Характеристика полисахаридов

Полисахариды (или гликаиы) — полимеры, построенные не менее чем из 11 моиосахаридных единиц одного или нескольких типов. Со­ответственно различают гомополисахариды и гетерополисахариды. Они являются обязательными компонентами всех организмов и составля­ют большую часть углеводов, встречающихся в природе, преобладающую долю в биомассе растений, а следовательно, и основную массу органи­ческого вещества на Земле.

Полисахариды встречаются в виде самостоятельных полимеров, а также в комплексах с нуклеиновыми кислотами, белками, липидами, фосфатом. Существует множество их видов, различных по мономер-пому составу и структуре. Особым разнообразием отличаются поли­сахариды микроорганизмов. Некоторые из них близки или идентич­ны гликанам растений и животных. Но подавляющее их большинство имеет уникальную структуру, специфичную для вида или для его серологической группы. В микробных гликаиах часто обнаружива­ются ранее неизвестные моносахара, которые не встречаются ни у животных, ни у растений.

О том, что слизь, образуемая многими микроорганизмами, может иметь углеводную природу, знали еще во времена Пастера. Однако особое внимание микробным гликанам стали уделять лишь с начала 20-х гг. прошлого столетия, когда узнали, что вещества, определяю­щие серологическую специфичность пневмококков, являются полиса­харидами. В настоящее время исследование этих полимеров приоб­рело особое значение в связи с открывшейся возможностью широко­го их применения в медицине и ряде областей народного хозяйства.

Полисахариды микроорганизмов в зависимости от локализации делятся на внутриклеточные и внеклеточные. К первым относят обычно гликаиы цитоплазмы, мембран и клеточных стенок, а ко вторым — кап­сул, чехлов (пристеночные структуры) и свободной слизи, не приле­гающей к клеточной стенке. Иногда среди внеклеточных встречаются полисахариды, локализованные вне цитоплазматической мембраны. В этом случае в группу внеклеточных попадают и гликаиы клеточных

стенок. У ряда микроорганизмов действительно трудно различить границу между капсулой и клеточной стенкой. Поэтому нередко полисахариды делят на три разновидности: внутриклеточные (цито­плазмы, мембран, периплазмы), клеточных стенок и внеклеточные (кап­сул, чехлов и свободной слизи).

Термин «экзогликаиы» применяют в основном к полисахаридам свободной слизи. Иногда так называют также капсульпые их разно­видности.

Микробные полисахариды объединяют в группы и по функциям: резервные, участвующие в активном транспорте; опорные, участвую­щие во взаимодействии между клетками; защитные и др.

Внеклеточные полисахариды, капсульпые или свободные или те и другие, образуют многие микроорганизмы. Пожалуй, нет такой груп­пы последних, представители которой не обладали бы этой способно­стью. Однако синтез внеклеточных полисахаридов — необязатель­ная функция клетки, и проявляется она лишь в определенных усло­виях. Встречаются микроорганизмы, у которых не было замечено пи капсул, пи слизи.

Внеклеточные полисахариды микроорганизмов чрезвычайно раз­нообразны по составу и строению. К настоящему времени исследован состав около 200 экзогликанов, установлены первичная структура и детали строения многих из них. В составе внеклеточных полисахари­дов различных микроорганизмов обнаружено более 20 моносахари­дов и их производных. Наиболее часто встречаются гексозы: глюкоза, галактоза, манноза и 6-дезоксигексозы (например, рамноза). Реже вы­являются пентозы: арабипоза, ксилоза, рибоза. Распространены уро-иовые кислоты: галактуроиовая, мапиуроновая и особенно глюкуро-иовая. Многие содержат амииосахара: глюкозамип, галактозамин и машюзамии. Часто в экзогликаиах присутствуют неуглеводиые заме­стители — пиру ват и ацетат, встречаются также сукцинат и глицерин. Для ряда внеклеточных гликанов характерно наличие редких моно­меров: 2,6- или 3,6-дидезоксисахаров; у некоторых найдены ранее неизвестные моносахариды, например, гликолактиловые кислоты (у сапротрофиых микобактерий). Иногда обнаруживаются тейхоевые кислоты, фосфатные и сульфатные ионы.

Внеклеточные полисахариды большинства видов бактерий — кис­лые гетерогликаны разнообразного состава, построенные из 2 — 5, иногда 6 — 7 мономеров, линейные и разветвленные, имеющие регу­лярную структуру из повторяющихся олигосахаридиых звеньев. Так, например, Xanthomonas campestris синтезирует полиаииоиит ксаптап, включающий глюкозу, маннозу, глюкуроновую кислоту, О-ацетильную группу и пируват.

