糖复合物与神经节苷脂

糖复合物与神经节苷脂 第三章 糖复合物 糖以共价键与蛋白质或脂类结合，形成糖复合物(glycoconjugates)，包括糖蛋白(glycoprotein)、蛋白聚糖(proteoglycan)和糖脂(glycolipid)。英语中常以前缀 glyco- 或后缀 -glycan和 -saccharide 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 示分子中含有糖组分或与糖有关。哺乳类动物体内含多种结构不同的糖，有些单独参加糖的代谢(见 第六章)，有些则构成糖复合物中的聚糖。象核酸和蛋白质一样，聚糖及糖复合物是一类重要的生物大分子。由于糖的结构和功能十分复杂并受到分析 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 的限制，使得对糖的认识仍滞后于核酸和蛋白质。糖生物学(glycobiology)是研究糖的分子结构、合成及生物功能的新兴学科。核酸和蛋白质的研究成就，极大地推动了糖生物学的快速发展。糖组学(glycomics)是人类后基因组 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 的重要组成部分，随着糖结构和功能的阐明，聚糖及糖复合物在正常生理和疾病中的作用及其机制将逐步被揭示出来，并促进糖在生物医学中的应用。 第一节 聚糖的结构 现已知生物体内有400,500种单糖组成、结构及功能不同的聚糖，95%以上的聚糖存在于糖复合物中。聚糖一般含2,30个单糖，并通过特定的糖苷键连接成链式结构，因此，聚糖也称为寡糖链或糖链。单糖是聚糖的基本结构单位。 一、聚糖的分子结构 (一) 单糖的种类及结构 除岩藻糖(fucose，Fuc)和艾杜糖醛酸 (iduronic acid, IdoUA)为L-构型外，哺乳类动物中的单糖都是以D-构型存在，而绝大多数参与糖链合成和分解代谢的酶类具有对D-构型的糖的立体异构专一性。单糖通过氧化、还原、乙酰化和N-乙酰化、硫酸化、磷酸化、甲基化及氨基取代反应等生成相应的糖衍生物。例如，葡萄糖(glucose, Glc)的衍生物有葡糖胺(GlcN)、N-乙酰葡糖胺(N-acetylglucosamine，GlcNAc)、葡糖醛酸(glucuronic acid, GlcUA)等。GlcUA在差向异构酶的作用下，可进一步转化为IdoUA。半乳糖(galactose，Gal)也可衍生成N-乙酰半乳糖胺(N-acetylgalactosamine, GalNAc)和岩藻糖。糖核苷二磷 酸，如UDP-GlcNAc, 是糖链合成时单糖供体的活性形式，它在特异的GlcNAc糖基转移酶的(glycosyltransferase)作用下，转移到糖链的非还原端。各单糖组分的修饰性变化可增加聚糖结构的多样性，并使其具有更广泛的生物功能。 构成不同糖复合物分子糖链的单糖种类不同。例如，构成糖蛋白分子糖链的单糖主要有8种:葡萄糖、半乳糖、甘露糖、N-乙酰葡糖胺、N-乙酰半乳糖胺、岩藻糖、木糖(xylose，Xyl)和唾液酸 (sialic acid，SA)。参与蛋白聚糖分子糖胺聚糖构成的单糖主要为葡萄糖、半乳糖、N-乙酰葡糖胺、N-乙酰半乳糖胺、葡糖醛酸及艾杜糖醛酸(见本章第三节)。参与糖复合物糖链构成的常见的单糖结构如下，单糖的代表符号也在括号中标明。 ?-D-葡萄糖 ?