Akceptuję
W ramach naszej witryny stosujemy pliki cookies w celu świadczenia państwu usług na najwyższym poziomie, w tym w sposób dostosowany do indywidualnych potrzeb. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień dotyczących cookies oznacza, że będą one zamieszczone w Państwa urządzeniu końcowym. Możecie Państwo dokonać w każdym czasie zmiany ustawień dotyczących cookies. Więcej szczegółów w naszej Polityce Prywatności

Zamknij X
Reklama1
Strona główna Artykuły

Niezwykłe właściwości zwykłych polisacharydów - glikozaminoglikany i ich zastosowanie w medycynie, cz. I

Glikozaminoglikany są cukrami powszechnie wystęującymi w organizmach roślinnych i zwierzęcy. Ze względu na swoje wielorakie właściwości znalazły szerokie zstosowanie, m.in w medycynie. Ponadto pełnią bardzo ważne funkcje biologiczne i fizjologiczne, co jeszcze bardziej podkreśla fakt, że są one niezwykłymi cząsteczkami.

Glikozaminoglikany (GAG) są rodzajem polisacharydów, które zbudowane są z powtarzających się jednostek . Występują  one na  powierzchni komórek oraz w zewnątrzkomórkowej substancji podstawowej organizmów zwierzęcych. Glikozaminoglukany zbudowane sa z powtarzających się jednostek dwucukrowych, w skład których wchodzi pochodna cukru. Pochodną tą jest albo glukozoamina albo galaktozoamina [9].

Ponadto, przynajmniej jeden z cukrów w powtarzającej się jednostce disacharydu ma ujemnie naładowaną grupę karboksylową bądź siarczanową. Podjednostki te w zależności od klasy glikanu, składają się z reszty N-acetylowanej heksozaminy (d-galaktozaminy lub D-glukozaminy) albo N-siarczanowanej D-glukozaminy oraz z reszty kwasu heksuronowego (D-glukuronowego lub L-iduronowego). W składzi epodjednostek można także wyróżnić galaktozę. Ponadto, w  niektórych glikozaminoglikanach wykazano  obecność reszt L-fukozy, D-mannozy, D-ksylozy i kwasu N-acetyloneuraminowego [4], [3].

Obecność znacznej liczby reszt siarczanowych i karboksylowych w disacharydowych podjednostkach, które to budują szkielet polisacharydowy GAG, nadaje łańcuchom glikozaminoglikanów charakter  tzw. polianionów. Wśród znanych GAG, kwas hialuronowy wykazuje minimalną gęstość ładunku ujemnego, ponieważ zawiera tylko jedną grupę karboksylową w pojedynczym disacharydzie.Z kolei,  maksymalną wartość ładunku ujemnego ma heparyna, która  zawiera trzy grupy siarczanowe, a także jedną  grupę karboksylową w każdej z podjednostek [4], [3].

Glikozaminoglikany (GAG) mają zdolność wiązania SO2 oraz tworzenia kompleksów z białkami (monomery proteoglikanów), które to łączą się z kwasem hialuronowym co daje makrocząsteczki proteoglikanów. Makrocząsteczki  te wypełniają przestrzenie w istocie podstawowej, wiążą wodę, przybierając postać żelu. Istota podstawowa, dzięki swojej budowie, umożliwia krążenie płynu tkankowego (tj. przesączu osocza krwi), który to pełni  funkcje odżywcze dla komórek tkanki łącznej właściwej i tkanki chrzęstnej [7].

Wśród najbardziej znanych glikozaminoglikanów wyróżnia się siarczan chondroityny , siarczan keratanu, heparynę, a także siarczan dermatanu i powszechnie znany kwas hialuronowy [10].

Kwas hialuronowy

Kwas hialuronowy po raz pierwszy został wyizolowany z ciałka szklistego oka bydła – przez co wywodzi się jego nazwa. W strukturze tego kwasu wyróżnia się podjednostkę dwucukru znanego jako kwas hialoburonowy. Jest on złożony z N-acetylo-D-glukozaminy oraz z kwasu D-glukoronowego. Obie jednostki połączone są ze sobą za pomocą wiązań glikozydowych [9].