Некоторые бактерии образуют нейтральные гетерополисахариды.

Весьма распространены у микроорганизмов различные гомополи-сахариды, особенно глюкаиы, из которых наиболее известны декстра-иы (группа более или менее близких по строению нейтральных глю-

капов). Они могут содержать до 200 000 остатков глюкозы, бывают линейными и разветвленными. Линейная (основная) цепь построена при участии а-1,б-связей, ветвление обусловлено а-1,2-, а-1,3- и а-1,4-связями. Молекулярная масса декстраиов колеблется от 12 до 600 млн. Наиболее активные их продуценты — представители молоч-по-кислых бактерий Leuconostoc mesenteroides и L. dextranicum. Они синтезируются также некоторыми видами Streptococcus (Str. sanguis, Str. mutans), Brevibacterium, Lactobacillus. Практически каждый продуцент синтезирует свой, несколько отличный от других видов декстран. Некоторые штаммы образуют одновременно две его струк­турные разновидности.

Внеклеточную целлюлозу — полисахарид, распространенный в растениях, — из бактерий синтезируют некоторые представители Pseudomonas, Zooglea, Azotobacter, подавляющее число видов Rhizobium и Agrobacterium, Acetobacter xylinum. 0-(1-3)-Глюкап, на­зываемый курдланом, образуют Alcaligenes faecalis var. myxogenes и виды Rhizobium. Сильно разветвленный а-(1->4)-глюкан с боковыми цепочками, присоединенными а-(1->б)-связями, — полимер типа гли­когена, резервного полисахарида животных, многих бактерий и дрож­жей, — можно обнаружить в культуралыюй жидкости Neisseria perflava. Нигеран — а-глюкан с чередующимися (1-4)- и (1-3)-связя-ми — образует гриб Aspergillus niger.

Разветвленные полимеры фруктозы — леваны с (2-6)-связями — синтезируют уксусно-кислые бактерии Gluconobacter oxydans, Acetobacter aceti, некоторые виды Pseudomonas, Erwinia (подгруппы herbicola), Aeromonas, Bacillus. Фруктаиы типа инулина (резервный полисахарид растений семейства сложноцветных) с (2-1)-связями в основной цепи и ответвлениями в положении С₆ образуют штаммы Str. mutans.

Манианы обнаружены в культурах некоторых видов Bacillus и Corynebacterium, а также у многих дрожжей.

Чаще всего микроорганизмы, способные к образованию вне­клеточных полисахаридов, синтезируют капсулы и свободную слизь. Мономериый состав последних в большинстве случаев одинаковый.

Не всегда можно определить, какие именно полисахариды свой­ственны той или иной группе микроорганизмов. Часто филогенети­чески близкие бактерии синтезируют внеклеточные гликаны, сходные по составу и строению. К ним относятся, например, бактериальный альгинат Pseudomonas aeruginosa и Azotobacier vinelandii, курдлап Rhizobium и A. faecalis var. myxogenes, кислые гетерогликаны Coryne­bacterium и Arthrobater, декстраны Streptococcus и Lactobacillus и др. Однако нередко микроорганизмы, далеко отстоящие в таксономиче­ском отношении, образуют гликаны сходного состава или одинако­вые. Обычно в этом случае полимеры проявляют и функциональное сходство. Так, очень близки по составу экзогликаны различных фито-патогенных бактерий и возбудителей менингита. У ряда бактерий це-

ментирующим материалом при образовании клеточных агрегатов слу­жит внеклеточная целлюлоза.

Известно, что не только разные виды одного рода микроорганизмов, но часто и разные штаммы одного вида синтезируют неодинаковые экзополисахариды. Так, Е. coli имеет около 70 серотипов, различных по составу и структуре капсульиых полисахаридов и, следовательно, по иммуиохимическим свойствам. Экзогликаны эффективных и неэф­фективных штаммов клубеньковых бактерий различаются по моио-мериому составу, а разных штаммов дрожжей рода Lipomyces — по соотношению моносахаров. Неодинаковыми по моиосахаридиому со­ставу могут быть внеклеточные гликаиы М-, S- и #-форм бактерий.