-D-半乳糖 D-甘露糖 D-木糖 (Glc，?) (Gal，?) (Man，?) (Xyl ) ?-D-N-乙酰葡糖胺 ?-D-葡糖醛酸 ?-L-艾杜糖醛酸 ?-D-葡糖胺 (GlcNAc，?) (GlcUA，) (IdoUA，) (GlcN) ?-D-N-乙酰半乳糖胺 ?-L-岩藻糖 唾液酸 ?-D-N-乙酰葡糖胺-尿苷二磷酸 (GalNAc，?) (Fuc，?) (SA，?) GlcNAc-UDP (二)单糖的连接方式 构成聚糖的基本结构单位——单糖之间的连接键为O-糖苷键。由于以环状结构存在的单糖分子存在?和?异头体(anomer)，并在分子中含有多个游离的羟基，因此，单糖之间所形成的O-糖苷键可有? 或?及1?2，1?3，1?4，1?6 等多种连接方式。唾液酸一般位于糖链的末端，以?2?3，?2?6或?2?8与相邻的糖基成键。构成不同糖复合物糖链的单糖的种类、数目及连接方式不同，有些糖链还可以有分支，还有一些则含有大量的重复单位。与多肽链和多核苷酸 链相比，糖链的连接具有更大的可塑性及复杂性，但仍是有序的，这也是糖链可 以储存大量信息的结构基础(表3-1)。 表3-1 三种生物大分子一些结构特点的比较 生物大分子 核酸 蛋白质 聚糖 结构单位 核苷酸 氨基酸 单糖 连接键 3’，5’ -磷酸二酯键 肽键 糖 苷键 游离末端 5’磷酸，3’羟基 氨基端，羧基端 非 还原端，还原端 多聚体合成方向 5’?3’ N?C 非还原端?还原端 寡聚体数* 6 6 ,1056 (n=3) (* 由3个不同氨基酸、核苷酸和己糖分别通过肽键、磷酸二酯键和 糖苷键 所组成的寡聚体数目) (三) 聚糖的一级结构及空间结构 聚糖的一级结构是指单糖的排列顺序及糖苷键的性质。糖苷键的性质 包括单 糖的连接位置，D或L，α或β，及吡喃糖和呋喃糖构型等。SO3-, CH3CO-, NH2- 等非糖基团及蛋白质和脂类的结合位置也在聚糖的一级结构中给予 描述。 聚糖的二级结构涉及糖环构象、糖苷键旋转角度及各原子之间的相互作用 等。由于糖样品不易纯化，加之结构非常复杂，目前对于聚糖较高级的空间结构 规律的认识尚不够清楚。对糖一级结构和空间结构的阐明对了解糖的生物功能是 非常重要的。 聚糖一级结构的测定可选择质谱(MS)、核磁共振 (NMR)和HPLC等多 种仪器分析方法。特异水解聚糖的糖苷酶(glycosidase)是聚糖一级结构测定中 常用的工具酶。糖苷酶包括内糖苷酶(endoglycosidase)和外糖苷酶 (endoglycosidase)两种。两种聚糖水解酶作用的位点不同，内糖苷酶将糖链从 内部特异的切开，而外糖苷酶则从糖链的非还原端特异的水解糖基。图3-1示应 用基质辅助激光离子解吸时间飞行/质谱(matrix-assisted laser desorption ionization-time of flight，MALDI-TOF/MS)技术，对一个N-连接聚糖经不同种 外糖苷酶(1.唾液酸酶、β-半乳糖苷酶、β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶)逐 步水解作 用后的荧光标记产物进行的测序分析。 图3-1 寡糖MALDI- TOF /MS测序分析 还有一些其它的生物学方法可用于聚糖的结构分析，如根据对各种3 H或14C标记的单糖放射性前体掺入糖链合成的放射性分析，可了解糖链结构及合成的特点。化学合成的寡糖、糖抑制剂及糖特异抗体的应用也有助于特定聚糖结构的分析。