Kwas hialuronowy to polimer zbudowany z monomerów tj. kwasu glukuronowego i acetyloglukozaminy. W istocie podstawowej przybiera formę włókienek o długości ok.  2,5 μm. Kwas ten występuje we wszystkich organizmach żywych w takiej samej formie: solihialuronianu sodu (w stawach), we wszystkich substancjach łącznych oraz wiąże wodę w naskórku. Z wiekiem ilość kwasu hialuronowego w tkankach maleje, co powoduje starzenie się skóry (najbardziej znany objaw to powstawanie zmarszczek). Ponadto, kwas ten występuje również w gałce ocznej i płynie łzowym, jest też jedną z niewielu stosowanych w medycynie substancji identycznych z tymi występującymi w organizmie [7].




Zdjęcie: http://naturalia.blox.pl/2012/01/Zbawienne-dzialanie-kwasu-hialuronowego.html

Ważną właściwością kwasu hialuronowego są jego naturalne właściwości żelujące. Jedna cząsteczka kwasu wiąże aż 250 cząsteczek wody, ponadto z racji tego, że kwas ten występuje w takiej samej postaci we wszystkich organizmach, otrzymywanie go jest bardzo łatwe. Kwas hialuronowy występuje w gałce ocznej w ciele szklistym, a także w płynie łzowym i cieczy wodnistej. W okulistyce stosowane są jego sole, określane mianem  hialuronianów.
Hialuronian  stosowany  jest także w chirurgicznym leczeniu zaćmy, utrzymuje prawidłową głębokość przedniej komory oka oraz  chroni rogówkę przed wysychaniem. W chirurgii rogówki  tj. w przeszczepach, hialuronian tworzy wyściółkę dla nowej rogówki,dzięki czemu pozwala uniknąć formowania się zrostów, a także umożliwia skuteczniejsze zamknięcie się rany. Ponadto, wykorzystuje się go w leczeniu urazów oka, gdzie pomaga w przywróceniu poprzedniego ciśnienia oraz zapobiega zrostom [7].

Chondroityna

Jest glikozaminoglikanem, którego jednostką strukturalną jest dwucukier chondrozyna. Chondrozyna zbudowana jest z kwasu D-glukuronowego, który połączony jest glikozydowo z N-acetylogalaktozaminą. Łańcuch chondroityny (tj. 100-200 dwucukrów) powstaje w wyniku liniowej polimeryzacji chondrozyny wiązaniami glikozydowymi. Co ciekawe, chondroityna wystepuje jedynie w rogówce oka (nie stwierdzono jej obecności w innych tkankach) [9].


Siarczan dermatanu

Siarczan dermatanu zaliczany jest do wyjątkowych glikanów wśród polisacharydów siarkowych, a to ze względu na fakt, że zawiera rzadko spotykany izomer kwasu glukoronowego tj. kwas L-iduronowy. Ponadto, związek ten różni się od pozostałych siarczanów chondroityny tym, że posiada całkowitą odporność na działalność hialuronidazy rozkładającej oba pozostałe siarczany chondroityny [9].

Siarczan keratanu

Siarczan keratanu, dawniej znany jako keratosiarczan, wyróżnia się brakiem w cząsteczce kwasu uronowego. W jego strukturze wyróżnia się równe ilości D-galaktozy a także N-acetylo-6-O-sulfo-D-glukozaminy, które połączone są wiązaniami glikozydowymi.  Siarczan keratanu występuje we wszystkich tkankach zwierzęcych , ponadto obok siarczanów chondroityny jest podstawowym składnikiem proteoglikanów. Największe ilości siarczanu keratanu odnotowuje się w rogówce oka, gdzie stanowi on ok. 50% całkowitej ilości GAG- to właśnie taki skład zapewnia rogówce przeźroczystość [9].


