Введение

Белки, связывающие углеводы

Лектины – это белки, связывающие углеводы, обладающие высокой специфичностью к сахарным группам, входящим в состав других молекул, что вызывает агглютинацию определенных клеток или осаждение гликоконъюгатов и полисахаридов. Лектины играют роль в распознавании на клеточном и молекулярном уровнях и участвуют во множестве биологических процессов распознавания, включающих клетки, углеводы и белки. Лектины также опосредуют прикрепление и связывание бактерий, вирусов и грибков с их целевыми объектами. Лектины содержатся во многих продуктах питания. Некоторые продукты, такие как бобовые и злаки, необходимо подвергать термической обработке, ферментации или проращиванию для снижения содержания лектинов. Некоторые лектины полезны, например CLEC11A, который стимулирует рост костей, в то время как другие могут быть сильными токсинами, такими как рицин. Лектины могут быть нейтрализованы специфическими моно- и олигосахаридами, которые связываются с поступившими с пищей лектинами из злаков, бобовых, пасленовых и молочных продуктов; такое связывание может предотвратить их прикрепление к углеводам в клеточной мембране. Селективность лектинов делает их полезными для анализа группы крови, и они изучаются на предмет потенциального применения в генетически модифицированных культурах для передачи устойчивости к вредителям.

Биологические функции

Лектины могут связываться с растворимым углеводом или с углеводным фрагментом, являющимся частью гликопротеина или гликолипида. Как правило, они вызывают агглютинацию определенных клеток животных и/или осаждение гликоконъюгатов. Большинство лектинов не проявляют ферментативной активности.

Растения

Функция лектинов в растениях (лектин бобовых) до сих пор остается неясной. Ранее предполагалось, что они необходимы для связывания ризобий, однако эта гипотеза была опровергнута в ходе исследований трансгенов с нокаутом гена лектина. Высокая концентрация лектинов в семенах растений снижается по мере роста, что указывает на их роль в прорастании семян и, возможно, в самом выживании семени. Считается также, что лектины участвуют в связывании гликопротеинов на поверхности паразитических клеток. Было установлено, что некоторые растительные лектины распознают не углеводные лиганды, преимущественно гидрофобные, такие как аденин, ауксины, цитокинины и индолуксусная кислота, а также водорастворимые порфирины. Эти взаимодействия могут иметь физиологическое значение, поскольку некоторые из этих молекул действуют как фитогормоны. Лектинорецепторные киназы (LecRK) предположительно распознают молекулярные паттерны, связанные с повреждением (DAMP), которые образуются или высвобождаются при нападении травоядных. У Arabidopsis клада 1 лектинорецепторных киназ бобового типа содержит 11 белков LecRK. Сообщалось, что LecRK 1.8 распознает внеклеточные молекулы NAD, а LecRK 1.9 – внеклеточные молекулы ATP.

Бактерии и вирусы

Некоторые вирусные гликопротеины вируса гепатита С могут прикрепляться к C-типу лектинов на поверхности клеток-хозяев (клеток печени), чтобы начать инфекцию. Чтобы избежать удаления из организма врожденной иммунной системой, патогены (например, вирусные частицы и бактерии, инфицирующие клетки человека) часто экспрессируют поверхностные лектины, известные как адгезины и гемагглютинины, которые связываются с тканеспецифичными гликанами на поверхностных гликопротеинах и гликолипидах клеток-хозяев. Многие вирусы, включая вирус гриппа и несколько вирусов семейства Paramyxoviridae, используют этот механизм для связывания и проникновения в клетки-мишени.

В медицине и медицинских исследованиях

Очищенные лектины важны в клинической практике, поскольку они используются для определения группы крови. Некоторые гликолипиды и гликопротеины на эритроцитах человека могут быть идентифицированы с помощью лектинов. Лектин из Dolichos biflorus используется для идентификации клеток, относящихся к группе крови A1. Лектин из Ulex europaeus используется для идентификации антигена группы крови H. Лектин из Vicia graminea используется для идентификации антигена группы крови N. Лектин из Iberis amara используется для идентификации антигена группы крови M. Лектин из кокосового молока используется для идентификации антигена Theros. Лектин из Carex используется для идентификации антигена R. В нейронауке метод антероградной маркировки используется для прослеживания пути эфферентных аксонов с помощью PHA-L, лектина из почечной фасоли. Лектин (BanLec) из бананов ингибирует ВИЧ-1 in vitro. Ахилектины, выделенные из Tachypleus tridentatus, демонстрируют специфическую агглютинирующую активность в отношении эритроцитов группы А человека. Анти-B агглютинины, такие как анти-BCJ и анти-BLD, выделенные соответственно из Charybdis japonica и Lymantria dispar, ценны как для рутинного определения группы крови, так и для исследовательских целей.

При изучении распознавания углеводов белками

Лектины из бобовых растений, такие как PHA или конканавалин А, широко используются в качестве модельных систем для изучения молекулярных основ распознавания углеводов белками, поскольку их относительно легко получить и они обладают широким спектром специфичности к сахарам. Многочисленные кристаллические структуры лектинов бобовых позволили получить детальное представление об атомных взаимодействиях между углеводами и белками. Лектины семян бобовых изучались на предмет их инсектицидного потенциала и показали негативное влияние на развитие вредителей.

