Маноза как моносахарид¶

Маноза — моносахарид (гексоза) с эмпирической формулой C₆H₁₂O₆, относящийся к группе альдогексоз. В свободном виде в природе встречается редко, однако её остатки широко распространены в составе полисахаридов, гликопротеинов и гликолипидов растительного, животного и микробного происхождения. По строению маноза является эпимером глюкозы: молекулы этих сахаров различаются лишь пространственным расположением гидроксильной группы у второго углеродного атома.

¶Номенклатура и строение

Систематическое название манозы — 2-гидрокси-3,4,5,6-тетрагидроксигексаналь в открытой форме. Как и другие альдогексозы, маноза существует в виде равновесной смеси циклических таутомеров (α- и β-пираноз, а также фуранозных форм) и незначительной доли открытой карбонильной формы. В кристаллическом состоянии устойчива преимущественно β-D-маннопираноза.

Ключевая структурная особенность — конфигурация при C2: у D-маннозы гидроксильная группа у этого атома расположена так же, как у D-ликсозы, что отличает её от D-глюкозы. Именно это различие определяет специфику биологического узнавания манозы ферментами и лектинами.

¶Физические и химические свойства

D-манноза — белое кристаллическое вещество сладкого вкуса, хорошо растворимое в воде и плохо — в этаноле. Температура плавления α-D-маннопиранозы составляет около 133 °C, β-формы — около 132 °C. Удельное вращение плоскости поляризации света для α-формы положительно, для β-формы отрицательно; при растворении происходит мутаротация.

Химически манноза проявляет свойства, типичные для альдогексоз:

• восстанавливает фелингову жидкость и аммиачный раствор оксида серебра (реакция «серебряного зеркала»);
• образует озазоны, фенилгидразоны и другие производные карбонильной группы;
• вступает в реакции гликозилирования с образованием маннозидов;
• при окислении даёт манноновую и маннаровую кислоты;
• при восстановлении превращается в маннит (маннитол) — шестиатомный спирт.

¶Биологическая роль

В организмах манноза участвует в ключевых метаболических путях. Она фосфорилируется гексокиназой до маннозо-6-фосфата, который изомеризуется в фруктозо-6-фосфат и далее включается в гликолиз. У человека наследственный дефект фермента фосфоманнозоизомеразы приводит к маннозофосфатной изомеразной недостаточности — редкому заболеванию обмена веществ.

Маннозные остатки выполняют важные функции в составе сложных биомолекул:

• Гликопротеины — маннозные звенья входят в состав N-связанных олигосахаридных цепей, участвуют в фолдинге белков и их транспорте;
• Лектины — маннозосвязывающий лектин (MBL) распознаёт маннозные остатки на поверхности микроорганизмов и запускает лектиновый путь активации комплемента;
• Растительные полисахариды — маннаны, галактоманнаны и глюкоманнаны формируют структурные и запасные компоненты клеточных стенок и семян;
• Микроорганизмы — манноза присутствует в клеточных стенках дрожжей и в липополисахаридах грамотрицательных бактерий.

¶Распространение в природе

Свободная манноза обнаруживается в небольших количествах во фруктах, в частности в кожуре цитрусовых, в соке ананаса и в некоторых ягодах. Значительно чаще она встречается в связанной форме.

Гидролиз этих полимеров даёт маннозу, что используется в промышленном получении вещества.

¶Получение

Основные способы получения маннозы:

1. Гидролиз природных полисахаридов — кислотный или ферментативный гидролиз маннанов, галактоманнанов, копры и отходов переработки растительного сырья.
2. Ферментативный синтез — использование изомераз и гликозилтрансфераз для превращения глюкозы и фруктозы.
3. Химический синтез — эпимеризация глюкозы в щелочной среде с последующим разделением изомеров.

¶Применение

Манноза находит применение в нескольких областях:

• Медицина и фармакология — используется в исследованиях врождённых нарушений гликозилирования; показана эффективность маннозы при лечении некоторых форм инфекций мочевыводящих путей, вызванных маннозочувствительными штаммами кишечной палочки, поскольку она препятствует адгезии бактерий к эпителию;
• Биотехнология — как компонент питательных сред для культивирования микроорганизмов и клеточных линий;
• Пищевая промышленность — в составе гидроколлоидов (гуаровая камедь, камедь рожкового дерева) как загуститель и стабилизатор;
• Аналитическая химия — как стандарт при определении состава углеводов методами хроматографии и масс-спектрометрии.

¶Метаболизм и клиническое значение

Нарушения обмена маннозы связаны с редкими наследственными заболеваниями. Дефицит фосфоманномутазы и фосфоманнозоизомеразы проявляется гепатомегалией, гипогликемией, нарушениями свёртывания крови и иммунодефицитом. Диагностика основана на определении активности ферментов и анализе олигосахаридов в крови и моче.

Маннозосвязывающий лектин служит важным фактором врождённого иммунитета: его дефицит повышает восприимчивость к респираторным инфекциям у детей. Исследования показывают, что уровень MBL в сыворотке связан с полиморфизмами гена MBL2.

¶Перспективы исследований

Современные работы изучают роль маннозных остатков в распознавании клеток иммунной системой, в патогенезе аутоиммунных заболеваний и в механизмах метастазирования опухолей. Маннозные рецепторы (CD206) рассматриваются как мишени для адресной доставки лекарств к макрофагам. Кроме того, манноза изучается как потенциальный модулятор метаболизма раковых клеток, поскольку некоторые опухоли проявляют повышенную чувствительность к её избытку.