Zdjęcie: (1) Główne proteglikany chrząstki. Proteoglikany: białka zawierające jeden lub więcej kowalencyjnie połączonych łańcuchów glikozoaminoglikanów. Najmniejszymi jednostkami łączącymi proteoglikany są mukopolisacharydy, długie polimery zbudowane z powtarzających się glikozaminoglikanów (GAG-i), http://brain.fuw.edu.pl/edu/BIOL:Kom%C3%B3rki_podporowe_i_substancja_pozakom%C3%B3rkowa


Heparyna

Heparyna jest glikanem, który po raz pierwszy został wyizolowany z wątroby bydlęcej w 1916 roku, w trakcie badań nad właściwościami przeciwkrzepliwymi tego nieznanego wówczas związku. Swoją nazwę zawdzięcza swojemu pochodzeniu. Heparyna powstaje w komórkach w komórkach tucznych, a także (częściowo) w śródbłonku pęcherzyków płucnych.  Związek ten nigdy nie występuje w organizmie w postaci wolnej, lecz zawsze jest ona związana z białkami [9].

Biologiczna rola tego glikanu ujawnia się w przedłużeniu czasu krzepnięcia krwi u ssaków. Ponadto, inną równie ważną funkcją fizjologiczną jest aktywujący wpływ heparyny na system lipolityczny lipazy lipoproteinowej , która prawdopodobnie zawarta jest w śródbłonku naczyń włosowatych. Tym samym, związek ten ogrywa bardzo ważną funkcję w transporcie lipidów (co szczególnie ujawnia się w etiologii zmian miażdżycowych tętnic) [9].

Wynikiem polianionowego charakteru GAG jest udział tych związków w wewnątrzkomórkowych procesach transportowych oraz w ich powinowactwie do kationów. Konsekwencją powinowactwa GAG do kationów  jest możliwość transportowania kationów i odkładania ich w tkankach.  Z kolei, obecność polianionowych proteoglikanów (tj. związków  zbudowanych z białkowego rdzenia, z którym związany jest jeden lub więcej łańcuchów GAG, jednego lub różnych typów)  na powierzchni błon komórkowych leży u podstaw interakcji typu : komórka- komórka oraz komórka-substrat, co warunkuje procesy adhezji i migracji komórek  [5], [3], [11].


Zdjęcie: wzór heparyny, [8].

Heparyna, jest naturalnym antykoagulantem, jej działanie polega na zapobieganiu powstawania skrzepów. Substancja ta wytwarzana jest przez komórki tuczne, zaś z chemicznego punktu widzenia jest mieszaniną ujemnie naładowanych makrocząsteczek o różnej masie.

Działanie heparyny opiera się na wzmacnianiu działania białkowego czynnika krzepnięcia tj. antytrombiny, dzięki czemu może ona przerywać kaskadę krzepnięcia na każdym etapie, realizowanym w osoczu (heparyna wiąże również wapń - kofaktor wielu białek uczestniczących w krzepnięciu osoczowym). Tak więc, wykazuje ona silne działanie in vivo i ex vivo po podaniu dożylnym (działanie natychmiastowe) lub podskórnym [8], [11].

Dzięki kompleksowemu i prawie natychmiastowemu działaniu po dożylnym podaniu, heparyna stosowana jest do leczenia wielu poważnych chorób i dolegliwości, a także w profilaktyce stanów chorobowych. Tak więc stosuje się ją przy wszystkich zaburzeniach procesów krzepnięcia i przy krwawieniach związanych z powstawaniem skrzepów wewnątrz naczyń krwionośnych. Ponadto, dzięki swojemu działaniu ex vivo (czyli w krwi poza układem krwionośnym), heparyna jest stosowana w zabiegach wymagających zastosowania tzw.  krążenia pozaustrojowego [8], [11].


Ilościowe oznaczanie heksosamin  (zmodyfikowana metoda Elsona-Morgana) [2].

