ЛПС — липополисахарид¶
Липополисахарид (ЛПС) — комплексный макромолекулярный комплекс, входящий в состав наружной мембраны грамотрицательных бактерий. Представляет собой гетерополимер, состоящий из липидной части (липид А), олигосахаридного ядра и полисахаридной цепи (О-антигена). ЛПС выполняет структурную и защитную функцию бактериальной клетки, а также выступает как эндотоксин, способный вызывать у животных и человека тяжёлые патологические реакции, вплоть до септического шока.
¶Структура
Молекула ЛПС состоит из трёх основных структурных фрагментов:
| Фрагмент | Химическая природа | Функция |
|---|---|---|
| Липид А | Гликолипид, содержащий остатки D-глюкозамина и жирнокислотные цепи | Эндотоксическая активность, встраивание в наружную мембрану |
| Олигосахаридное ядро | Короткая углеводная цепь (кетодезоксиоктоза, гептозы, глюкоза) | Связывание липида А с О-антигеном |
| О-антиген (О-полисахарид) | Длинная полисахаридная цепь, специфичная для каждого серовара | Серотипическая специфичность, защита бактерии от комплемента |
Липид А является единственным фрагментом, ответственным за токсические свойства ЛПС. Он связывается с рецептором TLR4 (Toll-подобный рецептор 4) на поверхности иммунных клеток — макрофагов, нейтрофилов, дендритных клеток. Жирнокислотные остатки липида А встраиваются в липидный бислое наружной мембраны, удерживая молекулу ЛПС на поверхности бактерии.
О-антиген определяет серологическую специфичность штамма. У разных видов грамотрицательных бактерий состав мономерных звеньев О-антигена различается, что позволяет классифицировать бактерии по сероварам. Например, у Escherichia coli описано более 170 сероваров О-антигена, у Salmonella — более 200.
¶Биологические функции
ЛПС выполняет несколько ключевых функций в жизнедеятельности грамотрицательной бактерии:
- Структурная — укрепляет наружную мембрану, придаёт ей устойчивость к действию детергентов, антибиотиков (например, пептидогликана-связывающих агентов) и ферментов.
- Барьерная — ограничивает проникновение вредных веществ (антибиотиков, красителей, детергентов) в периплазму.
- Адгезивная — участвует в прикреплении бактерии к поверхностям и клеткам хозяина.
- Серотипическая специфичность — О-антиген служит основой для классификации бактерий по сероварам.
¶Эндотоксические свойства
При гибели бактерии или активном разрушении её мембраны ЛПС высвобождается в окружающую среду и в жидкие среды организма. В крови ЛПС связывается с белком-переносчиком LBP (LPS-binding protein), после чего комплекс LBP–ЛПС распознаётся рецепторами CD14 и TLR4 на поверхности иммунных клеток.
Активация TLR4 запускает сигнальный каскад, приводящий к продукции провоспалительных цитокинов: фактора некроза опухоли α (ФНО-α), интерлейкинов IL-1β и IL-6. В норме этот механизм обеспечивает иммунный ответ на бактериальную инфекцию. Однако при массивном поступлении ЛПС в кровоток (например, при сепсисе, вызванном грамотрицательной флорой) развивается системный воспалительный ответ, проявляющийся:
- лихорадкой,
- гипотензией,
- диссеминированным внутрисосудистым свёртыванием (ДВС-синдромом),
- полиорганной недостаточностью,
- септическим шоком.
Именно поэтому ЛПС называют эндотоксином — в отличие от экзотоксинов (белковых токсинов, секретируемых живыми бактериями), эндотоксин действует только при разрушении бактериальной клетки.
¶ЛПС в лабораторной практике
ЛПС обладает способностью активировать систему комплемента по альтернативному пути, а также вызывать агглютинацию эритроцитов некоторых видов (например, лошадиных). На этом основаны два классических биологических теста:
- Лимульсовый тест (LAL-тест) — основан на способности амёбоцитов лимуля (Limulus polyphemus) реагировать на ЛПС образованием сгустка. Широко применяется для контроля пирогенности лекарственных средств, медицинских изделий и инъекционных растворов.
- Пирогенный тест — введение раствора ЛПС кроликам вызывает повышение температуры тела, что используется для оценки пирогенности препаратов.
В России и странах ЕАЭС лимульсовый тест является обязательным этапом контроля пирогенности парентеральных лекарственных форм.
¶Применение
Несмотря на токсичность, ЛПС и его производные находят ограниченное применение:
- Иммунология — ЛПС используется как адъювант и стимулятор иммунного ответа в экспериментальных исследованиях.
- Вакцины — полисахаридные компоненты ЛПС (О-антиген) служат антигеном для создания конъюгированных вакцин против грамотрицательных бактерий (например, вакцины против Haemophilus influenzae типа b, Neisseria meningitidis серогруппы B, Salmonella typhi).
- Диагностика — лимульсовый тест применяется для выявления бактериального загрязнения.
¶ЛПС и грамотрицательные бактерии
ЛПС присутствует у подавляющего большинства грамотрицательных бактерий, включая роды Escherichia, Salmonella, Shigella, Klebsiella, Pseudomonas, Neisseria, Haemophilus, Vibrio, Helicobacter. Некоторые грамотрицательные бактерии (например, Helicobacter pylori, Bordetella pertussis, Campylobacter jejuni) имеют дефектный или модифицированный ЛПС, что связано с их способностью к длительной персистенции в организме хозяина.
У Neisseria meningitidis серогруппы B О-антиген состоит из полисахаридов, структурно сходных с олигосахаридами человеческих клеток, что затрудняет разработку вакцин на его основе.
Источники:
- Brock Biology of Microorganisms / M.T. Madigan, J.M. Martinko, K.S. Bender, D.H. Buckley, D.A. Stahl — Pearson, 2021.
- Микробиология: учебник / под ред. А.С. Белобородова — ГЭОТАР-Медиа, 2020.
- Токсины и вакцины: учебное пособие / под ред. В.А. Ламанова — М.: Медицина.
- Rietschel E.T. et al. Bacterial endotoxins: molecular mechanisms of pathogenesis // Current Opinion in Microbiology.