凝集素(lectin)是一类通过分子中的糖识别结构域(carbohydrate recognizing domain, CRD)，专一识别和结合特定糖基及糖链结构的糖蛋白，以多种凝集素为探针的糖微阵列技术，为同时鉴定糖链的多种结构特征提供了更便捷、更有效的方法。有关糖结构分析的相关网站是了解聚糖结构信息的重要来源。总之，随着各种糖分析技术的提高及糖相关研究的深入，对聚糖结构的认识会更加明确。 第二节 糖蛋白的结构与功能 糖蛋白由糖与蛋白质通过共价键连接形成。糖蛋白分子中糖的含量变化很大(1,,85,)。糖蛋白分布广泛，许多膜蛋白、分泌蛋白及细胞外基质(extracellular matrix, ECM)中的一些结构蛋白等都是糖蛋白。糖蛋白以多种方式，如酶、载体、激素、抗体、受体和血型抗原等发挥生物学功能。糖蛋白的糖链对整个分子的性质、结构和功能起重要作用。聚糖不仅作为一种结构分子，而且作为一种信息分子，参与细胞间、细胞与细胞外基质间的分子识别和黏附。糖基化(glycosylation)是蛋白质重要的加工和修饰步骤，糖基化的异常可导致多种疾病的发生，如肿瘤、感染和自身免疫病等。 一、糖蛋白的分类与结构 根据糖与蛋白质连接的结构性质，糖蛋白分为三类: N-连接糖蛋白、O-连接糖蛋白和GPl-连接(锚定)糖蛋白，它们的结构和特点如下: (一)N-连接糖蛋白 糖链的N-乙酰葡糖胺与多肽链的天冬酰胺的酰胺氮连接，形成N-糖苷键， 此种糖链为N-连接糖链，也称N-连接聚糖。连接点的结构为:GlcNAcβ-N-Asn (图3-2-1)。多肽链中的天冬酰胺残基并不都是糖链的结合部位，处于Asn-X-Ser,Thr序列子(其中X是除脯氨酸外的任一氨基酸)中的Asn才具有结合能力，序列子也被称为糖基化位点，可通过蛋白质的序列分析预测。 GlcNAc Asn GalNAc Ser N-连接 O-连接 1 2 GPl-连接 3 图3-2 糖链与多肽链连接点的结构 N-连接糖链是糖蛋白糖链最主要的类型，已经发现有 上百种。N-连接糖链又可分为三种亚型:高甘露糖型 (high-mannose type)、复杂型(complex type)和杂合型 (hybrid type)。他们都有一个共同的五糖核心结构(Man3 GlcNAc2)，但与核心结构相连的外侧链结构不同(图3-3)。 高甘露糖型糖链的外侧链为2,6个甘露糖。大多数复杂 型的外侧链可出现2,5个糖链分支，分支末端常连有唾 液酸。根据其形状、变调性及可作为识别标志等特点，称 之为糖链的天线结构。例如，人血清转铁蛋白含有二天线 和三天线糖链结构，是反映体内蛋白质糖基化整体水平的 一个测定指标。杂合型的糖链则兼有以上二者的结构，多 见于膜蛋白和分泌蛋白。 核心结构 高甘露糖型 复杂型 杂 合型 图3-3 N-连接糖链结构 Asn297位点上各结合一条 免疫球蛋白IgG在两条重链Fc段CH2的 N-连接糖链。糖链可有30余种不同的结构变化，对维持IgG分子的空间构像起重要作用(图3-4)。 图3-4 IgG分子铰链区糖链的空间结构 (二)O-连接糖蛋白 糖链的N-乙酰半乳糖胺与多肽链的丝氨酸或苏氨酸的羟基连接，形成O-糖苷键，糖链即为O-连接糖链，也称O-连接聚糖。连接点的结构为:GalNAcα-O-Ser,Thr(图3-2-2)。此种O-连接类型较为常见，最初在颌下腺、消化道及呼吸道等的粘液中发现，因而又称黏蛋白型糖蛋白连接。胶原蛋白中存在Galβ-O-Lys糖链连接方式，是原胶原蛋白的一个重要的翻译后加工步骤。