Сиаловые кислоты представляют собой класс сахаров альфа- кетокислот с девятиуглеродным остовом . [1] Термин «сиаловая кислота» (от греческого σίαλον (сиалон) « слюна ») был впервые введен шведским биохимиком Гуннаром Бликсом в 1952 году. Наиболее распространенным членом этой группы является N -ацетилнейраминовая кислота (Neu5Ac или NANA), обнаруженная в животные и некоторые прокариоты .
Сиаловые кислоты широко распространены в тканях животных, а родственные формы встречаются в меньшей степени в других организмах, таких как некоторые микроводоросли , [2] бактерии и археи . [3] [4] [5] [6] Сиаловые кислоты обычно входят в состав гликопротеинов , гликолипидов или ганглиозидов , где они украшают концы сахарных цепей на поверхности клеток или растворимых белков. [7] Однако сиаловые кислоты также наблюдались в эмбрионах дрозофилы и других насекомых. [8] Как правило, растения не содержат и не отображают сиаловые кислоты. [9]
У людей мозг имеет самое высокое содержание сиаловых кислот, где эти кислоты играют важную роль в нервной передаче и структуре ганглиозидов в синаптогенезе . [7] Известно более 50 видов сиаловой кислоты, все из которых можно получить из молекулы нейраминовой кислоты путем замены ее аминогруппы или одной из ее гидроксильных групп. [1] Обычно аминогруппа содержит либо ацетильную, либо гликолильную группу, но были описаны и другие модификации. Было показано, что эти модификации наряду со связями являются тканеспецифичными и регулируемыми в процессе развития экспрессиями , поэтому некоторые из них обнаруживаются только в определенных типах гликоконъюгатов в конкретных клетках. [8] Гидроксильные заместители могут значительно различаться; Обнаружены ацетильная , лактильная, метильная , сульфатная и фосфатная группы. [10]
Семейство сиаловых кислот включает множество производных девятиуглеродного сахара нейраминовой кислоты , но эти кислоты редко встречаются в природе в свободном виде. В норме их можно обнаружить в составе олигосахаридных цепей муцинов, гликопротеинов и гликолипидов , занимающих терминальные, невосстанавливающие положения сложных углеводов как на внешних, так и на внутренних участках мембраны, где они очень обнажены и выполняют важные функции. [7]
Нумерация атомов углерода начинается с карбоксилатного углерода и продолжается по всей цепи. Конфигурация, которая помещает карбоксилат в аксиальное положение, представляет собой альфа-аномер.
Альфа-аномер — это форма, которая возникает, когда сиаловая кислота связана с гликанами. Однако в растворе он находится преимущественно (более 90%) в бета-аномерной форме. Был обнаружен бактериальный фермент с мутаротазной активностью сиаловой кислоты, NanM, который способен быстро уравновешивать растворы сиаловой кислоты до положения равновесия покоя, составляющего около 90% бета/10% альфа. [11]
В отличие от других животных, люди генетически не способны производить вариант сиаловой кислоты N-гликолилнейраминовую кислоту (Neu5Gc). Однако небольшие количества Neu5Gc, обнаруженные в тканях человека, могут быть включены из экзогенных (питательных) источников. [12]
Сиаловая кислота синтезируется глюкозамин-6-фосфатом и ацетил-КоА через трансферазу , в результате чего образуется N -ацетилглюкозамин-6-P. В результате эпимеризации он превращается в N -ацетилманнозамин-6-P , который реагирует с фосфоенолпируватом с образованием N -ацетилнейрамин-9-P (сиаловой кислоты). Чтобы он стал активным и включился в процесс биосинтеза олигосахаридов в клетке, к нему добавляется монофосфатный нуклеозид, который образуется из цитидинтрифосфата , превращая сиаловую кислоту в цитидинмонофосфат-сиаловую кислоту (CMP-сиаловая кислота). Это соединение синтезируется в ядре животной клетки. [13] [14]
В бактериальных системах сиаловые кислоты также могут биосинтезироваться альдолазой . Этот фермент использует, например, производное маннозы в качестве субстрата, встраивая три атома углерода из пирувата в полученную структуру сиаловой кислоты. Эти ферменты могут быть использованы для химиоферментативного синтеза производных сиаловой кислоты. [15]
Гликопротеины, содержащие сиаловую кислоту ( сиалогликопротеины ), связывают селектин у человека и других организмов. Метастатические раковые клетки часто экспрессируют высокую плотность гликопротеинов, богатых сиаловой кислотой. Эта сверхэкспрессия сиаловой кислоты на поверхностях создает отрицательный заряд на клеточных мембранах. Это создает отталкивание между клетками (клеточное противостояние) [16] и помогает раковым клеткам на поздних стадиях попасть в кровоток. Недавние эксперименты продемонстрировали присутствие сиаловой кислоты во внеклеточном матриксе, секретируемом раком . [17]
Богатые сиаловой кислотой олигосахариды гликоконъюгатов (гликолипиды, гликопротеины, протеогликаны), обнаруженные на поверхностных мембранах, помогают удерживать воду на поверхности клеток . Области, богатые сиаловой кислотой, способствуют созданию отрицательного заряда на поверхности клеток. Поскольку вода представляет собой полярную молекулу с частичными положительными зарядами на обоих атомах водорода, она притягивается к клеточным поверхностям и мембранам. Это также способствует поглощению клеточной жидкости.
