Знание-сила, 2003 № 04 (910)
Шрифт:
Сложные молекулы сахаров, способствующие «работе» жизни, строятся из простых сахарных молекул — моносахаридов (к ним относятся глюкоза и порядка десяти других соединений). Два кольца моносахаридов могут, соединившись, образовать дисахариды, другой базовый блок для сложных сахаров. При этом два моносахарида могут соединиться под разными пространственными углами, образуя разные молекулы. Но особенно сложные и разнообразные соединения возникают, когда моносахариды и дисахариды соединяются вместе, образуя полисахариды, которые, в свою очередь, формируют гигантские структуры сложных сахаров. Эти массивные молекулы, которые могут состоять из двухсот и более составляющих единиц, представляют собой не только
Трудно вообразимая сложность соединений сложных сахаров служит одной из причин, по которым ученые затрудняются в понимании структур и функций сложных сахаров. Например, конфигурация сахара самогликан, состоящего всего из шести базовых единиц, имеет до 12 миллиардов возможных вариантов. При этом исследователи пока даже не представляют, какие из этих возможностей в действительности используются природой.
И лишь по мере недавних открытий в генетике становится все более очевидной важная роль сахаров. Хотя сами гены не кодируют сахара, как они кодируют белки, но они кодируют те ферменты, которые организм использует для производства сахаров. Именно изучение этих ферментов открыло ученым глаза на ту жизненно важную роль, которую играют сахара в природе. Кардинальный переворот произошел в конце 1980-х годов, когда впервые был изолирован ген гликозил-трансферазы, фермента, добавляющего сахара к жирам и белкам (этот процесс называется гликозилацией). В 1994 году группа ученых в лаборатории Калифорнийского университета в Сан-Диего обнаружила, что у мышиного зародыша, у которого был дезактивирован один из таких ферментов, развилось бесформенное сердце, и зародыш умер до рождения. В той же лаборатории нашли, что другая мутация в гликозил-ферменте вызывает у мыши аутоиммунную болезнь, напоминающую волчанку у людей, когда иммунные клетки атакуют многие из собственных тканей.
И это относится не только к мышам. У людей, у которых отсутствует ключевой сахар на белке трансферине, доставляющем железо в клетки, возникает множество проблем, включая запоздалое умственное и физическое развитие, почечную недостаточность и ненормальный вид кожного покрова. Исследователи предполагают, что патология может возникнуть в результате неправильного присоединения сахарных цепей к белкам. Начиная с середины 1990-х годов, тринадцать различных генетических нарушений были определены как врожденные нарушения в гликозилации.
Но еще более распространенные болезни оказываются связанными с сахарами. Так, все люди с ревматоидным артритом имеют дефект в ферменте, прикрепляющем сахар галактозу к антителу. Отсутствие сахаров в белках на поверхности клетки вызывает некоторые формы мышечной дистрофии. Группа шведских ученых идентифицировала сахарный рецептор, позволяюший бактерии Helicobacter pylory внедряться в слизистую оболочку желудка, вызывая язву и рак.
Исследования последовательности человеческих генов в геноме тоже подтверждают мысль о ключевой роли сахаров. Большое количество наших генов кодирует ферменты, связанные с гликозилацией. На данный момент идентифицированы уже несколько сот таких генов.
Весь этот в корне изменившийся в последнее время подход к сахарам и их роли в функционировании организма убедил Американский национальный институт здоровья выделить 34 миллиона долларов на пять лет Консорциуму функциональных гликомов — интернациональной междисциплинарной группе по изучению биологии сахара в живых клетках.
Конечно, эта волна интереса к сахарам поддерживается применением новых средств для их изучения. Так, недавно, как сообщили ученые Массачусетского технологического института. объединение
Исследование потенциальных возможностей биологической активности сахаров стимулируется новыми химическими способами синтезирования их молекул. До недавнего времени единственным источником таких сахаров были растения или животные ткани, извлечение сахара из которых, учитывая небольшое количество таких молекул, представляет большие трудности. В этом году в том же Массачусетском технологическом институте изобретен автоматизированный синтесайзер, способный построить цепи и ветви сахара из двенадцати основных ед и ниц в сто раз быстрее, чем это было возможно ранее.
Эта возможность уже используется в поисках новой вакцины против малярийного паразита путем подготовки организма к нейтрализации выделяемого паразитом токсина до того, как он разрушит красные кровяные клетки. На малярийном токсине был найден особый сахар. Ученые построили с помощью синтесайзера сахар, почти идентичный этому, в надежде, что он вызовет нужный иммунный ответ. Опыты на мышах уже показали, что после вливания такого сахара до 75 процентов мышей преодолели смертоносное действие токсина, выделяемого паразитом, по сравнению с неполными 9-ю процентами среди неиммунизированной группы.
Другие исследователи занимаются ролью сахаров у бактерий, вирусов и других патогенов. Так, вирус инфлюэнцы использует фермент, именуемый гликосидаза, чтобы освобождать новорожденные вирусы из сахарного покрытия клетки. Испытанное недавно лекарство успешно сократило приступ болезни путем блокирования этого фермента, что останавливало распространение вирусов от клетки к клетке.
Исследователи изучают также сахарные соединения, меняющие способность бактерии чувствовать пищу в своем окружении, которая стимулирует ее размножение и рост. Задача ученых — найти «обманку», которая не даст бактерии «учуять» пищу, и этим не дать ей возможности вызвать болезнь.
Получение структур и последовательностей отдельных сахаров — это лишь половина дела на пути к созданию лекарств на основе сахаров. Ведь в организме сахара существуют в виде сочетаний несколько различных форм. Так, к одному белку могут быть присоединены десять слегка отличных друг от друга сахаров, и почти невозможно разделить их, используя стандартную технику.
Иначе говоря, каждая клетка в организме может представить на своей поверхности семейство сахаров с родственными, но слегка различными членами. Более того, определенный клеточный гликом может находиться в состоянии постоянных изменений. Клетки могут слегка изменять свое сахарное покрытие, выдвигая на поверхность другие молекулы, в качестве реакции, скажем, на патогены или другие изменения окружающей их среды.
Чтобы понять этот процесс, биологи должны изучить, как клетки производят и модифицируют свои сахара. На данный момент им известно об этом совсем немного. Для сахаров нет такого простого рецепта изготовления, как для, например, белков. Сахара производятся на несколько таинственной линии для сбора ферментов в аппарате Гольджи, особой внутриклеточной фабрике, где к уже синтезированному белку добавляются финальные «сахарные штрихи». Дабы еще более усложнить картину, разные виды ферментов используются для производства разных видов сахаров: те, которые добавляют сахара к межклеточным перегородкам, отличны от тех, которые лобааляют сахара к белкам, покрывающим клетки.