Отмечены случаи, когда в культуралыюй жидкости одного микро­организма накапливается несколько различных гликаиов. Например, L. mesenteroides образует декстраи и леван, у Serratia marcescens об­наружено три экзополисахарида: кислый глюкорамиан, содержащий глюкуроиовую кислоту, рамиоглюкаи и гептоглюкаи. Гриб Aureobasi-dium (Pullularia) pullulans образует два гомоглюкаиа: аубазидаи — разветвленный полимер с а-(1-4)-, (3-(1-3)- и Р-(1-б)-связями, причем в боковой цепи может быть от одного до четырех остатков глюкозы на одно звено триозы, и пуллулан — линейный глюкаи, состоящий из мальтотриозных и мальтотетраозиых фрагментов, соединенных а-(1-б)-связями.

Внеклеточные полисахариды не являются жизненно необходимыми для микроорганизмов. В природе есть виды, никогда их не образую­щие. Экспериментально показано, что клетки, лишенные капсул, столь же жизнеспособны, как и капсулировапиые. Тем не менее внеклеточ­ные полисахариды выполняют определенные функции, способствую­щие поддержанию условий, благоприятных для жизнедеятельности продуцента. Одни из них универсальны для всех полисахаридов, по­скольку определяются общими для этих веществ свойствами, другие специфичны для определенного гликана, что обусловлено особенностя­ми состава и строения данного полимера.

Внеклеточные полисахариды предохраняют клетки от высушивания, от губительного действия ультрафиолетовых лучей и различных хи­мических агентов, в том числе тяжелых металлов и лекарственных препаратов. Замечено, что капсулированпые бактерии устойчивее к химиотерапевтическим средствам, чем бескапсульиые варианты. Рас­полагаясь поверхностно, капсулы защищают клетки от бактериофагов и поглощения их простейшими, предупреждают денатурацию клеточ­ного белка.

Многие внеклеточные гликаны биологически активны и определяют иммунологические свойства и вирулентность штаммов. Как правило, чем толще капсула, тем выше вирулентность и патогенпость бактерий. Некоторые патогенные бактерии, лишенные капсул, становятся авиру-лентными. R-антигены являются агрессинами, подавляющими фаго­цитоз бактерий и создающими таким образом условия для их размно­жения.

Одно из характерных проявлений биологической активности по­лисахаридов — способность модифицировать ферменты различных организмов. В результате стимулируется или снижается активность последних. Экзополисахариды фитопатогепиых бактерий являются фитотоксииами, участвующими в специфическом взаимодействии бак­терий с растительной тканью. К ним относится, например, ксантан.

В некоторых случаях внеклеточные гликаиы служат резервным источником углерода и энергии, а азотсодержащие полисахариды — источником азота для продуцента. Полиаиионные полисахариды кон­центрируют катионы из окружающей среды и способствуют их транс­портировке в клетку. Полисахаридио-липидиые комплексы микроор­ганизмов, растущих на средах с w-алканами (псевдомопад, иокардий, корииебактерий, дрожжей), — хорошие эмульгаторы. Они снижают поверхностное натяжение, увеличивают площадь соприкосновения угле­водорода и воды, образуют мицеллы и тем самым способствуют про­никновению углеводородов в клетку.

Нейтральные внеклеточные полисахариды поддерживают целост­ность нитчатых форм и различных скоплений клеток. Гликаиы, несу­щие определенный заряд, напротив, способствуют диспергированию клеток. Экзогликаны некоторых бактерий ответственны за прикреп­ление клеток к поверхности. Так, Str. mutans, вызывающий кариес зубов, прикрепляется к зубной эмали с помощью декстрана.

Биосинтез полисахаридов

Биосинтез гликанов сводится к созданию гликозидной связи меж­ду моиосахарами. В общем виде это можно представить так: глико-зильный донор передает гликозил на акцептор-затравку, а сам высво­бождается. Полимеризация идет вплоть до образования готового по­лисахарида. Процесс катализируется специфическими гликозилтранс-феразами, а ветвление полимеров — другими, «ветвящимися», фер­ментами, отщепляющими фрагменты линейной цепи недостроенного полисахарида и переносящими их на ту же или аналогичную цепь в определенное положение (рис. 8).

ОН

а

ОН

сн₂он

он

 

 

 

			он
Фермент			-л
	.у
	О
п			ОН

сн₂он

п

ROH

Рис. 8. Схема образования гликозидной связи: а — донор, б — акцептор

Биосинтез гетерополисахаридов проходит в двух вариантах: либо регулируемое чередование различных мономерных единиц, либо пред-

варительный синтез ди- и олигосахаридов, которые остаются присое­диненными к донору, а затем полимеризуются.

