛКАМИ МАКРООРГАНИЗМА
И ПОЛИКАТИОНАМИ
© 2008 г. И. М. Ермак, В. Н. Давыдова
Тихоокеанский институт биоорганической химии ДВО РАН, 690022, Владивосток, пр-т 100-летия Владивостока, 159; факс: 7(4232)314050; электронная почта: iren@piboc.dvo.ru Поступила в редакцию 29.04.2008 г.
Липополисахариды (ЛПС) - уникальные компоненты клеточных стенок грамотрицательных бактерий - представляют собой амфифильные биополимеры, сочетающие в пределах одной молекулы гидрофильные (О-специфические цепи, олигосахарид кора) и гидрофобный (липид А) фрагменты. ЛПС играют важную роль во взаимодействии микро- и макроорганизмов, они обладают широким спектром физиологических активностей, среди которых наиболее значимыми являются токсичность и способность активировать клетки иммунной системы.
В основе многих биологических свойств ЛПС лежит способность взаимодействовать с высокой специфичностью с белками млекопитающих, такими как липопротеины, белки, увеличивающие бактерицидную проницаемость, и лизоцим. В результате этого взаимодействия происходит нейтрализация токсических свойств эндотоксина. ЛПС также служит мишенью для антибактериальных веществ по-ликатионной природы, используемых в терапии бактериальных инфекций. Изучение тонких молекулярных механизмов токсического эффекта ЛПС стимулировало появление новых подходов к его нейтрализации. Один из них заключается в использовании веществ, снижающих токсическое действие ЛПС на макроорганизм в результате образования с ним макромолекулярных комплексов. Это достаточно специфический прием, так как он не нарушает механизмы защиты хозяина от патогена. В связи с этим в последние годы активно исследуется взаимодействие ЛПС с несколькими классами катион-ных амфифильных молекул, включая белки, пептиды, синтетические полипептиды и полиамины, важной мишенью которых, благодаря отрицательному заряду, локализованному во внутренней части кора и в липиде А - токсическом центре ЛПС, является ЛПС. В обзоре рассмотрены механизмы взаимодействия ЛПС с растворимыми белками и поликатионами и модификация физиологической активности ЛПС в результате такого взаимодействия.
В процессе жизнедеятельности бактериальные клетки активно взаимодействуют с окружающей средой, а патогенные бактерии - с организмом хозяина. В последнем случае это взаимодействие осуществляется со стороны макроорганизма на уровне клеток и гуморальных факторов - компонентов иммунной системы, а со стороны бактерий - на уровне макромолекул и их комплексов, расположенных на поверхности бактериальных клеток. Липополисахариды (ЛПС), специфические компоненты наружной мембраны грамотрицательных бактерий, занимают около 45% ее поверхности и являются амфифильными соединениями (рис. 1), содержащими гидрофобный липидный компонент (так называемый липид А) и ковалентно связанную с ним гидрофильную полисахаридную часть [1]. ЛПС играют важную роль во взаимодействии микро- и макроорганизма и являются мощными токсинами, которые получили название эндотоксинов. Известно, что ЛПС действуют практически на все системы организма высших животных и индуцируют целый каскад патофизиологических реакций с вовлечением в патологические процессы
различных биологических медиаторов и систем организма [2]. На протяжении двух десятков лет многие исследовательские группы пытаются охарактеризовать природу биологически активного центра ЛПС с целью фармакологического и иммунологического контроля за эндотоксическим эффектом, наблюдаемым в течение возникающего инфекционного процесса. Результатом этих исследований стал важный вывод о том, что биологические свойства ЛПС непосредственно связаны с конформацией его определенных функциональных групп и со структурой полидисперсных агрегатов, которые ЛПС, подобно другим амфифиль-ным соединениям, образуют в водных растворах [1, 3-5]. При этом отдельные структурные компоненты молекулы ЛПС (липид А, О - специфические углеводные цепи) проявляют различную физиологическую активность [1, 3, 6].
Только за последние годы были достигнуты определенные успехи в изучении молекулярных и клеточных основ биологического действия ЛПС. Это стало возможным после установления важной
Повторяющееся звено
Внешний Внутренний кор кор
О-специфическая цепь
Коровая область
J
Липид А
J
Полисахаридная область Липидная область
Рис. 1. Схематическое изображение структуры липополисахарида [1].
роли ЛПС-связывающих белков плазмы, идентификации ряда специфических рецепторов, экс-прессируемых на поверхности моноцитов и макрофагов, а также после изучения действия биоактивных медиаторов, синтез которых индуцируется ЛПС.
При размножении или гибели грамотрицатель-ных бактерий эндотоксин выделяется в виде свободного ЛПС или комплекса с мембранным белком [5]. Циркулирующий в организме млекопитающих ЛПС взаимодействует с различными компонентами иммунной системы хозяина. Среди посредников такого взаимодействия особая роль принадлежит ЛПС-связывающему белку (ЛСБ) и липопротеи-нам высокой и низкой плотности [1, 8, 9]. К другой важной и большой серии растворимых белков, которые взаимодействуют с ЛПС, относятся так называемые "белки, увеличивающие бактерицидную проницаемость", альбумин, трансферрин, лакто-феррин, гемоглобин, лизоцим [1, 9, 10].