O-连接糖链多出现在丝氨酸和苏氨酸比较集中，且周围常有脯氨酸的肽链中。例如，免疫球蛋白IgA重链铰链区糖基化位点及附近的 氨基酸序列 (为230:)Pro-Ser-Thr(225)-Pro-Pro-Thr(228)-Pro-Ser -Pro-Ser(232) -Thr - Pro -Pro- Thr(236)-Pro-Ser-Pro-Ser。IgA分子的O-连接糖链已经发现有6种(图3-5)。 图3-5 IgA分子O-连接糖链结构 黏蛋白(mucins)是一类结合有成簇状存在的O-连接糖链的糖蛋白家族，含糖量超过50%，多肽链中富含丝氨酸和苏氨酸的串联重复序列。黏蛋白有分泌型和膜结合型两种。其中，分泌型的主要见于粘液中，由于分子中所结合的唾液酸和硫酸基带较多的负电荷，及O-连接点附近的糖链与多肽链的相互作用，使得分泌型的黏蛋白的结构非常伸展，也带来粘液的高粘滞度。因此，分泌型的黏蛋白可作为上皮表面的一种天然保护性屏障。膜结合型的黏蛋白参与了一些细胞间的识别和黏附作用。 糖蛋白一般可结合1,30条糖链，每条糖链含2,30个糖基，如人促红细胞生成素(erythropoietin, Epo)有三个结合于Asn24，38和83位点的N-连接糖链和一个与Ser126连接的O-连接糖链。蛋白质常有多个潜在的糖基化位点，如IgA的5个糖基化位点中，Thr(225) 和Thr(236)仅为潜在的糖基化位点。对于同一个糖基化位点，是否连接糖链，及所结合糖链的长短等与组织类型及表达阶段有关。蛋白质肽链相同，但所结合的糖链不同的一组糖蛋白为糖形 (glycoforms)。 3(GPl-连接(锚定)糖蛋白 糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol, GPl) 与多肽链连接，此类蛋白质称为GPl-连接糖蛋白或GPl-锚定糖蛋白。GPl的结构为:磷酸乙醇胺-甘 露糖-甘露糖-甘露糖- 葡糖胺-磷脂酰肌醇(图3-2-3)。GPl一端通过磷酸乙醇胺的氨基与肽链的C末端的羧基以酰胺键连接，另一端则将磷脂酰肌醇的脂酸链插入质膜。已经发现约50余种 GPl-连接糖蛋白，如脂蛋白脂肪酶、乙酰胆碱酯酶和5,-核苷酸酶等。这种被连接于细胞膜外层的蛋白质比其它类型的膜内在蛋白具有更大的活动度，并可在磷脂酰肌醇特异的磷脂酶作用下从膜上被释放出来。 二、糖蛋白的功能 糖蛋白的生物功能十分广泛，包括组织构成、底物催化、分子转运、润滑保护及分子识别和黏附等，而许多重要功能的发挥与其糖链的作用密切相关。糖链对糖蛋白的理化性质、空间结构和生物活性等产生较大的影响;糖链的序列及构象中蕴藏着结构信息，通过糖-糖及糖-蛋白分子之间直接或间接的相互作用，参与了细胞间、细胞与细胞外基质间的分子识别和黏附, 是糖蛋白极为重要的功能，以下将着重介绍;糖链及糖蛋白结构和功能的研究，对探讨糖相关性疾病的发病机制及将糖应用于生物医学具有重要意义。 (一)糖链对糖蛋白理化性质、空间结构和生物活性的影响 蛋白质结合糖链后，其分子大小、电荷、溶解度及稳定性等会发生改变，如含多唾液酸糖链的糖蛋白的电负性增加，IgA 分子去掉部分糖链后则出现分子聚集现象，并易受蛋白酶的降解。糖链还参与了糖蛋白新生肽链的折叠、亚基聚合及分拣和投送等过程。如转铁蛋白受体上Asn251糖基化位点经基因突变去除后，不能形成正常的二聚体，影响其转运功能。 溶酶体内酶类的定位，需要在高尔基体内将酶的N-连接糖链末端的甘露糖转变成6-磷酸甘露糖，并与溶酶体膜上的6-磷酸甘露糖特异受体结合。