Акцепторами при биосинтезе полисахаридов выступают олигоса-хара и недостроенные гликаиы, причем первые из них оказываются, как правило, первичными. Это наблюдается, например, в случае син­теза декстрапов и леванов (сахароза), целлюлозы (целлодекстрииы), хитина (хитодекстрины). Иногда первичным акцептором может быть недостроенный полисахарид, или затравка.

Доноры моиосахаридиого остатка имеют различную природу. Редко ими выступают олигосахара. Так, при биосинтезе декстранов и лева-пов донором может быть сахароза. Но в большинстве случаев сахара-доиоры должны находиться в активированной форме. Такое состоя­ние моиомерпых единиц достигается при помощи иуклеозидтрифос-фатов с образованием нуклеозиддифосфатсахаров (НДФС), которые признаны наиболее распространенными и универсальными донорами гликозильпых остатков. Так, в биосинтезе целлюлозы Acetobacter xylinum участвует уридиидифосфатглюкоза, хитина Neurospora cras-sa — уридипдифосфат-М-ацетилглюкозамин, маииаиа дрожжей — гуаиозиидифосфатманноза. Очевидно, что в биосинтезе гетерополиса-харидов принимает участие несколько доноров соответствующих гли­козильпых остатков. Взаимопревращения моносахаридов происходят на уровне НДФС. Они осуществляются специальными ферментами. В случае их нехватки одно из звеньев биосинтеза полисахарида блокируется; образуется дефектный полимер, или он не образуется вовсе. НДФС могут передавать не только моносахаридные, но, по-видимому, и олигосахаридные остатки.

Обязательными компонентами цепи биосинтеза полисахаридов у многих микроорганизмов являются наряду с НДФС и другие активи­рованные сахарные интермедиаты — гликозилнесущие липиды. По строению это полиизопренолфосфатсахара. У большинства прокари­от преобладают полипренольные носители с И изопрепоидными остатками — ундекапренолы (С₅5)- У микобактерий имеются пере­носчики с 10 остатками (С™)- Полипренолы эукариот более высоко­молекулярны. Например, Sacch. cerevisiae содержит 16 — 18, a Asp. niger — 19 — 21 изопреноидных остатков. В микроорганизмах име­ются полипреполмонофосфатсахара и полипренолпирофосфатсаха-ра, причем последних больше.

Количество гликозилиесущих липидов составляет всего десятые доли процента от массы клетки. Однако роль их важна и многообраз­на. Они могут быть промежуточными переносчиками моно- или оли-госахаридпых остатков, принимая их от НДФС и передавая акцепто­ру — строящемуся полисахариду. Полипренолмонофосфатсахара присоединяют и переносят, как правило, только моносахаридный оста­ток, а полипреиолпирофосфатсахара — ди-, три- и тетрасахаридные звенья. В некоторых случаях перенос моно- и олигосахаридных остатков к акцептору происходит с изменением конфигурации глико-

зидной связи. На полипренолпирофосфатах может начинаться пер­вичная сборка полисахаридной цепи. Первая стадия этого синтеза — построение олигосахарида с участием НДФС, затем происходит поли­меризация компонентов первого, из которых начальный сохраняет связь с липидом, а остальные передаются акцептору. Гликозилиесущие ли-пиды участвуют и в транспорте Сахаров на внешнюю сторону мембра­ны и в клеточную стенку. НДФС не способны проходить через мем­браны.

Считают, что биосинтез полисахаридов во многих случаях может осуществляться только за счет НДФС, но в реакциях, идущих на по­верхности раздела между водной и липидиой фазой мембраны, необ­ходимо участие гликозилнесущих липидов.

Предполагается, что остатки органических кислот включаются в молекулу полисахарида в соответствующей кофермептиой форме. Однако есть мнение, что в гликан может встраиваться только пиру-ват, который уже в молекуле полимера модифицируется в остаток определенной кислоты.

