CC BY
691
547.963.004.14
ЛЕКТИНЫ: СВОЙСТВА, СФЕРЫ ПРИМЕНЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В.Н. АЛЕШИН, В.Г. ЛОБАНОВ, А.Д. МИНАКОВА
Кубанский государственный технологический университет
Антипитательные соединения семян многих растений представлены сложными белками - лектинами, снижающими пищевую ценность получаемых белковых продуктов.
Лектины - это гликопротеины, обладающие свойством специфически связывать сахара и их остатки [1]. На этом свойстве основана способность лектинов вызывать слипание или агглютинировать эритроциты и преципитировать сложные углеводы, осаждая их из растворов в осадок [2]. Именно это свойство лежит в основе многочисленных биологических функций лек-тинов.
С 1880-х годов было известно, что экстракты из некоторых растений могут агглютинировать красные кровяные клетки, т. е. вызывать их слипание. Первый лектин (рицин) был выделен Штильмарком из семян клещевины в 1888 г. В 1919 г. получили первый кристаллический лектин - конканавалин А [3]. В 40-х годах прошлого столетия вещества, обладавшие способностью избирательно присоединять клетки в зависимости от группы крови, вызывая этим их агглютинацию, получили название «агглютинины».
Термин «лектин» (от латинского legere - выбирать, избирать) был введен Бойдом и Шарпле, чтобы определять агглютинины, которые могут распознавать типы красных кровяных клеток. Сегодня термин «лек-тин» используется в более общем смысле и включает сахаросвязывающие белки молекулярной массой 60-100 кДа из различных источников, без учета их способности агглютинировать клетки [2, 4].
Лектины обнаружены в растениях, вирусах, микроорганизмах и животных [1, 3, 4]. Однако, несмотря на широкую распространенность лектинов в природе, их функции до сих пор принято считать не выясненными до конца [1, 2, 5]. У всех лектинов есть общее свойство - способность связываться с определенными сахарами, однако есть данные, что их роль в различных организмах не одинакова [1, 4].
Большинство лектинов, известных на данный момент, мультимерны, состоят из нековалентно связанных субъединиц [1]. Лектин может содержать две или более одинаковые (конканавалин А) или же различные (агглютинин фасоли обыкновенной) субъединицы. Именно эта мультимерная структура придает лекти-нам способность агглютинировать клетки или образо-
вывать преципитаты с гликоконъюгатами по механизму, сходному с взаимодействием антиген-антитело [4]. Хотя большинство лектинов могут агглютинировать те или иные типы клеток, клеточная агглютинация не является обязательной для всех лектинов. Некоторые из них могут связываться с клетками и не вызывать агглютинации (сукцинилированный конканавалин А), другие лектины могут не связываться с клетками вообще. Последнее свойство может быть следствием особой структуры лектина или следствием отсутствия необходимого рецептора олигосахарида на поверхности клетки [3]. Так как агглютинация клеток -способ, наиболее часто используемый для оценки активности и количества лектинов, многие неагглютинирующие лектины могут существовать в природе и при этом не выявляться стандартными методиками определения.
Некоторые лектины проявляют токсическую активность [6]. Это связано с тем, что из составляющих лектин нескольких субъединиц часть может быть лек-тиновыми, а другая часть при этом является токсином. Иногда такие лектины не проявляют агглютинирующей активности и, следовательно, не выявляются при стандартном анализе [7]. Известны высокотоксичные лектины, такие как лектин клещевины рицин, а также лектин арбин из растения Arbus precatorius. Другие лектины обладают низкой токсичностью и опасны для жизни человека и животных только в значительных количествах. Таков, например, лектин конканавалин А из растения Concanavalia ensiformis [6-9].
Однако даже абсолютно не проявляющие токсиче -ских свойств лектины могут оказывать повреждающее действие на организм человека и животных [1, 2]. Это происходит в том случае, когда в пищу употребляются белковые продукты, содержащие активные лектины. При попадании лектинов в организм человека или животного происходит инактивация ворсинок кишечника из-за взаимодействия полисахаридов ворсинок с лектинами. В результате этого возникают нарушения функций ворсинок кишечника, тем более значительные, чем большее количество лектинов попало в кишечник. В тяжелых случаях значительная часть кишечника полностью утрачивает способность выполнять свои функции. Повреждение может быть обратимым, но может привести и к летальному исходу. Это зависит, помимо количества и активности действующих лектинов, от индивидуальных особенностей и состояния организма. Следует подчеркнуть, что в дан-
ном случае речь не идет о проявлении токсичности лектинов.
