МУКОПОЛИСАХАРИДЫ
Мукополисахариды — сложные соединения, молекулы которых состоят из белкового компонента и ковалентно присоединенных к нему углеводных цепей, содержащих большое число повторяющихся дисахаридных звеньев из гексуроновых кислот и аминосахаров; входят в состав межклеточного вещества большинства видов соединительной ткани позвоночных, содержатся в коже, костях, синовиальной жидкости, хрящах, суставах, капсулах, стекловидном теле и роговице глаза, соединительнотканных волокнах сосудов и сердца. Вместе с волокнами коллагена (см.) и эластина (см.) Мукополисахариды образуют матрикс, или «основное вещество», в к-ром находятся фибробласты, являющиеся основными клетками соединительной ткани, синтезирующими Мукополисахариды. Биологическая роль Мукополисахаридов не ограничивается только тем, что они являются «опорными», «склеивающими» и «смазывающими» материалами. Эти соединения играют важную роль в процессах роста и регенерации тканей, оплодотворения и размножения, проницаемости клеточных мембран и во многих других процессах, обеспечивающих нормальное функционирование многих систем организма. Один из представителей этого класса углеводсодержащих соединений — гепарин (см.), обладает противосвертывающей активностью; он находится в межклеточном веществе многих органов — печени, легких, сердца, артериальных сосудов. М. покрывают поверхность почти всех животных клеток, участвуя в ионном обмене, иммунных реакциях, дифференцировке тканей. Нек-рые специализированные клетки, напр, гранулоциты или тромбоциты, содержат М. в специальных органеллах своей цитоплазмы. Наследственные нарушения обмена М., в частности недостаточность гидролитических ферментов, участвующих в распаде этих соединений, приводят к накоплению М. в лизосомах клеток и развитию тяжелых лизосомных болезней накопления — мукополисахаридозов (см.). Изменение нормального обмена М. происходит не только при мукополисахаридозах, но и при различных формах ревматизма, артритах, гиповитаминозах. При нек-рых физиологических и патологических состояниях концентрация Мукополисахаридов в крови может изменяться в сторону уменьшения или увеличения. При беременности, пролиферации или дистрофии тканей, различных инфекциях, облучении рентгеновскими лучами концентрация М. в плазме крови резко увеличивается. При нек-рых заболеваниях почек и поражениях паренхимы печени концентрация М. в крови снижается.
Имеются данные, что при нек-рых стрессовых ситуациях, особенно сопровождающихся повышением кровяного давления, в гладких мышечных клетках крупных сосудов в значительной степени возрастает образование сульфатированных М.— гепарансульфата, дерматансульфата и хондроитинсульфата. Накапливающиеся на стенках аорты и других сосудов сульфатированные М., как предполагают, связывают липопротеиды низкой плотности плазмы крови, что способствует образованию атеросклеротических бляшек.
Кроме взаимодействия с липопротеидами, Мукополисахариды способны образовывать комплексы с различными белками крови: с гемоглобином, альфа, бета и гамма-глобулинами, с компонентами фибринолитической системы (фибриногеном, плазминогеном). Нек-рые М. могут подавлять или активировать ряд ферментов. Так, гепарин в модельных опытах активирует аденилатциклазу, а накапливающиеся при болезни Гурлер дерматансульфат и гепарансульфат подавляют активность кислой β-D—галактозидазы лизосом (см. Гаргоилизм).
Большое значение имеют полианионные свойства М. для процессов кальцификации костной ткани. Удаление М. из срезов хряща приводит к резкому снижению отложении минеральных солей в этой ткани. Экспериментально показано, что способность декальцинированного хряща связывать ионы натрия, калия, кальция и др. находится в прямой зависимости от содержания хондроитинсульфата. При обработке декальцинированной кости гиалуронидазой (см.), участвующей в деградации М., включение 45Ca в костную ткань резко снижается.
