Заключение Морские водоросли – источник необычных полисахаридов А.И. Усов Институт органической химии им. Н.Д.Зелинского РАН Использование полисахаридов морских водорослей. • Эмульгаторы, стабилизаторы, желирующие агенты *пищевая промышленность *текстильная промышленность *фармацевтическая промышленность *биотехнология * медицина *др. • Фикоколлоиды: Агары и каррагинаны из красных водорослей Альгиновые кислоты из бурых водорослей Биологически активные вещества Сульфатированные полисахариды *Виды биологической активности: антикоагулянтная противоопухолевая противовирусная противовоспалительная Бурые водоросли - фукоиданы Красные водоросли - галактаны , маннаны Зеленые водоросли - ? Систематика водорослей 50-летней давности КРАСНЫЕ ВОДОРОСЛИ – ИСТОЧНИК СУЛЬФАТИРОВАННЫХ ГАЛАКТАНОВ (АГАРА, КАРРАГИНАНА И ДР.) Источник высококачественного агара – Ahnfeltia plicata Галактаны красных водорослей Полисахариды построены из дисахаридных повторяющихся звеньев: [A В положении А всегда 3связанная β-Dгалактопираноза B]n В положении В 4-связанная αгалактопираноза или 3,6-ангидрогалактопираноза, имеющая D- или Lконфигурацию Гидроксильные группы могут быть метилированы, сульфатированы, гликозилированы остатками D-ксилозы, 4-О-метил-L-галактозы, Dглюкуроновой кислоты и могут участвовать в образовании циклических кеталей пировиноградной кислоты Базовые структуры галактанов красных водорослей HO O O HOCH2 CH2OH OH O O OH OH HO агаран CH2OH HO O HO O O O OH CH2OH O O O O агароза CH2OH OH O HO OH каррагинан HO CH2OH O O O O OH каррагиноза O OH Полисахариды группы агара R3O CH2OR4 O O O OH RO O R = H или Me R1 = H, Me или β-D-Xylp R2 = H или SO3R3 = H или SO3R4 = H, Me, SO3-, β-D-Xylp или 4-O-Me-α-L-Galp R3, R4 = HOOC C Me O R3O O R OCH2 CH2OR4 2 O OR1 O O OH OR HO HO CH2OH O O HO O CH2OH O O O HO O O OH OH O O агароза HO CH2OH O O HO O OH O O HO O O3SOCH2 CH2OMe O OH O O OH порфиран OH Структуры некоторых каррагинанов - - O3SO O CH2OH O CH2OH O O O O O3SO OH OH OH O3SO HO мю-каррагинан - O CH2OH O O3SO CH2OH O O O O CH2OSO3O HO каппа-каррагинан - O O O O OH OH OSO3- CH2OSO3O HO иота-каррагинан -O 3SO ню-каррагинан HO HO O CH2OH O O O O O O - - OSO3 CH2OH O OSO3- OSO3 HO тета-каррагинан CH2OSO3O - O3SO ламбда-каррагинан Схема образования геля при переходе молекул полисахарида из конформации хаотического клубка в частично упорядоченные спиральные структуры (а) Модель Риса (б) Модель Смидсрода Сильно модифицированные полисахариды группы агара CERAMIALES Polysiphonia morrowii - 6-сульфат агарозы, сульфатированные звенья собраны в блоки HO HO CH2OSO3- HO O O O CH2OH HO O O O O O OH OH O O m n Laurencia nipponica HO CH2OH HO O HO -O O O O O3SO3SOCH2 O O CH2OH OH O O - звенья-предшественники 3,6-ангидрогалактозы ксилозилированы по О-3 O O OSO3- O OH OH HO Neorhodomela larix - сосуществование структурных фрагментов агара и каррагинана в одной молекуле HO HO CH2OR1 O O R2O O