Heksozaminy są związkami, które w podwyższonej temperaturze oraz w środowisku zasadowym ulegaja degradacji. Z kolei, w obecności acetyloacetonu powstają chromogeny (głównie 2-metylopirol), które z kolei łatwiej ulegają kondensacji w środowisku kwasowym z aldehydem p-dimetyloaminobenzoezowym (tzw. ADAB), w wyniku czego powstaje barwny kompleks. Maksymalna absorpcja tego kompleksu  przypada przy λ= 530 nm [2].

Wykonanie:

Do 2 ml roztworów badanych i wzorcowych (tj. roztwór glukozaminy zawierający 200 µg D-glukozaminy w 1 ml wody 3xdestylowanej), należy dodać 0,7 ml zasadowego roztworu acetyloacetonu (przed dodaniem roztwór acetonu rozpuścić w 50 ml 0,8M roztworu Na2CO3).  Probówki nalezy zamknąć szczelnie korkami z chłodniczkami zwrotnymi, po czym wstawić do wrzącej łaźni wodnej na 15 minut. Po upływie czasu inkubacji, należy dodać do próbek 4 ml etanolowego odczynnika ADAB (tj. podstawowy roztwór aldehydu p-dimetyloaminobenzoesowego: 4 g rozpuścić  w 300 ml stężonego roztworu HCl cz.d.a).

Całość dobrze wymieszać , zamknąć korkiem (najlepiej z chłodnicą zwrotną) i wstawić do łaźni wodnej  o temp. 75C na 30 minut. W czasie inkubacji wytwarza się trwały chromogen . Po czasie inkubacji, próbki należy ochłodzić do temperatury pokojowej  i oznaczyć w nich absorbancję przy λ = 530 nm. W sposób analogiczny postąpić z próbami wzorcowymi o stężeniu 50, 100, 200 µg/ml. Z wykreślonej krzywej kalibracyjnej odczytać stężenie badanych heksozamin (próba badana) [2].

Ilościowe oznaczanie N-acetylowanej heksozaminy (J.Reissig i wsp., 1995)

Podstawą reakcji barwnej w tej metodzie jest kondensacja produktów degradacji acetylowanych heksozamin z aldehydem p-dimetyloaminobenzoesowym (ADAB). W wyniku reakcji powstaje barwny kompleks z maksymalną absorpcją przy λ= 530 nm.

Wykonanie:

Do 2 probówek należy odmierzyć po 0,5 ml próby badanej, równolegle należy sporzdzić serię roztworów wzorcowych zawierających 25, 50, 100 ug N-acetyloglukozaminy. .Próba kontrolna powinna zawierać 0,5 ml wody (3x destylowanej). Do wszystkich probówek dodać 0,1 ml czteroboranu potasu (tj. 0,8M roztwór czteroboranu potasu o pH= 9.1), a następnie umieścić je we wrzącej łaźni wodnej na dokładnie 3 minuty, co ma bardzo istotne znaczenie w tym doświadczeniu, ponieważ każde przedłużenie czasu inkubacji powoduje spadek intensywności barwy [1].

Po upływie inkubacji, próbki należy natychmiast schłodzić w wodzie z lodem, a dalej dodać do nic 3 ml roboczego roztworu ADAB (tj. rozpuścić 10 g ADAB cz.d.a. w 100 ml lodowatego kwasu octowego (CH3COOH) zawierającego 12,5% HCl- roztwór podstawowy, z kolei roztwór roboczy ADAB otrzymuje się przez zmieszanie 1 objętości roztworu podstawowego z 9 objętościami lodowatego kwasu octowego- wykonuje się to bezpośrednio przed użyciem) [1].
Następnie, probówki zamknąć korkami i wstawić do łaźni wodnej o temperaturze 38C na 20 minut. W tym czasie następuje rozwój chromogenu, którego absorbancję należy oznaczyć przy λ=545 nm wobec próby kontrolnej [1].