Как было отмечено выше, функции лектинов в природе до сих пор считаются невыясненными. Однако существует ряд предположений о том, что представляют собой эти функции [1, 5, 10]. Принято считать, что лектины служат для осуществления транспорта сахаров; вызывают сцепление гликопротеиновых ферментов при образовании мультиферментных комплексов; принимают участие в регуляции деления, растяжения и дифференцировке клеток, в различных процессах межклеточного узнавания; обусловливают совместимость при оплодотворении и при контактах с симби-онтными и патогенными организмами [11-14].
Несмотря на невыясненность функций лектинов в природе, эта уникальная группа белков обеспечила исследователей мощными инструментами для изучения множества биологических структур и процессов. Так как каждый лектин специфичен к определенной углеводной структуре [1, 5], то даже олигосахариды с идентичным составом сахаров можно определить и выделить. Некоторые лектины могут связывать только структуры с маннозными или глюкозными остатками, тогда как другие узнают только галактозные остатки. Некоторые лектины могут узнавать только сахара, находящиеся в терминальной нередуцирующей позиции в олигосахариде, другие могут связываться с сахарами внутри олигосахаридной цепи. Есть лектины, которые не различают а и Ь аномеры (субъединицы двух разных типов), в то время как другие нуждаются не только в правильной аномерной структуре, но и в специфической последовательности сахаров для связывания. Аффинность между лектином и его рецептором может очень сильно варьировать в зависимости от небольших изменений в углеводной структуре рецептора. Все эти свойства, которые являются уникальными для лекти-нов, позволяют исследователю различать структуры, выделять один тип гликоконъюгатов, клеток или вирусов из смеси или изучать один процесс среди многих. Поскольку все биомембраны и клеточные стенки живых организмов содержат гликоконъюгаты, все живые организмы могут быть изучены при помощи лектинов [5, 7].
Важным свойством некоторых лектинов является способность индуцировать митоз в клетках, которые в норме не делятся [7, 15]. Это свойство используется в исследовании процесса бластогенеза лимфоцитов, а также процесса биохимических и структурных изменений, связанных с митогенезом. До сих пор остается невыясненным, почему некоторые лектины являются митогенными, так как структуры, к которым они присоединяются, не обязательно одинаковы, и не все лектины с одинаковой связывающей специфичностью являются митогенными. Похоже, что одного только связывания с поверхностью клетки недостаточно для того, чтобы вызвать митоз, но должны иметь место и другие взаимодействия на поверхности клетки [2, 3, 10, 15].
Благодаря своему свойству связывать сахара и их остатки, лектины обладают широким спектром действия на разнообразные мембраны, клеточные оболочки и другие растительные и животные структуры, вследствие чего широко используются в медицине, биотехнологии, иммунохимии и цитологии [7, 10, 16-18].
Лектины могут использоваться в качестве биоэф -фекторов. Их применяют как трансформанты, триггеры, супрессоры, фузогены, флокулянты и дефлокулян-ты [1, 7, 15].
Особое значение имеют лектины в роли носителей. Наибольший интерес представляют конъюгаты лекти-нов с антителами, ферментами, антибиотиками, другими лекарственными препаратами. Эти конъюгаты можно рассматривать как бифункциональные лектины искусственного происхождения. Подобные конъюгаты применяются в качестве противораковых средств
[7].
Лектины широко используются в качестве сорбентов. Значительное распространение получила аффинная хроматография на лектинах. Иммобилизованные лектины представляют собой новый тип аффинных сорбентов - для очистки и разделения сходных по свойствам ферментов, разделения форм фермента и изучения особенностей олигосахаридной структуры их углеводной части. Так как углеводная часть ферментов и других биологически активных гликоконъюгатов не формирует их активные центры, такие белки не изменяются в функциональном отношении в результате лектиновой хроматографии. Наиболее перспективным вариантом такой хроматографии считают аффинную хроматографию гликоконъюгатов на лек-тинах при высоких давлениях, при этом учитывается влияние высокого давления на способность иммобилизованного лектина взаимодействовать с углеводами и на конформационные изменения белковой части лектинов [5, 8, 13].