Термин «мукополисахариды» был предложен в 30-х гг. 20 в. Майером (К. Meyer) и в последующие несколько десятилетий широко использовался в научной литературе. При этом полагали, что М. не содержат белков, а их небольшие количества, обнаруживаемые в препаратах М. из различных источников, считали примесями. Однако по мере совершенствования методов препаративного выделения М. стало ясно, что практически во всех М. имеются белковые компоненты, к к-рым ковалентно присоединено значительное число линейных гетерополисахаридных цепей, получивших впоследствии название гликозаминогликанов.
В связи с этим Стейси (М. Stacey) и Баркер (S. Barker) в 1960 г. предложили мукополисахаридами называть углеводбелковые соединения, участвующие в реакциях, характерных гл. обр. для полисахаридов. В этих реакциях М. чаще всего называют просто гликозаминогликанами, иногда кислыми гликозаминогликанами или нейтральными гликозаминогликанами, указывая тем самым на относительное содержание остатков уроновых к-т в гетерополисахаридных цепях молекулы М. Мукополисахариды, поведение к-рых определяется гл. обр. белковым компонентом молекулы, было предложено называть мукопротеидами.
В научной литературе все чаще М. называют гликозаминопротеогликанами или протеогликанами, т. к. эти термины подчеркивают ковалентную связь практически всех типов гликозаминогликанов с белковым компонентом молекулы М., однако в мед. литературе термин «гликозаминогликаны» продолжает оставаться синонимом термина «мукополисахариды».
Формально М. могли бы рассматриваться как одна из разновидностей гликопротеидов (см.), однако принципиальные различия в структуре их молекул заставляют выделять эти углеводсодержащие биополимеры в два различных класса. Молекула гликопротеида состоит обычно из одной или нескольких углеводных цепей, в к-рых содержится не более 15—20 моносахаридных остатков, а углеводные цепи молекулы М., к-рых может насчитываться несколько десятков на молекулу, построены из очень большого числа повторяющихся дисахаридных фрагментов.
В зависимости от структуры углеводных цепей Мукополисахариды подразделяют на семь основных типов. Шесть из них — гиалуроновая кислота (см.), хондроитин-4-сульфат, хондроитин-6-сульфат (см.Хондроитинсерные кислоты), дерматансульфат, гепарин и гепарансульфат — являются структурно сходными и содержат в своих полисахаридных цепях чередующиеся дисахаридные звенья, состоящие из остатков сульфатированных аминосахаров и гексуроновых кислот (см.) — D-глюкуроновой или L-идуроновой. В седьмом типе М. углеводная часть представлена кератансульфатом или кератосульфатом,в дисахаридных звеньях к-рого вместо гексуроновых к-т находится D-галактоза. В дополнение к перечисленным семи основным типам гликозаминогликанов, входящих в состав молекулы М., выделены несколько новых типов хондроитинсульфатов (D, Е), дерматансульфата (Н), хондроитина, отличающихся различной степенью сульфатированности гексуроновых к-т и гексозаминов.
Кроме основных моносахаридных компонентов, в составе гликозаминогликанов М. в качестве минорных сахаров встречаются L-фукоза (см. Фукоза), сиаловые кислоты (см.), D-манноза (см. Манноза) и D-ксилоза (см. Ксилоза). Первые три сахара входят в боковые ветви гликозаминогликанов, а ксилоза участвует в образовании углеводпептидной связи большинства М.
Общее строение молекул М. можно представить на моделях двух типов. Согласно одной из них, сравнительно небольшая гидрофобная пептидная часть М. несет на себе значительное количество полисахаридных гидрофобных цепей. Таким строением обладают М. мембраны пластинчатого комплекса (аппарата Гольджи). Часть молекул М. имеет другое строение — они вытянуты и в основе их лежит пептидный стержень, к к-рому через короткие (приблизительно 10 аминокислотных остатков) или длинные (ок. 35 аминокислотных остатков) интервалы присоединяются углеводные цепи. Присоединение гликозаминогликанов к пептидной части молекулы М. осуществляется через так наз. участок связывания, в к-ром углеводпептидная связь по большей части осуществляется через О-гликозидную связь D-ксилозы с остатком серина пептидной цепи. Кроме ксилозы, специфический участок связывания содержит два остатка галактозы и остаток глюкуроновой к-ты, к к-рой присоединяются повторяющиеся дисахаридные фрагменты, характерные для полисахаридных цепей М.