CH2OR1 O O O OH O m O OH -O SO 3 CH2OH O n HO R1 = H or SO3-, R2 = H or Me Гипотетическая последовательность стадий биосинтеза полисахарида группы агара X O HO HO n OH CH2OH O OH O HO OH CH2OH O Полимеризация O HO HO OH OH O O OH O HO HO OH CH2OH O OH O O OH O3SOCH2 CH2OH OH O O HO Сульфатирование O OH HO O O3SOCH2 CH2OH OH O O OH HO HO O CH2OH HO O O O O OH Элиминирование сульфата HO CH2OH O O O O OH OH O O Дальнейшие модификации (метилирование и т.д.) O OH Возможный путь биосинтеза DL-гибрида X m O OH CH2OH O CH2OH O HO HO HO OH +n O HO O HO CH2OH OH O HO OH OH X Сополимеризация предшественников, различающихся абсолютной конфигурацией 4-связанного остатка галактозы HO CH2OH O O O CH2OH OH HO HOCH2 O OH CH2OH O O HO OH OH O O OH DL-гибрид Полисахариды пальмариевых водорослей PALMARIALES O O HO OH O O HO O HO O O O OH HO OH OH Devaleraea Halosaccion Palmaria нейтральные линейные (1-3,1-4)-β-D-ксиланы HO -O 3SOCH2 CH2OMe O OH O O O OH OH HO CH2OH O HOCH2 OMe O O OH O OH Сульфатированный и метилированный агаран из Palmaria stenogona Уникальные полисахариды немалиевых водорослей NEMALIALES OH HOCH2 -O O 3SO O OH -O3SOCH2 O O HO O HO O HO OH Galaxaura Liagora Nemalion Nothogenia O HOCH2 O O HO сульфатированные ксиломаннаны O HO OH O HO O HO O OH O O O OH HO OH нейтральные линейные (1-3,1-4)-β-D-ксиланы Уникальные полисахариды кораллиновых водорослей CORALLINALES O HO O HO HO RO CH2 O HOCH2 O O O OR OR OH HO CH2OR O HOCH2 O O O OR R = H, Me, or SO3- OR OH "КOРАЛЛИНАНЫ " - частично метилированные, сульфатированные и ксилозилированные агараны HOOC O HO OH O HOOC O HO OH O COOH O OH COOH O O OH OH O АЛЬ ГИНОВЫ Е КИСЛОТЫ OH (ранее известные только как компоненты бурых водорослей и некоторых бактерий) Полисахариды в разных порядках Rhodophyta Порядок BANGIALES NEMALIALES GELIDIALES CORALLINALES CRYPTONEMIALES GRACILARIALES GIGARTINALES RHODYMENIALES PALMARIALES CERAMIALES Специфические водорастворимые полисахариды Частично метилированные гибриды агарана и агарозы (“порфираны”) Сульфатированные ксиломаннаны и нейтральные ксиланы Типичные агары Сульфатированные и метилированные ксилогалактаны группы агара и альгиновые кислоты Сложные сульфатированные галактаны (DLгибриды), модифицированные агары и каррагинаны Агары и модифицированные агары Типичные каррагинаны Сложные сульфатированные галактаны (DLгибриды) Нейтральные ксиланы и галактаны группы агара Высокомодифицированные галактаны группы агара и DL-гибриды Бурые водоросли: альгиновые кислоты 25 Последовательность и конформации моносахаридных остатков в молекулах альгиновых кислот H OOC O OH O COOH HO O OH O HO H OOC OH O OH O O OH O OH M M G COOH G -M-M-M-M-M-M-M-G-M-G-M-G-M-G-M-G-G-G-G-G-G- Гелеобразование в альгинатах с участием ионов Са2+ (egg-box model) + Ca 2 O O- OH OH O O OH O O OH O Ca Ca OO Ca Ca Ca Ca Ca Ca Ca Иммобилизация клеток, производящих инсулин, в геле альгината Бурые водоросли: фукоиданы Примеры биологической активности фукоиданов •Антикоагулянтная •Антивирусная •Антиадгезивная •Антиангиогенная •Противовоспалительная •Противоопухолевая •Иммуномодулирующая •Контрацептивная Фукусы на литорали Белого моря Структура фукоидана из водоросли Fucus distichus O CH3 OH B O Methanol O CH3 OSO3- 6B 6A - OSO3 O -O SO 3 A 5A n 3B 5B 4B 2A 1A 1B 2B 4A 3A Fucf-6C CH3CO CH3CO 170 160 150 140 130 120 110 100 90 M.I.Bilan et al. Carbohydr.Res., 339 (2004) 511-517. 80 70 60 50 40 30 20 ppm Структура фукоидана из Fucus evanescens Me O O R1 O Me O O Me O O Me O R2 A R1 R2 A OSO3- B OSO3- OSO3- B OSO3- R1= ~ 45% OAc, ~ 55% OH R2= ~ 61.5% OSO3 , ~ 27% OAc, ~ 11.5% OH M.I.Bilan et al. Carbohydr.Res. 337 (2002) 719-730. Структура фукоидана из Fucus serratus - - - SO3 SO3 SO3 ↓ ↓ ↓ 2 2 2 →3)-α-L-Fucp-(1→4)-α-L-Fucp-(1→ ........ →3)-α-L-Fucp-(1→4)-α-L-Fucp-(1→ | | α-L-Fucp-(1→4)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→4) 4 2 2 ↑ ↑ ↑ SO3 SO3 SO3 M.I.Bilan et al. Carbohydr.Res. 341 (2006) 238-245. Строение фукоидана из Laminaria saccharina O H3C 4-сульфаты - O3SO O OH O 1,3-связь O3SO O H3C 2-сульфат O H3C - - OSO3 O OH O - O3SO O H3C - OH H3C - OSO3 O O3SO OH O 2,3-разветвление А.И.Усов и др. Биоорган.химия 24 (1998) 437-445. 21 Структура углеводной цепи фукоидана из Chorda filum ↑ α-L-Fuc 3 ↑ α-L-Fuc →2 α-L-Fuc 3 ↑ α-L-Fuc 3 ↑ α-L-Fuc 3 ↑ α-L-Fuc 3 ↑ A.O.Chizhov et al. Carbohydr.Res. 320 (1999) 108-119. Структура фукоидана из Analipus japonicus Десульфатированный фукоидан: →3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→ 2 4 4 4 ↑ ↑ ↑ ↑ Fuc Fuc Fuc Fuc Нативный фукоидан: - - - - 4SO3 2SO3 2SO3 2SO3 →3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→3)Fuc(1→ 2 4 4 4 ↑ ↑ ↑ ↑ Fuc Fuc Fuc Fuc 2,3SO3 2,4SO3 2,4SO3 М.И.Билан и др. Биоорган.химия 33 (2007) 38-46. Углеводная цепь фукоидана из Chordaria flagelliformis α-D-GlcAp-(1→2) α-L-Fucf-(1→4)-α-D-GlcAp-(1→2) | | | | →3)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→3)-α-L-Fucp-(1→ | | α-L-Fucf-(1→2)-α-L-Fucf-(1→4)-α-D-GlcAp-(1→2) H3C HOOC OH O HO O O H3C OH O OH HO O HO HO M.I.Bilan et al. Carbohydr.Res., 343 (2008) 2605-2612. Новые данные о полисахаридном составе «фукоидана» из Laminaria saccharina →2)-α-D-Man-(1→4)-β-D-GlcA-(1→2)-α-D-Man-(1→4)-β-D-GlcA-(1→2)-α-D-Man-(1→ 3 ↑ α-L-Fuc A →3)-β-D-GlcA-(1→3)-β-D-GlcA-(1→3)-β-D-GlcA-(1→3)-β-D-GlcA-(1→3)-β-D-GlcA-(1→ 4 ↑ α-L-Fuc B →6)-β-D-Gal-(1→6)-β-D-Gal-(1→...6)-β-D-Gal-(1→6)-β-D-Gal-(1→…6)-β-D-Gal-(1→ 4 4 4 ↑ ↑ ↑ →6)-β-D-Gal-(1→6)-β-D-Gal β-D-Gal β-D-Gal 4 3 ↑ ↑ β-D-Gal α-L-Fuc C →3)-α-L-Fuc-(1→3)-α-L-Fuc-(1→3)-α-L-Fuc-(1→3)-α-L-Fuc-(1→ 3)-α-L-Fuc-(1→ 2 ↑ D α-L-Fuc Некоторые выводы: 1. Структурное разнообразие природных фукоиданов существенно выше, чем считалось ранее. Даже виды одного рода бурых водорослей могут содержать полисахариды, кардинально различающиеся по структуре и биологической активности. Комплекс сульфатированных полисахаридов, извлекаемых из данного вида водорослей, может содержать несколько различных по структуре полисахаридов. 