Как биохимический инструмент

Конканавалин А и другие коммерчески доступные лектины широко используются в аффинной хроматографии для очистки гликопротеинов. В целом, белки могут быть охарактеризованы по гликоформам и структуре углеводов с помощью аффинной хроматографии, блоттинга, аффинного электрофореза и аффинного иммуноэлектрофореза с использованием лектинов, а также в микрочипах, например, в микрочипе лектинов с эвансцентной флуоресценцией.

В биохимической войне

Одним из примеров мощных биологических свойств лектинов является биохимическое оружие рицин. Белок рицин выделяют из семян клещевины и он состоит из двух белковых доменов. Абрин, содержащийся в горохе-жеквайрите, схож по структуре: один домен представляет собой лектин, который связывается с галактозильными остатками на поверхности клеток и обеспечивает проникновение белка внутрь клеток. Второй домен – это N-гликозидаза, расщепляющая нуклеотидные основания рибосомальной РНК, что приводит к ингибированию синтеза белка и гибели клеток.

Диетический лектин

Лектины широко распространены в природе, и многие продукты питания содержат эти белки. Некоторые лектины могут быть вредны при недостаточной термической обработке или употреблении в больших количествах. Наиболее активны они в сыром виде, поскольку кипячение, тушение или вымачивание в воде в течение нескольких часов может сделать большинство лектинов неактивными. Однако приготовление сырых бобов при низкой температуре, например, в медленноварке, не удаляет все лектины. Некоторые исследования показали, что лектины могут препятствовать усвоению определенных минералов, таких как кальций, железо, фосфор и цинк. Связывание лектинов с клетками пищеварительного тракта может нарушать расщепление и всасывание некоторых питательных веществ, и поскольку они связываются с клетками в течение длительного времени, существует теория, что они могут играть роль в определенных воспалительных заболеваниях, таких как ревматоидный артрит и диабет 1 типа. Однако исследования, подтверждающие утверждения о долгосрочном влиянии на здоровье человека, ограничены, и большинство существующих исследований проводились в развивающихся странах, где недоедание может быть фактором, или выбор продуктов питания ограничен. Д'Адамо не предоставил никаких научных доказательств или опубликованных данных в поддержку своих утверждений, и его диету критиковали за неточные заявления о биохимии. Стивен Гандри предложил диету, исключающую лектины, в своей книге «Парадокс растений» (2017). Она исключает широкий спектр распространенных продуктов, включая цельнозерновые, бобовые и большинство фруктов, а также пасленовые овощи: помидоры, картофель, баклажаны, сладкий перец и острый перец чили. Утверждения Гандри о лектинах считаются псевдонаукой. В его книге приводятся исследования, не имеющие отношения к лектинам, и некоторые из них показывают, вопреки его рекомендациям, что отказ от цельных зерен пшеницы, ячменя и ржи может привести к увеличению количества вредных бактерий и уменьшению количества полезных.

Токсичность

Лектины – это лишь один из множества токсичных компонентов, содержащихся во многих сырых растениях, которые разрушаются при правильной обработке и приготовлении (например, при термической обработке или ферментации). Так, сырая фасоль содержит естественным образом токсичные уровни лектинов (например, фитогемагглютинина). Неблагоприятные последствия могут включать дефицит питательных веществ и иммунные (аллергические) реакции.

Гемаглютинация

Лектины рассматриваются как крупное семейство белковых антинутриентов – специфических белков, связывающих сахара и демонстрирующих обратимую активность связывания с углеводами. Лектины, подобно антителам, способны вызывать агглютинацию эритроцитов. Было доказано, что многие семена бобовых содержат высокую лектинную активность, известную как гемагглютинация. Соя является наиболее важной зернобобовой культурой в этой категории. Ее семена содержат высокую активность соевых лектинов (соевого агглютинина, или SBA).

История

Задолго до глубокого понимания их многочисленных биологических функций, растительные лектины, также известные как фитогемагглютинины, отмечались своей особенно высокой специфичностью к чужеродным гликоконъюгатам (например, грибковым и животным) и использовались в биомедицине для анализа клеток крови и в биохимии для фракционирования. Хотя они были впервые обнаружены более 100 лет назад в растениях, сейчас известно, что лектины встречаются повсеместно в природе. Считается, что первое описание лектина было дано Петером Германом Стиллмарком в его докторской диссертации, представленной в 1888 году в Университете Дерпта. Стиллмарк выделил рицин, чрезвычайно токсичный гемагглютинин, из семян касторового растения (Ricinus communis). Первым лектином, очищенным в больших масштабах и поступившим в коммерческую продажу, был конканавалин А, который в настоящее время является наиболее часто используемым лектином для характеристики и очистки содержащих сахара молекул и клеточных структур. Лектины бобовых, вероятно, являются наиболее хорошо изученными.