Мол. вес (масса) М. также варьирует в широких пределах (от 1-105 до 4-106). Такая полидисперсность наблюдается практически во всех препаратах М. и объясняется, по-видимому, не только значительными колебаниями в числе и длине цепей гликозаминогликанов, но и различиями в мол. весах белковых компонентов М. Кроме того, полидисперсность может объясняться способностью молекул М. агрегировать друг с другом, а также с другими биополимерами, в частности с белками.
Структура белковых компонентов М. изучена недостаточно. Аминокислотный состав М. хряща разных животных может свидетельствовать о сходстве их строения и о гомологичности структуры белковых компонентов. Однако, по мнению ряда исследователей, существование нескольких пептидных цепей в М. из хрящей не может быть исключено.
М. хорошо растворяются в воде и водно-солевых р-рах и не растворяются в спирте, ацетоне, эфире и нек-рых других органических растворителях. Полианионные свойства М. определяются присутствием в полисахаридных цепях не только карбоксильных (COOH-) групп гексуроновых к-т, но и сульфатными группировками. Биосинтез углеводной части М. осуществляется серией высокоспецифических гликозилтрансфераз и сульфотрансфераз. В распаде М. участвуют гидролитические ферменты лизосом: Гликозидазы (см. Карбогидразы),сульфатазы (см.), Пептидгидролазы (см.).
Препаративное выделение Мукополисахаридов из свежих или обезвоженных и обезжиренных ацетоном тканей проводят с помощью их экстрагирования солевыми р-рами. Для удаления белкового компонента полученные препараты М. обрабатывают протеолитическими ферментами, гидролизующими углеводпептидные связи. Белки удаляют денатурацией или дальнейшим ферментативным перевариванием, а смесь образовавшихся гликозаминогликанов разделяют фракционным осаждением цетавлоном или с помощью ионообменной хроматографии (см.). К микрометодам, применяемым для оценки степени чистоты М., относится электрофорез на бумаге или на ацетате целлюлозы (см. Электрофорез) в сочетании с иммунологическими методами. Гомогенность М. при таком анализе, подтвержденная аналитическим ультрацентрифугированием, обычно считается надежным критерием индивидуальности М., хотя могут быть определенные трудности в интерпретации результатов в связи с полиморфизмом М.
Методы количественного определения изолированных М. основаны гл. обр. на специфических цветных реакциях, к-рые дают их углеводные компоненты при взаимодействии с сильными к-тами при нагревании: гексуроновые кислоты определяются с помощью карбазола и орцина, нейтральные сахара — антроновым методом и т. д.
Несмотря на то, что структура углеводных компонентов различных М. сходна, между ними имеются определенные различия.
Гиалуроновая кислота является единственным представителем несульфатированных гликозаминогликанов. В отличие от других гликозаминогликанов цепь гиалуроновой к-ты отличается постоянством структуры, для нее не характерны разветвления или какие-либо изменения в составе углеводных компонентов. Другой особенностью гиалуроновой к-ты является большая длина ее цепи. Мол. вес (масса) гиалуроновой к-ты примерно в 10 раз превосходит мол. вес (массу) других гликозаминогликанов. Вследствие своей высокой гидрофильности гиалуроновая к-та связывает интерстициальную воду в межклеточных пространствах, что способствует резкому повышению противодействия тканей сжатию.
Наличие гиалуроновой к-ты в синовиальной жидкости обусловливает ее высокую структурную вязкость, в результате чего суставы способны выдерживать большую нагрузку. В тканях и жидкостях гиалуроновая к-та существует, по-видимому, в комплексе с тем или иным белком, количество к-рого обычно невелико (до 2%) и,по данным разных исследователей, варьирует в зависимости от источника и методов получения гиалуроновой к-ты. Несмотря на то, что ковалентная связь гиалуроновой к-ты с белком доказана в ряде случаев с помощью довольно тонких методов, хим. характер этой связи не выяснен.
