Липополисахариды бактерий: строение и свойства¶

Липополисахариды бактерий — класс крупных амфифильных молекул, входящих в состав наружной мембраны грамотрицательных бактерий и являющихся основным компонентом их клеточной стенки. Липополисахариды выполняют структурную функцию, обеспечивая барьерную проницаемость, и одновременно служат мощным фактором патогенности: при попадании в кровоток они вызывают системную воспалительную реакцию (эндотоксиновый шок). В научной литературе термин «липополисахарид» часто используется как синоним эндотоксина.

¶Строение

Молекула липополисахарида состоит из трёх ковалентно связанных доменов: липида А, корового олигосахарида и О-специфической полисахаридной цепи.

¶Липид А

Липид А — гидрофобное якорное звено, погружённое в наружный липидный слой мембраны. Он представляет собой глюкозаминил-глюкозаминовый дисахарид, фосфорилированный по остаткам сахаров и ацилированный жирными кислотами (обычно C12–C16). Именно липид А распознаётся иммунной системой млекопитающих через рецепторный комплекс TLR4/MD-2 и отвечает за эндотоксическую активность всей молекулы. Число и длина ацильных цепей, а также степень фосфорилирования варьируют между видами бактерий и определяют силу иммунного ответа.

¶Коровый олигосахарид

Коровый (R-область) — олигосахарид, соединяющий липид А с О-цепью. Он состоит из двух частей: внутреннего ядра (остатки 2-кето-3-дезоксиоктоновой кислоты, или KDO, и гептозы) и внешнего ядра (гексозы — глюкоза, галактоза, N-ацетилглюкозамин). Внутреннее ядро, особенно KDO, высококонсервативно и необходимо для жизнеспособности бактерии; мутации по генам синтеза KDO летальны.

¶О-специфическая цепь

О-антиген — длинный повторяющийся полисахарид, выступающий наружу от клеточной поверхности. Состоит из повторяющихся олигосахаридных звеньев (от 1 до 40 повторов), состав которых уникален для каждого серотипа бактерий. О-цепь придаёт молекуле гидрофильность, защищает бактерию от комплемента и фагоцитоза, а также определяет серологическую специфичность (например, у кишечной палочки известно более 180 О-серотипов).

¶Физико-химические свойства

Липополисахариды — амфифильные соединения: гидрофильная полисахаридная часть обеспечивает растворимость в воде, гидрофобный липид А — сродство к мембранам. В водных растворах молекулы образуют мицеллы и везикулы. Молекулярная масса варьирует от 2–3 кДа (у R-форм, лишённых О-цепи) до 20–30 кДа (у S-форм с длинным О-антигеном). Липополисахариды термостабильны (выдерживают автоклавирование при 120 °C), устойчивы к действию нуклеаз и протеаз, но разрушаются щелочным гидролизом, отщепляющим ацильные цепи липида А.

¶Биологическая роль и патогенез

У бактерий липополисахариды выполняют функции:

• структурного каркаса наружной мембраны;
• барьера для гидрофобных антибиотиков, жёлчных солей и детергентов;
• защиты от бактериофагов и факторов иммунитета.

У млекопитающих липополисахарид — лиганд для TLR4. Связывание с рецептором запускает каскад сигнальных путей (NF-κB, MAPK), ведущий к продукции провоспалительных цитокинов (TNF-α, IL-1, IL-6). В малых дозах это вызывает активацию иммунитета (пирогенный эффект), в больших — системную воспалительную реакцию, диссеминированное внутрисосудистое свёртывание и септический шок. Химическая модификация липида А (например, деацилирование) снижает токсичность, что используется при создании вакцин-адъювантов.

¶Классификация и варианты

По структуре О-цепи различают:

• S-формы (гладкие) — содержат полную О-специфическую цепь;
• R-формы (шероховатые) — лишены О-цепи, имеют только липид А и коровый олигосахарид; характерны для мутантных штаммов, например у бактерий рода Neisseria.

Отдельно выделяют липоолигосахариды — низкомолекулярные варианты без повторяющихся звеньев, встречающиеся у Haemophilus influenzae, Campylobacter jejuni и др. У некоторых бактерий (например, Francisella tularensis) липид А слабо ацилирован, что снижает его распознавание TLR4 и способствует скрытой инфекции.

¶Применение в науке и медицине

Липополисахариды широко используются в экспериментальной иммунологии как стандартный стимулятор врождённого иммунитета. Производные липида А (например, монофосфорил-липид А) применяются в составе адъювантов вакцин (включая вакцины против гепатита В и ВПЧ). Детекция липополисахаридов в крови (LAL-тест, тест на эндотоксин) — обязательный контроль качества парентеральных лекарственных средств и медицинских изделий.

¶Интересные факты

• Липополисахариды не встречаются у грамположительных бактерий, архей и эукариот; их наличие — диагностический признак грамотрицательных видов.
• За открытие эндотоксической природы липополисахаридов и их роли в патогенезе лихорадки в 1912 году немецкий врач Рихард Пфайффер ввёл термин «эндотоксин».
• О-антиген липополисахаридов Vibrio cholerae и Shigella используется для создания конъюгированных вакцин.

¶Источники

• Rietschel E. T., Brade H. Bacterial endotoxins // Scientific American. — 1992.
• Raetz C. R. H., Whitfield C. Lipopolysaccharide endotoxins // Annual Review of Biochemistry. — 2002.
• Caroff M., Karibian D. Structure of bacterial lipopolysaccharides // Carbohydrate Research. — 2003.
• Молекулярная биология клетки / Албертс Б. и др. — М., 2013.