含非磷酸化甘露糖糖链的溶酶体酶不能进入溶酶体， 引起溶酶体酶缺乏性代谢病。一些酶类的活性依赖于其糖链的存在， HMG-CoA(羟甲戊二酰辅酶A)还原酶去糖链后活性降低90,以上。FSH(促卵泡素)、LH(促黄体素)和TSH(促甲状腺素)等多种糖蛋白类激素的糖链直接影响激素与相应受体的亲和力和作用效应。 (二)糖蛋白在分子识别和黏附中的作用 1(糖蛋白在细胞间分子识别和黏附中的作用 受精是卵细胞与精子识别并融合的过程。小鼠卵细胞透明带中含ZP1、ZP2、ZP3三种糖蛋白。ZP3是与精子结合并引发顶体反应的主要糖蛋白。ZP3含有O-连接聚糖，用化学方法去除O-连接聚糖可抑制精卵结合，而用内切糖苷酶F切去N-连接聚糖却没有影响;加入UDP-半乳糖也可以阻断精卵结合。 炎症浸润是循环中的白细胞被招募到炎症部位的血管内皮细胞上，滚动(rolling)、黏附和透出血管的过程，与内皮细胞表面的选凝素(selectin) 和白细胞上的特异糖配体的识别和结合有关。选凝素是含糖识别结构域(CRD)的凝集素样糖蛋白，包括L-、E- 和P-选凝素三种，主要分布于白细胞(L-选凝素)、内皮细胞(E-选凝素)和血小板(P-选凝素)。与选凝素特异结合的糖配体是唾液酸化的Lewis抗原(SLex , SLea)。血管内皮细胞的E-选凝素在炎症时表达增加，它通过CRD与白细胞的SLex 、SLea等结合引起初始阶段较弱的黏附，后期有多种其它分子两种细胞间参与较强的黏附。 淋巴细胞归巢(homing)是淋巴细胞从循环中再回流到淋巴组织的过程，所涉及的糖配体-选凝素识别和结合过程与炎症浸润过程相似。 图3-6 白细胞与内皮细胞的分子识别 2(糖蛋白在细胞与细胞外基质间分子识别和黏附中的作用 细胞外基质中和细胞表面含有多种细胞黏附分子(cell adhesion molecules, CAMs)，它们几乎都是糖蛋白。ECM是细胞黏着并进行细胞内外代谢交换和信息传递的外环境，主要由糖蛋白(胶原蛋白、弹性蛋白、纤连蛋白、层连蛋白)、蛋白聚糖和透明质酸等构成，纤连蛋白(fibronectin，Fn)和层连蛋白(laminin，Ln)是ECM中的黏附分子。细胞表面的黏附分子为跨膜受体，包括整合蛋白(integrin)、钙粘蛋白和免疫球蛋白超家族等。以下仅简要介绍Fn和Ln及整合蛋白的分子结构和功能。 (1)纤连蛋白 纤连蛋白是ECM的主要糖蛋白成分，由成纤维细胞分泌。Fn的分子量为220,250KD，由两个相似的亚基组成二聚体，以羧基末端的两个二硫键连成“V”形结构。每个亚基上特定的重复区折叠构成7个球状的结构域，可分别与ECM中的多种成分和细胞结合(图3-7)，结构域之间的肽段对蛋白酶敏感。Fn含RGD(Arg-Gly-Asp)序列，并通过它与细胞膜上特异的整合蛋白受体结合，人工合成的RGD短肽可抑制Fn与受体的结合。Fn的含糖量为5,20%，每个亚单位上可有4,5个N-连接糖链，集中分布在与胶原蛋白结合的结构域内，其影响Fn与胶原蛋白的结合力及对蛋白酶的抗性。存在于ECM中或细胞表面的Fn 为不溶性的Fn纤维，Fn还有存在于血液和体液中的溶解形式。不同 组织来源的Fn糖链结构有差别。Fn与肝素、纤维蛋白、胶原蛋白、DNA、细胞及与肌动蛋白和蛋白聚糖等的结合，可引发一系列细胞内和细胞外的变化。因此，Fn的组织分布和结构特点决定了Fn是具有多种生物学功能的糖蛋白，参与细胞的增殖分化和迁移、血液凝固、炎性浸润等多种过程。 