Хондроитинсульфаты по сравнению с другими М. наиболее распространены в организме человека и животных. Они подразделяются на хондроитин-4-сульфат (хондроитинсульфат А), хондроитин-6-сульфат (хондроитинсульфат С) и дерматансульфат (хондроитинсульфат В). Полисахаридные цепи двух изомерных хондроитинсульфатов — хондроитин-4- и хондроитин-6-сульфатов — содержат в качестве повторяющегося звена дисахарид, представляющий собой O-β-D-глюкуронозил-(1 —>3)-β-D-ацетилгалактозамин. При этом хондроитин-4-сульфат сульфатирован при четвертом углеродном атоме (С4), а хондроитин-6-сульфат — при C6-атоме N-ацетилгалактозамина. Каждая полисахаридная цепь обоих хондроитинсульфатов содержит от 30 до 50 дисахаридных фрагментов. Необходимо отметить, что степень сульфатирования полисахаридных цепей хондроитинсульфатов может варьировать. Гетерогенность полисахаридных цепей проявляется в том, что небольшая часть дисахаридных фрагментов хондроитинсульфатов вообще может не быть сульфатирована, а в других определенных участках полисахаридной цепи сульфатированы не только остатки N-ацетилгалактозамина, но и глюкуроновой к-ты. Наконец, структурная гетерогенность проявляется в том, что существуют гибридные молекулы хондроитинсульфатов, содержащие в своих полисахаридных цепях остатки N-ацетилгалактозамина, сульфатированные как при C4, так и при C6. Степень сульфатирования варьирует как в препаратах хондроитинсульфатов, выделенных из одного источника, так и в препаратах, выделенных из разных источников. Изомерные формы хондроитин-4- и хондроитин-6-сульфатов могут присутствовать в ткани независимо друг от друга или в смеси друг с другом. Большинство препаратов хондроитинсульфатов отличается полидисперсностью. Мол. вес (масса) хондроитинсульфатов колеблется между 10 000 и 60 000. В хрящах и ткани артерий хондроитин-4- и хондроитин-6-сульфаты соединены со специфическим белковым кором. Белковый компонент составляет ок. 17—22% от всей массы молекулы хондроитинсул ьфатпротеина.
Дерматансульфат (хондроитинсульфат В) является изомером хондроитинсульфатов, в к-ром вместо остатков D-глюкуроновой к-ты имеются остатки L-идуроновой к-ты, связанные α-1—>3-связью с сульфатированным обычно при C4 N-ацетилгалактозамином. Такие повторяющиеся дисахаридные фрагменты соединены друг с другом β-1—>4-связями. Кроме типичных для дерматансульфата препаратов, содержащих только остатки L-идуроновой к-ты, получены препараты, в к-рых имеется нек-рое количество D-глюкуроновой к-ты; дерматансульфат из ткани аорты лошади наряду с типичными дисахаридными фрагментами содержит в своей молекуле фрагменты хондроитинсульфата и хондроитин-6-сульфата. По своим свойствам дерматансульфат сходен с другими хондроитинсульфатами, однако в отличие от хондроитинсульфата А он обладает свойствами антикоагулянта. Мол. вес (масса) дерматансульфата колеблется в зависимости от источника и способа получения и в среднем равна 23 000.
Кератансульфат, или кератосульфат, отличается от других М. тем, что его дисахаридные звенья не содержат уроновых к-т. Полисахаридная цепь кератансульфата состоит из чередующихся дисахаридных фрагментов, состоящих из остатков D-галактозы и 6-сульфата-N-ацетилглюкозамина, соединенных между собой β-1—>4-связью. Дисахаридные фрагменты соединены β-1—>3-связью. Остатки галактозы в кератансульфате также могут быть сульфатированы. Кроме того, в полисахаридных цепях кератансульфата есть остатки фукозы, маннозы, сиаловых к-т и N-ацетилгалактозамина, положение к-рых в цепи пока точно не известно. Имеются данные о том, что связь с белковым компонентом в кератансульфате из роговицы осуществляется при помощи глинюзиламидной связи между остатками глюкозамина и аспарагина, а в кератансульфате из хряща — при помощи О-гликозидной связи между остатками N-ацетилгалактозамина и OH-группой остатка серина или треонина.