2. Соотношение биологических активностей в исследованных фукоиданах свидетельствует, что разные активности несомненно зависят от различных структурных элементов полисахаридных молекул. Структура главной цепи фукоидана не является фактором, определяющим тип биологической активности. ПОЛИСАХАРИДЫ ЗЕЛЕНЫХ ВОДОРОСЛЕЙ Типичный представитель порядка ульвовых, Ulva armoricana Главные дисахаридные повторяющиеся звенья ульвана M.Lahaye, A.Robic. Biomacromolecules 8(6), 1765-1774 (2007) Олигосахаридные продукты ферментативного расщепления ульвана Спектры 13С-ЯМР полисахаридов из разных видов рода Ulva Представитель сифоновых водорослей, Codium yezoense Спектр 1Н-ЯМР нативного галактана из Codium yezoense CH3 O OH •Количественное определение пирувата в виде 2,4-динитрофенилгидразона HOOC O O OH 7% остатков пирувата (1 остаток ПВК:4 остатка Gal) OH H3C NaOOC O O O HO OH OH 5.0 4.8 4.6 4.4 4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 ppm 1.6 ppm Десульфатированный и депирувилированный галактан B6 A6 OH OH OH OH O O O O HO OH OH OH OH OH B OH OH OH C O O O B5 O O O OH A A2 G2 B2 OH OH OH B3 O O OH A G O O HO B1 F A5 F5 OH OH B4 A4 C4 G4 F4 A1 C1 G3 F3 F1 G1 105 100 95 90 85 C5 G5 80 75 G6 C6 70 65 ppm Строение галактана из Codium yezoense Из тихоокеанской зеленой водоросли Codium yezoense выделен сульфатированный галактан, содержащий большое количество остатков пировиноградной кислоты. Характерным фрагментом молекулы галактана является гептасахарид: Gal 1 1 Gal 3←1 Gal ↘ ↙ 3 6 Gal 1 ↑ 6 →3 Gal 1→3 Gal 1→3 Gal 1→ Остатки пировиноградной кислоты в нативном полисахариде присоединены только к концевым остаткам галактозы, главным образом в положения 3,4, и образуют кетали с S-конфигурацией: CH3 O OH HOOC O O O OH Сульфатные группы находятся преимущественно в положениях 4 остатков галактозы. Некоторые выводы: 1. Зеленые водоросли, представители рода Ulva, содержат сульфатированные рамногликуронаны, построенные из повторяющихся дисахаридных звеньев, с необычными нарушениями этого плана построения в виде дополнительных остатков уроновых кислот в повторяющемся звене. Разные виды этого рода, несомненно, содержат существенно различающиеся по строению полисахариды. 2. Зеленые водоросли, представители рода Codium, содержат сульфатированные галактаны (или арабиногалактаны), в состав которых входят остатки пировиноградной кислоты. Эти полисахариды напоминают галактаны высших растений по структуре углеводной части молекулы, содержат пятичленные кетали пировиноградной кислоты, подобно некоторым бактериальным полисахаридам, а по степени сульфатирования аналогичны другим полисахаридам морских водорослей. Эволюционное древо живых организмов по данным геносистематики Степень родства водорослей по ядерным геномам и пути приобретения ими пластид