图3-7 纤连蛋白的结构域示 意图 (2)层连蛋白 层连蛋白主要存在于基底膜中。基底膜也是ECM的一种形式，除Ln外，还包括巢蛋白(entactin，nidogen)、硫酸肝素蛋白聚糖和IV型胶原等。Ln的分子量为850,900KD。Ln分子由3个不同的亚基(α，β，γ)，通过二硫键连接形成长约70 nm的十字型结构(图3-8)。目前已经发现每种亚基又有3,5个类型，可组合成多种Ln分子。Ln结构中有与Ln受体结合的RGD序列，这类Ln受体也为整合蛋白家族成员。Ln还有巢蛋白、硫酸肝素蛋白聚糖(主要为串珠蛋白聚糖，perlecan)、IV型胶原及细胞的结合区。这些分子通过Ln相互交织，构成基底膜的网状结构;Ln与上皮细胞及内皮细胞的结合，有助于将这些细胞粘着和固定于基底膜上。Ln对肾小球基底膜的结构及滤过功能起重要作用。Ln含糖为12,—15,，主要为N-连接糖链。用N-连接糖链合成抑制剂衣霉素处理后的Ln，则对体外培养细胞的铺展性生长起抑制作用。已经发现，Ln有促进多种肿瘤细胞生长、浸润和转移的作用。除上述提到的整合蛋白受体外，与Ln结合的还有 一类非整合蛋白受体，可识别Ln分子中的寡糖，如细胞膜表面的α1，4-半乳糖基转移酶。 图3-8 层连蛋白的分子结构示意图 (3)整合蛋白 整合蛋白广泛存在于各种细胞膜上，是由α和β两个亚基构成的异二聚体糖蛋白，α和β亚基的分子量为90,180KD。 α亚基有24种，β亚基有9种，它们所组成的整合蛋白家族是根据β亚基分类的，如最大的β1整合蛋白家族有α1β1，α2β1，及α3β1等12种。整合蛋白结构分为胞外、跨膜和胞内三部分(图3-9)，β亚基胞外部分含丰富的二硫键，形成较紧密的折叠结构，α亚基上有二价阳离子(Ca2+, Mg2+)的结合部位，并有一个链内二硫键。整合蛋白通过α和β亚基的胞外部分形成的特异结合区与ECM中含RGD的黏附分子结合，如α1β1与Ln和胶原，α5β1与Fn，及α6β1与 Ln间的特异结合等。整合蛋白还通过胞内部分与细胞骨架蛋白结合，参与细胞粘着斑的构成，并介导多种信号转导途径。整合蛋白主要含N-连接聚糖，对维持分子空间构象等有作用。如α5β1整合蛋白可分别用α5或β1亚基单克隆抗体以二聚体的形式沉淀出来，而用内切糖苷酶切去亚基的聚糖后，则两种单抗只能沉淀各自的α5或β1单体。当β1亚基糖基化降低后，则使整合蛋白与Fn和Ln的结合能力减弱。整合蛋白是细胞内外双向交流的桥梁，通过所介导的多种信号转导途径引起细胞的多种生物学功能变化。 图3-9 整合蛋白的分子结构示意图 (三)糖蛋白与医学 目前，已经发现许多疾病的发生与糖蛋白糖链的合成和降解，及结构和功能的异常密切相关。 例如，糖蛋白糖链的降解是溶酶体内多种特异的外切糖苷酶和内切糖苷酶逐步水解的过程(图3-10)。糖苷酶基因的遗传性缺陷或酶活性降低，均可使其未完全降解的糖代谢产物在体内堆积，可引起多种代谢病。如唾液酸酶或岩藻糖酶的异常，可引起相应的唾液酸过多症和岩藻糖过多症。 图3-10 糖苷酶对 N-糖链的降解作用 1(内切糖苷酶F 2. 内切糖苷酶 H 3. 唾液酸酶 4. β- 半乳糖苷酶 5.β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶 6.α-甘露糖苷酶 7.β-甘露糖苷酶 ABO血型系统中的抗原为A、B和O(H)，是连接于糖蛋白和糖脂上的寡糖链。三种抗原结构的差别仅在于A和B抗原比O抗原的糖链末端各多一个GalNAc或Gal(图3-11)。 