Гепарин и гепарансульфат имеют очень сходную структуру с другими типами гликозаминогликанов, но отличаются от них по локализации и функции в животных тканях. В соединительной ткани гепарин встречается не как структурный компонент, а как внутриклеточный компонент тучных клеток (см.). Гепарин обнаруживается в коже, в тканях легких, печени, слизистой оболочке желудка. Считалось, что повторяющиеся дисахаридные фрагменты гепарина состоят из [(1—>4)-β-D-глюкуронозил — (1—>4)]-α-D-N-ацетилглюкозамина. Однако обнаружение в гепарине остатков L-идуроновой к-ты, а также β-связей D-глюкуроновой к-ты (фрагменты гепарина расщеплялись β-глюкуронидазой) позволило представить углеводную структуру этого биополимера в виде повторяющегося тетрасахаридного фрагмента. Такой тетрасахарид можно рассматривать как два связанных α-1—>4-связью дисахарида, содержащих в своем составе L-идуроновую (сульфатированную при C2) и D-глюкуроновую к-ты, связанные с сульфатированными при C2 и C6 остатками N-ацетилглюкозамина соответственно. Гепарансульфат состоит, по-видимому, из таких же фрагментов с большим количеством N-ацетильных и меньшим количеством N-сульфатных групп и низкой степенью О-сульфатирования.
Гистохимические методы определения мукополисахаридов в тканях
Успешность выявления М. в тканях в значительной мере определяется способом фиксации тканей. Лучшим способом фиксации тканей для гистохим, определения М. является лиофильная сушка (см. Лиофилизации). В гистологической практике в качестве универсального фиксатора углеводных соединений широко используется 10% р-р нейтрального формалина (по Лилли). Этот фиксатор обеспечивает возможность ориентировочного анализа М. при хорошей сохранности структур фиксируемой ткани. Для более полного осаждения М. к р-ру формалина добавляют этанол, соли Свинца, гидроокись бария. Для фиксации нейтральных М. применяется 96% этиловый спирт или жидкость Карнуа. Для сохранения в тканях легкорастворимых М. предложены способы фиксации с применением диоксана, смеси тетрагидрофурана с ацетоном, р-ра цианур-хлорида в метиловом спирте и др.
Большинство методов гистохимического определения М. являются групповыми, т. к. служат для обнаружения соединений с одинаковыми или похожими реакционными группами. Поэтому идентификация отдельных М. требует проведения хим. или ферментативного контроля, а в ряде случаев — применения дублирующих методов.
Групповым методом, лежащим в основе гистохим, определения углеводных соединений, является ШИК-реакция (см.), основанная на избирательном окислении йодной к-той 1,2-гликольных групп углеводов до альдегидов, к-рые в реакции с фуксинсернистой к-той образуют соединение малинового цвета. ШИК-положительную реакцию дают гликоген и нейтральные М., к-рые могут быть в комплексе с белками. Структуры, содержащие кислые М., в тканевых срезах не реагируют с фуксинсернистой к-той. При постановке ШИК-реакции после заливки кусочков ткани в парафин исчезает необходимость дифференцировать нейтральные М. с липидами, растворившимися при проводке срезов, присутствие гликогена исключается ферментным контролем с амилазой.