Остатки сиаловой кислоты присутствуют в муциновых гликопротеинах слизи. [18]
Сиаловая кислота может «прятать» маннозные антигены на поверхности клеток-хозяев или бактерий от маннозосвязывающего лектина. [ необходима цитация ] Это предотвращает активацию комплемента .
Сиаловая кислота в форме полисиаловой кислоты представляет собой необычную посттрансляционную модификацию , которая возникает в молекулах адгезии нервных клеток (NCAM). В синапсе сильный отрицательный заряд полисиаловой кислоты предотвращает сшивание клеток NCAM.
Введение эстрогена кастрированным мышам приводит к дозозависимому снижению содержания сиаловой кислоты во влагалище. И наоборот, содержание сиаловой кислоты во влагалище мыши является мерой активности эстрогена. Эталонными веществами являются эстрадиол для подкожного применения и этинилэстрадиол для перорального применения. [19]
Сиаловые кислоты обнаружены на всех поверхностях клеток позвоночных и некоторых беспозвоночных, а также у некоторых бактерий, взаимодействующих с позвоночными.
Многие вирусы, такие как серотип Ad26 [20] аденовирусов ( Adenoviridae ), ротавирусов ( Reoviridae ) и вирусов гриппа ( Orthomyxoviridae ), могут использовать сиалилированные структуры хозяина для связывания с клеткой-мишенью-хозяином. Сиаловые кислоты являются хорошей мишенью для этих вирусов, поскольку они высококонсервативны и в большом количестве присутствуют практически во всех клетках. Неудивительно, что сиаловые кислоты также играют важную роль в некоторых вирусных инфекциях человека. Вирусы гриппа имеют на своей поверхности гликопротеины гемагглютининовой активности (НА), которые связываются с сиаловыми кислотами, обнаруженными на поверхности эритроцитов человека и на клеточных мембранах верхних дыхательных путей. На этом основана гемагглютинация, когда вирусы смешиваются с клетками крови, и проникновение вируса в клетки верхних дыхательных путей. Широко используемые противогриппозные препараты ( осельтамивир и занамивир ) представляют собой аналоги сиаловой кислоты, которые препятствуют высвобождению вновь созданных вирусов из инфицированных клеток путем ингибирования вирусного фермента нейраминидазы . [21]
Некоторые бактерии также используют сиалилированные структуры хозяина для связывания и распознавания. Например, данные показывают, что свободные сиаловые кислоты могут служить сигналом для некоторых конкретных бактерий, таких как пневмококк . Свободная сиаловая кислота, возможно, может помочь бактерии распознать, что она достигла среды позвоночных, подходящей для ее колонизации. Модификации Sias, такие как N -гликолильная группа в положении 5 или O -ацетильные группы в боковой цепи, могут снизить действие бактериальных сиалидаз. [21]
Синтез и деградация сиаловой кислоты распределяются в разных компартментах клетки. Синтез начинается в цитозоле, где N -ацетилманнозамин -6-фосфат и фосфоенолпируват дают начало сиаловой кислоте. Позже фосфат Neu5Ac 9 активируется в ядре остатком цитидинмонофосфата (CMP) через синтазу CMP-Neu5Ac. Хотя связь между сиаловой кислотой и другими соединениями, как правило, представляет собой α-связывание, эта конкретная связь является единственной, которая представляет собой β-связь. Затем CMP-Neu5Ac транспортируется в эндоплазматический ретикулум или аппарат Гольджи, где он может быть перенесен на олигосахаридную цепь, становясь новым гликоконъюгатом. Эту связь можно модифицировать путем О- ацетилирования или О- метилирования . Когда гликоконъюгат созревает, он транспортируется на поверхность клетки.
Сиалидаза является одним из наиболее важных ферментов катаболизма сиаловой кислоты. Это может вызвать удаление остатков сиаловой кислоты с поверхности клеток или сывороточных сиалогликоконъюгатов. Обычно у высших животных гликоконъюгаты, склонные к деградации, захватываются путем эндоцитоза. После слияния поздней эндосомы с лизосомой лизосомальные сиалидазы удаляют остатки сиаловой кислоты. Действие этих сиалидаз основано на удалении О -ацетильных групп. Молекулы свободной сиаловой кислоты транспортируются в цитозоль через мембрану лизосомы. Там они могут быть переработаны и снова активированы для образования еще одной зарождающейся молекулы гликоконъюгата в аппарате Гольджи. Сиаловые кислоты также могут расщепляться до ацилманнозамина и пирувата с помощью цитозольного фермента ацилнейраминалиазы.