Autor: Lidia Koperwas

Literatura:
[1]. Reissig J.L., Strominger J.L., Leloir L., 1995. A modified colorimetric method for the estimation of N-acetylamino sugars. J. Biol. Chem., 217: 959-962.
[2]. Belcher B., Nutten A.J., Sambrook C.M., 1954. The determination of glucosamine. The Analyst, 79: 201-205. 
[3]. Daroszewski J., Rybka J., Gamian A., 2006. Glycosaminoglycans in the pathogenesis and diagnostics of Graves’s ophthalmopathy. Postepy Hig Med Dosw. (online), 2006; 60: 370-378
[4]. Głowacki A., Koźma E. M., Olczyk K., Kucharz E.J.: Glikozoaminoglikany - struktura i funkcja. Post. Biochem.,1995;41,139-148 [PubMed] 
[5]. Koźma E.M., Głowacki A., Olczyk K., Jaźwiec M.: Proteoglikany - struktura i funkcja. Post. Biochem.,1997;43,158-172 [PubMed] 
[6].  Żak I,  Węglowodany , http://biochigen.slam.katowice.pl/podrecznik/10.pdf]
[7].  Dr n med. Krzemińska S.  Kwas hialuronowy w medycynie, Farmakoterapia. http://www.wydawnictwoapteka.pl/files/UserFiles/file/SF_07-08_2010/8-10%20kwas%20hialuronowy.pdf
[8]. http://www.neutralizacja-heparyny.pl/cele/heparyna
[9]. Kłyszejko-Stefanowicz L, 2003. Ćwiczenia z biochemii. Wydawnictwo Naukowe PWN, 2003, s. 283-288.
[10]. Stryer L., 2003. Biochemi, Wydanie czwarte, s. 506-507. PWN 2003.
[11]. Liu J., Thorp S. C.: Cell surface heparan sulfate and its roles in assisting viral infections. Med. Res. Rev. 2002, (22, 1-25)




Tagi: glikozaminoglikany, GAG, kwas hialuronowy, chondroityna, siarczan dermatanu, siarczan keratanu, heparyna, heksozaminy, proteoglikany
Drukuj PDF
wstecz Podziel się ze znajomymi

Recenzje



znajdz nas na fcb
Informacje dnia: Stypendia naukowe dla wybitnych młodych naukowców Nanomateriały pomagają w oczyszczaniu wody Pływanie zmniejsza ryzyko zgonu Męska płodność na poziomie molekularnym 16 mln euro dla naukowców zajmujących się żywnością Innowacyjne cewniki medyczne Stypendia naukowe dla wybitnych młodych naukowców Nanomateriały pomagają w oczyszczaniu wody Pływanie zmniejsza ryzyko zgonu Męska płodność na poziomie molekularnym 16 mln euro dla naukowców zajmujących się żywnością Innowacyjne cewniki medyczne Stypendia naukowe dla wybitnych młodych naukowców Nanomateriały pomagają w oczyszczaniu wody Pływanie zmniejsza ryzyko zgonu Męska płodność na poziomie molekularnym 16 mln euro dla naukowców zajmujących się żywnością Innowacyjne cewniki medyczne

Partnerzy

GoldenLine Fundacja Kobiety Nauki Warszawskie Stowarzyszenie Biotechnologiczne (WSB) „Symbioza” Obywatele Nauki NeuroSkoki Biomantis Uni Gdansk MULTITRAIN I MULTITRAIN II Nauki przyrodnicze KOŁO INZYNIERÓW PB ICHF PAN FUNDACJA JWP NEURONAUKA BIOOPEN 2016 QDAY Mlodym Okiem Nauka w Polsce CITTRU - Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu Akademia PAN Chemia i Biznes Farmacom Świat Chemii Forum Akademickie Biotechnologia     Geodezja „Pomiędzy naukami – zjazd fizyków i chemików” WIMC WARSZAWA 2016 Konferencja Biomedyczna Projektor Jagielloński Instytut Lotnictwa EuroLab