Введение

Трехалоза (от турецкого tıgala – сахар, получаемый из коконов насекомых + ose) – это сахар, состоящий из двух молекул глюкозы. Он также известен как микоза или тремалоза. Некоторые бактерии, грибы, растения и беспозвоночные животные синтезируют его как источник энергии, а также для выживания в условиях замораживания и обезвоживания. Раньше извлечение трехалозы было сложным и дорогостоящим процессом, но около 2000 года компания Hayashibara (Окаяма, Япония) разработала недорогой метод извлечения из крахмала. Трехалоза обладает высокой влагоудерживающей способностью и используется в пищевой промышленности, косметике и в медицине. Разработанная в 2017 году технология с использованием трехалозы позволяет хранить сперму при комнатной температуре.

Структура

Трехалоза — дисахарид, образованный α,α-1,1-гликозидной связью между двумя молекулами α-глюкозы. В природе она встречается как в форме дисахарида, так и в качестве мономера в некоторых полимерах. В промышленности трехалозу получают из кукурузного крахмала.

Химические

Трехалоза – это нередуцирующий сахар, образованный из двух молекул глюкозы, соединенных α-1,1-гликозидной связью, что и обуславливает её название. Эта связь делает трехалозу очень устойчивой к кислотному гидролизу, поэтому она стабильна в растворе при высоких температурах, даже в кислых условиях. Связь удерживает нередуцирующие сахара в циклической форме, благодаря чему альдегидные или кетоновые группы не взаимодействуют с лизиновыми или аргининовыми остатками белков (процесс, называемый гликированием). Растворимость трехалозы ниже, чем у сахарозы, за исключением высоких температур (>80 °C). Трехалоза образует ромбовидные кристаллы в виде дигидрата и в этой форме содержит 90% калорийности сахарозы. Безводные формы трехалозы легко поглощают влагу, превращаясь в дигидрат. Безводные формы трехалозы могут проявлять интересные физические свойства при нагревании. Водные растворы трехалозы демонстрируют тенденцию к кластеризации, зависящую от концентрации. Благодаря способности образовывать водородные связи, молекулы трехалозы самоассоциируются в воде, формируя кластеры различных размеров. Молекулярно-динамическое моделирование показало, что при концентрациях 1,5–2,2 молярных трехалозные молекулярные кластеры образуют проницаемую сеть и формируют крупные, непрерывные агрегаты. Трехалоза непосредственно взаимодействует с нуклеиновыми кислотами, способствуя денатурации двухцепочечной ДНК и стабилизируя одноцепочечные нуклеиновые кислоты.

Биологические

Организмы, от бактерий и дрожжей до грибов, насекомых, беспозвоночных, а также низших и высших растений, обладают ферментами, способными синтезировать трехалозу. Трехалоза является основным углеводным резервом энергии, используемым насекомыми для полета. Это может быть связано с тем, что при расщеплении гликозидной связи трехалозы под действием трехалазы насекомых высвобождаются две молекулы глюкозы, необходимые для обеспечения высокой энергетической потребности полета. Это вдвое эффективнее высвобождения глюкозы из крахмала – полимера запаса, где расщепление одной гликозидной связи дает лишь одну молекулу глюкозы. У растений трехалоза встречается в семенах подсолнечника, луннике, растениях селагинеллы и морских водорослях. Среди грибов она широко распространена в некоторых видах, таких как шиитаке (Lentinula edodes), вешенка, королевская вешенка и энокитаке. Даже в растительном царстве селагинелла (иногда называемая растением-воскресением), растущая в пустынных и горных районах, может высыхать и растрескиваться, но после дождя вновь зеленеет и оживает благодаря функции трехалозы. В бактериальной клеточной стенке трехалоза выполняет структурную роль, участвуя в адаптивных реакциях на стресс, например, при осмотических изменениях и экстремальных температурах. Дрожжи используют трехалозу как источник углерода в ответ на абиотические стрессовые факторы.

Пищевые и диетические свойства

Трехалоза быстро расщепляется на глюкозу ферментом трехалазой, который присутствует в ворсинчатом крае кишечной слизистой оболочки всеядных (включая человека) и травоядных животных. Она вызывает меньшее повышение уровня сахара в крови, чем глюкоза. Трехалозу часто используют в готовых замороженных продуктах, например, в мороженом, поскольку она понижает температуру замерзания продуктов.

Метаболизм

Для трехалозы описано пять путей биосинтеза. Наиболее распространенным является путь TPS/TPP, используемый организмами, синтезирующими трехалозу с помощью фермента трехалозо-6-фосфатсинтазы (TPS). Второй путь – трехалозосинтаза (TS) в определенных типах бактерий, способная производить трехалозу, используя мальтозу и другой дисахарид, состоящий из двух единиц глюкозы, в качестве субстратов. Третий путь, TreY/TreZ, в некоторых бактериях преобразует крахмал, содержащий мальтолигосахариды или гликоген, непосредственно в трехалозу. Четвертый путь, в примитивных бактериях, использует трехалозоглицилтрансферазу (TreT) для производства трехалозы из ADP-глюкозы и глюкозы. Пятый путь – трехалозофосфорилаза (TreP), которая либо гидролизует трехалозу до глюкозо-1-фосфата и глюкозы, либо может действовать обратимо у некоторых видов. Позвоночные не обладают способностью синтезировать или запасать трехалозу. У человека трехалаза обнаруживается только в определенных локализациях, таких как слизистая оболочка кишечника, каемчатая оболочка почек, печень и кровь. Экспрессия этого фермента у позвоночных впервые обнаруживается в период гестации и достигает максимума после отлучения от груди. Затем уровень трехалазы остается постоянным в кишечнике на протяжении всей жизни. При этом, диеты, состоящие из растений и грибов, содержат трехалозу. Умеренное количество трехалозы в рационе необходимо, а ее недостаток может привести к диарее или другим симптомам со стороны кишечника.

Медицинское применение

Трехалоза является ингредиентом, наряду с гиалуроновой кислотой, в препарате искусственных слез, используемом для лечения сухого глаза. Вспышки Clostridium difficile изначально связывали с трехалозой. Этот факт был оспорен в 2019 году. В 2021 году FDA приняло заявку на проведение клинических исследований нового лекарственного средства (IND) и предоставило статус ускоренного рассмотрения для инъекционной формы трехалозы (SLS 005) в качестве потенциального метода лечения спиноцеребелярной атаксии 3 типа (SCA3).

История

В 1832 году Х. А. Л. Виггерс обнаружил трехалозу в спорынье ржи, а в 1859 году Марселин Бертелло выделил ее из манны Трехалы, вещества, производимого злаковыми жуками, и назвал ее трехалозой. Трехалоза давно известна как индуктор аутофагии, действующий независимо от mTOR. В 2017 году было опубликовано исследование, показавшее, что трехалоза индуцирует аутофагию путем активации TFEB – белка, выступающего в роли главного регулятора пути аутофагии-лизосомы.