Некоторые тяжелые заболевания могут зависеть от присутствия или отсутствия некоторых ферментов, связанных с метаболизмом сиаловой кислоты. Сиалидоз и дефицит сиаловой кислоты с мутациями в гене NANS (см. ниже) могут быть примерами этого типа расстройства. [22]
Крысиные детеныши, получавшие сиаловую кислоту, продемонстрировали улучшение обучения и памяти во взрослом возрасте. [23] Взаимосвязь между добавлением сиаловой кислоты в рацион и когнитивной функцией наблюдалась у поросят, которых кормили высокими дозами сиаловой кислоты. [24]
Сиаловые кислоты связаны с несколькими различными заболеваниями, наблюдаемыми у людей.
Биаллельные рецессивные мутации в гене синтеза сиаловой кислоты, синтазе N-ацетилнейраминовой кислоты ( NANS ), у людей могут привести к тяжелому заболеванию, проявляющемуся умственной отсталостью и низким ростом, что подчеркивает важность сиаловой кислоты в развитии мозга. [25] Терапевтическое исследование с краткосрочным пероральным приемом сиаловой кислоты не выявило значительного положительного влияния на биохимические параметры [26]
Болезнь Салла — чрезвычайно редкое заболевание, которое считается самой легкой формой нарушения накопления свободной сиаловой кислоты [27], хотя ее детская форма считается агрессивным вариантом, и у людей, страдающих ею, наблюдается задержка умственного развития. [28] Это аутосомно-рецессивное заболевание, вызванное мутацией хромосомы 6 . [29] Оно в основном поражает нервную систему [27] и вызвано нарушением лизосомального накопления, которое возникает из-за дефицита специфического переносчика сиаловой кислоты, расположенного на лизосомальной мембране [30]. В настоящее время не существует лечения этого заболевания и Лечение носит поддерживающий характер и направлено на контроль симптомов. [27]
Подфракции холестерина ЛПНП, которые участвуют в возникновении атеросклероза, имеют пониженный уровень сиаловой кислоты. [31] К ним относятся небольшие частицы ЛПНП высокой плотности и электроотрицательные ЛПНП. [31] Снижение уровня сиаловой кислоты в небольших частицах ЛПНП высокой плотности увеличивает сродство этих частиц к протеогликанам в стенках артерий . [31]
Всем штаммам вируса гриппа А для связи с клетками необходима сиаловая кислота. Существуют различные формы сиаловых кислот, которые имеют различное сродство к разновидностям вируса гриппа А. Это разнообразие является важным фактом, определяющим, какие виды могут быть заражены. [32] Когда определенный вирус гриппа А распознается рецептором сиаловой кислоты, клетка имеет тенденцию эндоцитировать вирус, поэтому клетка становится инфицированной.
Сиаловые кислоты широко распространены в тканях позвоночных, где они участвуют во многих различных биологических процессах. Первоначально обнаруженные в линии вторичноротых животных, сиаловые кислоты на самом деле можно рассматривать как подмножество более древнего семейства моносахаридов с 9-углеродным остовом, называемых ноулозоновыми кислотами (NulOs), которые совсем недавно были также обнаружены у Eubacteria и Archaea. [33] Многие патогенные бактерии включают сиаловую кислоту в элементы клеточной поверхности, такие как липополисахарид или капсульные полисахариды, что помогает им уклоняться от врожденного иммунного ответа хозяина. [34] Недавнее исследование на уровне генома изучило большой набор секвенированных микробных геномов, которые показали, что пути биосинтеза для производства неулозоновых кислот (NulOs) гораздо более широко распространены на филогенетическом древе жизни, чем предполагалось ранее. [35] Кроме того, этот вывод подтверждается недавними исследованиями окрашивания лектинов и исследованием молекулярного уровня прокариотических неулозоновых кислот, показавшими, что также многие непатогенные и чисто экологические штаммы продуцируют бактериальные сиаловые кислоты (NulOs). [36] [37] Некоторые ( анаммокс ) бактерии производят NulO, которые в дополнение к очень кислой группе альфа-кетокислоты также отображают (нейтрализующие) основные группы (свободные амины). [38] Сопоставимые сиаловые кислоты клеточной поверхности были получены путем химического ремоделирования для управления зарядом клеточной поверхности путем образования свободного амина в положении C5, который нейтрализует отрицательно заряженную карбоксильную группу в положении C1. [39]
{{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ){{cite book}}
: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка ) CS1 maint: местоположение ( ссылка )