Вопрос о месте биосинтеза ряда полисахаридов, особенно внекле­точных, да конца не решен. Этот процесс у многих гликанов связан с определенными структурами клетки, так как соответствующие фер­менты, НДФС и гликозилнесущие липиды локализованы в области цитоплазматической мембраны. Обнаруживаются они и во фракциях клеточных стенок. Однако существуют и внеклеточные ферментные полисахаридсинтезирующие системы. Это декстран- и левансахаразы большинства микроорганизмов, образующих соответствующие поли­сахариды. Хотя указанные ферменты не всегда целиком выделяются из клетки (у Gluconobacter oxydans в культуралыюй жидкости обна­руживается около 80 % левапсахаразы), сборка декстранов и леванов в значительной степени идет вне клетки. Но синтез большинства из­вестных экзополисахаридов имеет внутриклеточную локализацию. Для экзогетерогликанов внеклеточный синтез вообще неизвестен. О том, в каком участке клетки происходит сборка полимера и как он выводит­ся наружу, имеется несколько предположений. Согласно одному из них полимеризация гликана может завершаться на внешней стороне цитоплазматической мембраны, а выделение его вовне, вероятно, про­исходит через поры клеточных стенок. По другой гипотезе полисаха­рид образуется внутри находящихся в цитоплазме мембранных пу­зырьков, а затем с их помощью выносится из клетки обратным пино-цитозом. Если соответствующие ферменты локализованы на перифе­рии клетки, то внеклеточные полисахариды иногда рассматриваются как результат сверхсинтеза гликанов клеточной стенки. Очевидно, что в этом случае полисахариды клеточной стенки и внеклеточные должны быть идентичны. Однако наблюдается это редко.

Полисахариды капсул и свободной слизи, одинаковые по составу и структуре, имеют, по-видимому, общее происхождение. Полагают, что при этом слизь образуется в результате отторжения капсульного материала.

in

Модель синтеза экзополисахаридов у бактерий, основанная на изу­чении этого процесса у Clebsiella aerogenes и родственных видов, пред­ставлена на рис. 9.

Локализа­ция

Функция

Реакция

 

Внутри-клсточно и на мемб­ране

Образова­ние

предшест­венников

Глю------ ►Глю-б-Ф------ ►ГлкИ-Ф------- ►УДФ-Глю------- »УДФ

Гексокиназа Фогфоглюко- УДФ-глюко- I I Эпимераза I

мутаза пирофосфо- | | |

рилаза

I

I I I

группа ферментов - -

— — -I 1—П группа— -I ферментов

 

 

УДФ — Глю 2УДФ — Гал УДФ - Глюкуроновая кислота

Мембрана

Сборка повторя­ющихся

единиц

УМФ-у ГНЛ-Ф-

I

УДФ УДФ

Трансмутазы

удфн

Ф—Глю—Гал—Гал—Глюку роноваякислотаi

^{1------------------------------} III группа ферментов------------------------ '

Мембрана

Мембрана и клеточ­ная стенка

Полиме­ризация

Перенос

на акцептор

ГНЛ — Ф — Ф — Глю — Гал — Гал — Глюкуроновая кислота+ +ГНЛ — ф — ф — Глю — Гал — Гал — Глюкуроновая кислота

I ГН Л¹- Ф - Ф - Глю - Гал - Гал - Глю - Гал - Гал+ГНЛ - Ф¹- Ф

¹ II¹

I Глюкуроновая Глюкуроновая '

¹ кислота кислота '

L--------------- IV группа ферментов, полимеразы- - - -¹

Акцептор - [ - Глю - Гал - Гал - ] + ГЛ Н - Ф - Ф

Глюкуроновая кислота

Примечание. Глю — глюкоза, Гал — галактоза, Глю-6-Ф — глююмо-6-фосфат, УМФ — уридинмонофосфат, УДФ — уридиндифосфат, ГНЛ — гликшилнесущий

липид

Рис. 9. Модель синтеза экзополисахаридов у бактерий

Влияние аэрации и температуры на биосинтез полисахаридов очень многообразно. Их режимы, благоприятные для образования того или иного гликана, могут сильно различаться.

Большинство микроорганизмов, образующих экзогликаны, — аэробы или факультативные анаэробы, поэтому в условиях хорошей аэрации выход экзогликанов в их культурах выше. Однако избыточное аэри­рование может угнетать их биосинтез вследствие быстрого окисления углеродного субстрата.

В отношении действия температуры также наблюдается опре­деленная закономерность. Максимальное образование гликанов часто

происходит при температуре ниже оптимальной для роста микроор­ганизмов. Так, количество декстрана в культуре L. mesenteroides уве­личивается с уменьшением температуры с 30 до 10 °С. Но в некото­рых случаях температурные оптимумы роста бактерий и образования ими экзогликанов совпадают.

Изменение темлературы культивирования микроорганизмов иног­да приводит к синтезу полисахаридов с измененными свойствами. Например, известен штамм стрептококков, синтезирующий при 22 °С внеклеточный полисахарид, отличающийся более высоким содержа­нием глюкозамина и иными иммунохимическими свойствами, чем гли-кан, образуемый при 37 °С.