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЛПС С ЛИПОПРОТЕИНАМИ, ЛПС-СВЯЗЫВАЮЩИМИ БЕЛКАМИ И БЕЛКАМИ, УВЕЛИЧИВАЮЩИМИ БАКТЕРИЦИДНУЮ ПРОНИЦАЕМОСТЬ
ЛПС как патогенных, так и непатогенных гра-мотрицательных бактерий циркулируют в кровотоке различных млекопитающих и человека большей частью не в свободном состоянии, а в виде комплекса с сывороточными липопротеинами, ослабляющими их токсический эффект [1, 11, 12]. Более 20 лет назад было установлено, что все основные липопротеины низкой плотности (ЛПНП) и высокой плотности (ЛПВП) связывают ЛПС в крови пропорционально уровню холестерина в плазме. Образующиеся при этом комплексы ЛПС-липо-протеины стабильны и могут быть выделены из плазмы и получены in vitro [13, 14]. Результаты экспериментов, проведенных в последние годы на грызунах, показали, что липопротеины всех классов связываются с ЛПС и ослабляют биологиче-
ский ответ животных на эндотоксин. Более того, липопротеины с высоким содержанием триглице-ридов защищают грызунов от бактериального сепсиса и смерти, вызванной ЛПС [15].
Различные субфракции ЛПВП способны в одинаковой степени нейтрализовать токсичность ЛПС, в то время как фракции ЛПНП проявляют этот эффект по-разному [16]. Предполагается, что ЛПС, ассоциированные с ЛПнП, могут инициировать (согласно гипотезе "ответ на повреждение") атеросклеротический процесс, поскольку ЛПНП в отличие от ЛПВП способны удерживаться клетками стенки артерий [11, 16, 17].
ЛПВП ингибируют воспалительные эффекты ЛПС на эпителиальных клетках in vivo [18] и подавляют рост бактерий in vitro [19]. Кроме того, показано, что ЛПВП предотвращают повреждения тканей организма, вызванные эндотоксином [20]. Протективный эффект ЛПВП осуществляется главным образом через связывание и последующую нейтрализацию ЛПС [21].
В результате связывания ЛПС с ЛПВП существенно уменьшается цитокин-индуцирующая активность ЛПС, в частности способность индуцировать синтез фактора некроза опухолей (ФНО) и интерлейкинов (ИЛ)-1, -6 [11, 12, 17]. Эффективность ингибирующего действия липопротеинов на синтез цитокинов, вызванный ЛПС, зависит от структуры ЛПС, его концентрации, а также времени связывания с липопротеином [22].
Безусловно, биологические свойства комплексов ЛПС-липопротеины самым тесным образом должны быть связаны с их структурой и составом, сведения о которых, к сожалению, немногочисленны. Первый полный анализ проведен для комплекса ЛПС-ЛПВП, выделенного из плазмы кролика [14]. По результатам этого анализа связывание ЛПС с лПвП протекает в два этапа: на 1-м этапе происходит дезагрегация ЛПС под действием плазменных факторов, а на 2-м - дезагрегированный ЛПС взаимодействует с ЛПВП и образует комплекс ЛПС-ЛПВП. Более детально изучен по-
лученный in vitro комплекс ЛПС из Salmonella typh-imurium и ЛПНП плазмы человека [13]. Этот комплекс содержит 0.24 мг ЛПС на 1 мг белка ЛПНП. Методами аналитического центрифугирования установлено, что комплекс ЛПС-ЛПНП имеет более высокую плотность по сравнению с исходным ЛПНП. По данным ЭПР и ЯМР, комплексы ЛПС-ЛПНП характеризуются более высокой упорядоченностью не только углеводородных цепей, но и полярных сегментов молекул фосфолипидов [13].
Использование широкого набора современных биофизических методов и биологических тестов позволило группе Бранденбурга получить более полную информацию о механизме взаимодействия ЛПС с ЛПВП [12]. Прежде всего, было показано, что на первом этапе взаимодействия основными функциональными группами ЛПС, участвующими в связывании, являются фосфатные группы и ди-глюкозамин липидного компонента. Наряду с этим во взаимодействии принимает участие и углеводная часть ЛПС. Этот процесс сопровождается изменением макромолекулярной организации как липопротеинов, так и ЛПС. Во вторичной структуре ЛПВП наблюдается переход из смешанной а-спиральной^-складчатой структуры в преимущественно а-спиральную. Предполагается, что в этом случае уменьшение способности ЛПС индуцировать синтез цитокинов мононуклеарными клетками человека обусловлено изменением агрегатного со-стояниия липидного компонента и, как следствие, превращением инвертированной кубической структуры липида А в цилиндрическую, не способную индуцировать синтез цитокинов [12].
Для проявления токсичности ЛПС в организме наиболее важны ЛПС-связывающие белки (ЛСБ) сыворотки, которые значительно усиливают активность ЛПС и липида А в пикограммовых количествах [1]. ЛСБ синтезируются в гепатоцитах и представляют собой гликозилированные белки с молекулярной массой около 58 кДа. Концентрация лСб в сыворотке здорового организма составляет 14-22 мкг/мл и достигает 200 мкг/мл в период обострения заболевания [23]. Домен, ответственный за связывание с ЛПС, локализован в N-конце-вой области, характеризуемой ги
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.