В инженерной энзимологии используют наборы меченых маркером иммобилизованных лектинов для тестирования модифицированного по углеводной части фермента. Получают конъюгаты лектинов с ферментами, которые применяются при терапии заболеваний [13, 19, 20].
Лектины используются в методах микроанализа углеводов, в том числе в составе гликоконъюгатов или на клеточной поверхности. Перспективны полимерные пленки на основе акролеина и его производных, содержащие лектины. Все чаще лектины используют в аффинном электрофорезе, либо как свободные лиганды, либо как иммобилизованные в полиакриламидном геле. Лектины эффективны также для экспресс-оценки действия эндогликозидаз на гликопротеиды, а также для оценки особенностей трехмерной структуры некристаллических олигомерных гликопротеинов (глю-козооксидазы и др.) [14, 16, 17].
Лектины применяются для гемосорбции. Так как все белки крови человека, кроме альбумина, являются гликопротеинами, лектины используются для связыва-
ния аномальной по углеводной части белков крови при различных заболеваниях. В этом случае предпочтение отдается лектинам без токсичной части, таким как, например, лектин семян сои [4, 7, 13].
Лектины широко используются для очистки вирио-нов, мембран, органелл и клеток. В основе этого применения лектинов лежит их сродство к мембранно-связанным гликоконъюгатам (часто - гликопротеинам, например, некоторым из ферментов-маркеров мембран). Таким образом, на лектиновых сорбентах можно связывать надмолекулярные белковые ансамбли, в том числе полифункциональные системы ферментов [13, 14].
В последнее время лектины все более широко используются в медицине для диагностики язв различной природы, а также опухолей в ротовой полости, мочевом пузыре, молочных железах, щитовидной железе; для выявления чувствительности различных клеток к радиации; для отделения нормальных клеток от клеток аденомы и карциномы предстательной железы [19-21].
Экспериментами in vitro показано, что лектины способны связывать вирусы гриппа и инактивировать их вирусную активность. Выделен белок коллектин, который представляет собой длинную белковую цепь с несколькими активными участками - доменами, обладающими лектиновой активностью. Этот белок имеет выраженную способность инактивировать вирус гриппа [14].
Во многих странах интенсивно ведутся работы по выделению и изучению лектинов из различных растений и животных. В настоящее время выделены сотни лектинов из семян, корней и коры различных растений, из грибов, бактерий, водорослей и губок, из моллюсков, рыбьей икры, из жидкостей тела беспозвоночных и низших позвоночных, а также из клеточных мембран млекопитающих. Продолжает оставаться актуальным изучение возможности использования различных лектинов в медицинской и научно-исследовательской сфере [15, 19, 20, 22, 23].
В последние годы значительная часть статей, посвященных лектинам, имеет отношение к популярной теории питания в соответствии с группой крови. Автор данной теории построил свои рекомендации на том, что многие продукты питания содержат более или менее активные лектины, а лектины обладают способностью избирательно связывать эритроциты крови человека.
Таким образом, исследование лектинов является в настоящее время одним из наиболее актуальных и перспективных направлений современной биологии.
ЛИТЕРАТУРА
1. Liener I.E. Phytohemagglutinins // Ann. Rev. Plant. Physiol. - 1976. - № 27. - P. 291-319.
2. Lis H., Sharon N. The biochemistry of plant lectins (phytogemagglutinins) // Ann. Rev. Biochem. - 1973. -№ 42. - P. 541-573.
3. Manen J.-F., Pusztai A. Light and electron microscopic localization of lectins in plant cells and tissues // Lectins: Biol., Biochem., Clin. Biochem. Vol. 3. - Berlin, New York, 1983. - P. 611-622.
4. Sharon N., Lis H. Lectins: Cell-agglutinating and
sugar-specific proteins // Science. - 1972. 177. - P. 949-9З9.
5. Barondes S.H. Lectins: Their multiple endogenous cellular functions // Annual Review of Biochemistry. - 1981. - Vol. З0. - P. 207-231.