Специфическим методом гистохим, определения кислых М. является метахроматическое окрашивание их тиазиновыми красителями, к-рые изменяют свой цвет в сторону красного спектра (с появлением фиолетовых, сиреневых тонов) при взаимодействии с упорядоченными полианионными структурами. Хим. компоненты тканей, дающие метахроматическое окрашивание, получили название хромотропных веществ: отсюда выражения «хромотропная субстанция», «хромотропный отек», что означает присутствие в тканевом субстрате кислых М., дающих метахромазию (см.). Феномен метахромазии появляется при наличии активных диссоциированных кислотных групп, карбоксильных или сульфатных, поэтому выявление соединений, дающих метахроматическое окрашивание,проводится при различных значениях pH красящего р-ра. Метахромазия структур, содержащих гиалуроновую к-ту, выявляется при pH 4,0 и выше; сиаловые к-ты дают метахромазию при pH от 2,0 до 3,0; сульфатированные М. метахроматически окрашиваются при более низких значениях pH (от 0,5 до 1,5).
К групповым методам определения кислых Мукополисахаридов относятся также метод Хейла и окраска альциановым синим. Метод Хейла основан на связывании кислыми М. коллоидной гидроокиси железа с последующим выявлением ее локализации по образованию берлинской лазури. Этот метод в комбинации с ШИК-реакцией позволяет четко разграничить нейтральные и кислые М. и выявить кислые М. и ШИК-положительные структуры одновременно на одном срезе. Альциановый синий, относящийся к фталоцианинам, взаимодействует с карбоксильными и сульфатными группами кислых М., образуя с ними комплексы, подобно другим основным красителям (см.). Сульфатированные М. нек-рых тканевых структур слабо окрашиваются альциановым синим, а мягкое метилирование, удаляющее сульфатные группы, усиливает альцианофилию, по-видимому, за счет лучшего доступа красителя к карбоксильным группам субстрата.
Для дифференцирования сульфатированных М. и сиалогликозамино-протеогликанов используют метод метилирования, при к-ром карбоксильные группы блокируются, а сульфатные удаляются; при последующем деметилировании происходит восстановление карбоксильных групп. Т. о., метилирование — деметилирование можно использовать как избирательное десульфирование кислых М.
Идентификация отдельных хромотропных веществ, выявленных всеми этими методами, проводится посредством предварительной обработки тканевых срезов соответствующими ферментами: гиалуронидазами и непраминидазой. Необходимость проведения дифференциального гистохимического анализа М. диктуется тем, что хромотропные структуры, как правило, представляют собой сложные многокомпонентные системы различных углеводных соединений, определение к-рых необходимо для более глубокого понимания сущности физиологических и патологических процессов.
Библиография: Бычков С. М. и Захарова М. М. Новые данные о гликозаминогликанах и протеогликанах, Вопр. мед. химии, т. 25, № 3, с. 227, 1979, библиогр.; Видершайн Г. Я. Биохимические основы гликозидозов, с. 12, М., 1980; Дише 3. Цветные реакции углеводов, в кн.: Методы химии углеводов, пер. с англ., под ред. Н. К. Кочеткова, с. 20, М., 1967; Пирс Э. Гистохимия, пер. с англ., с. 207, М., 1962; Принципы и методы гистоцитохимического анализа в патологии, под. ред. А. П. Авцына и др., с. 15, М.—Л., 1971; Степаненко Б. Н. Химия и биохимия углеводов (полисахариды), с. 161, М., 1978; Briinacombe J. S.j a. Weber J-M. Mucopolisaccharides, Amsterdam, 1964; Complex carbohydrates of nervous tissue, ed by R. U. Margolis a. R. K. Margolis, 34., Y.—L, 1979; Dorfman A. Adventures in viscous solutions, Mol. Cell. Biochem., v. 4, p. 45, 1974, bibliogr.; Kimata K., a. o. Cytodifferentiation and proteoglycan biosynthesis, ibid., v. 1, p., 21 1, 1973, bibliogr.; Lindahl U. a. Hook l’ Glycosaminoglycans their and binding to biological macromolecules, Ann. Rev. Bio-Chem., v. 47, p. 385, 1978, bibliogr. McKusick V. A., Heritable disorders of connective tissue, St Louis, 1972. McManus J. F. A. a. Mowry R. w’ Staining methods, N. Y., 1960.
Г. Я. Видершайн; В. П. Быкова (пат. ан.).