6. Cheeke P., Shull Lee. Natural toxicants in feed and poisonous plants // Avi, Inc. 198З, Westport. - P. 63-64.
7. Etzler M. Introduction. In Irwin Goldstein and Marylinn Etzler (Eds.), Chemical taxonomy, molecular biology and function of plant lectins // Progress in Clinical and Biological Research. - 1983. -Vol. 138. - Alan R. Liss, Inc., N.Y. - P. 1-З.
8. Jaffe W.G. Hemagglutinins. In Irvin Liener (Ed.), Toxic Constituents of Plant Foodstuffs // N.Y.: Academic Press, 1969. - P. 69-101.
9. Jaffe W.G. Handbook of Naturally Occurring Food Toxicology. In Miloslav Rechcigl Handbook of Naturally Occuring Food Toxicants // CRC Press, Inc., Florida, 1983. - P. 31-38.
10. Suddath F., Parks E., Sugura K., Subramanian E., Einspahr H. The crystal structure of Pea lectin at 3.0 A resolution. In Leland Shannon and Maarten Chrispeels (Eds.), Molecular biology of seed storage proteins and lectins // The American Society of Plant Physiologists. - 1986. - P. 29-43.
11. Ayuba A., Causse H., Van Damme E.J.M., Peumans
W.J., Bourne Y., Cambillau C., Rouge P. Interactions of plant lectins with the components of the bacterial cell wall peptidoglican // Biochemical Systematics and Ecology. - 1994. 22. - P. ^3-^9.
12. Bourne Y., Ayuba A., Rouge P., Cambillau C. Interaction of a legume lectin with two components of the bacterial cell wall // J. of Biological Chemistry. - 1994. - К 269 (13). - P. 9429-943З.
13. Cavada B.C., Crisostomo C.V., Silva L.M.A., Oliveira J.T.A., Moreira R.A. Primary structures and functions of plant lectins // Revista Brasileira de Fisiologia Vegetal. - 1993. -N° З. - P. 193-201.
14. Etzler M. Distribution and function of plant lectins. In: Liener I.E., Sharon N., Goldstein I.J. (Eds.). The lectins: Properties, Functions and Applications in Biology and Medicine // N.Y.: Academic Press, 1986. - 600 p.
15. Loris R., Hamelryck T., Bouscaert J., Wyns L. Legume lectin structure // Biochimica et Biophysica Acta. - 1998. -К 1383. - P. 9-36.
16. Ramos M.V. Biosynthesis and structural lectin features of the Phaseoleae, Diocleinae and Vicieae (Leguminosae = Fabaceae) under a phylogenetic perspective // J. of Comparative Bilogy. - 1997. -К 2. - P. 129-137.
17. Trombetta E.S., Helenius A. Lectins as chaperones in glycoprotein folding // Current Opinion in Structural Biology. - 1998. -К 8. - P. З87-З92.
18. Van Damme E.J.M., Peumans W.J., Barre A., Rouge P. Plant Lectins: a composite of several distinct families of structurally and evolutionarily related proteins with diverse biological roles // Critical Reviews in Plant Sciences. - 1998. -К 17. - P. З7З-692.
19. Lotan R. Differentiation-associated modulation of lactoside binding lectins in cancer cells. In H. Gabius and S. Gabius (Eds.), Lectins and cancer // Berlin: Springer-Verlag, 1983. - P. ^3-169.
20. Howard D.R. Carcinoma-assosiated cytostructural antigenic alterations: detection by lectin binding // Cancer. - 1981. - Vol. 47. - К 12. - P. 2872-2877.
21. Paljarvi l., Karjalainen K., Kalimo H. Lectin histochemistry of normal and diseased human muscle // Acta Neurol. Scand. - 1982. - Vol. 6З, Suppl. 90. - P. 248-2З0.
22. Ogawara M., Utsugu M., Yamazaki M., Sone S. Induction of human monocyte-mediated tumor cell killing by a plant lectin, wheat germ agglutinin // Japanese J. of Cancer Research (Gann). -198З. - Vol. 76. - К 11. - Р. 1107-1114.
23. Nachbar M., Oppenheim J. Lectins in the United States Diet: a survey of lectins in commonly consumed foods and a review of the literature // The American J. of Clinical Nutrition. - 1980. - Vol. 33. -К
11. - P. 2338-234З.
Кафедра биохимии и технической микробиологии
Поступила 27.10.04 г.