合成GalNAc和Gal的是GalNAc糖基转移酶和Gal糖基转移酶，分别由位于9号染色体的A等位基因和B等位基因编码。因此，遗传基因的不同是决定血型类型的分子基础。血型不同的输血可引起溶血反应。 O A B 图3-11 ABO血型的糖抗原结构 一些致病微生物的凝集素样物质-黏附素(adhesin)对宿主细胞表面糖结构(配体)的识别和结合，是引起感染的必要因素。例如，肺炎球菌主要识别细胞表面的GlcNAc。自身免疫病，如类风湿关节炎和IgA 肾病有相似的发病机制，二者分别有IgG和IgA分子糖链末端唾液酸和半乳糖的缺失，机体将糖链截短的IgG或IgA视为“异己”，并产生相应的自身抗体，所形成的免疫复合物又在关节腔或肾系膜沉积，进而造成病理性损伤。 肿瘤细胞表面糖链的可有多种改变，如出现N-聚糖中β-1，6分支增加等天线数目和结构的改变，SLex 及SLea含量增加等。它们与肿瘤的生长、侵袭和转移等密切相关。研究发现:肿瘤细胞表面糖链的变化主要是由于相关的糖基转移酶的异常所致。目前，在人类已经发现了300余种糖基转移酶。 依据糖的功能及作用机制所研制的糖类药物和疫苗不断出现。通过基因 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 方法生产糖蛋白类药物是现代生物制药的一个标志性成就。重组糖蛋白类药物，如Epo、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子及组织纤溶酶原激活剂等分子中的聚糖对其整个分子的结构、稳定性、作用及药代动力学等有很大的影响。因此，控制糖蛋白的糖基化，保证重组糖蛋白具有天然糖蛋白的功能，或通过糖基化条件的优化来延长药物在血液中的半寿期及实现特异组织的靶向等，已经成为药物 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和生产中的关键要素。糖链的唾液酸化程度对于许多重组糖蛋白都非常重要。例如，Epo 的三条N-糖链为唾液酸化的, 唾液酸化不足的Epo在体内的活性低于其在体外活性的10%，这与前者容易被肝细胞及巨噬细胞中的受体结合，及很快的在肾脏中被滤过清除，而使有效浓度降低有关。糖类药物包括阻止致病微生物及毒素与宿主细胞粘附、参与血液凝固调节、抑制炎症反应和抗移植物排斥反应的聚糖或聚糖模拟物等。由乙型嗜血流感杆菌(Haemophilus influenzae)的聚糖和蛋白质载体偶联所制备的细菌疫苗(Hib)，可使易感幼儿的发病率降低95%以上。糖在生物医药中的应用显示出广阔的前景。 第三节 蛋白聚糖 蛋白聚糖(proteoglycan)是由糖胺聚糖(glycosaminoglycan，GAG)和核心蛋白通过共价键连接所形成的糖复合物。蛋白聚糖分子中含大量的糖(,85%)，因此，整个分子主要表现聚糖的性质。糖胺聚糖和核心蛋白结构和特性的不同，使蛋白聚糖的种类、性质、组织分布及功能等各异。 一、蛋白聚糖的结构 (一)糖胺聚糖 糖胺聚糖是己糖胺和己糖醛酸二糖重复单位的聚合物，它无分支。己糖胺(糖胺聚糖由此命名)为GlcNAc或GalNAc，己糖醛酸为GlcUA或IdoUA。糖胺聚糖主要有6种:透明质酸(hyaluronic acid，HA)、硫酸软骨素(chondroitin sulfate，CS)、硫酸皮肤素(dermatan sulfate，DS)、硫酸角质素(keratan sulfate，KS)、肝素(heparan，Hp)和硫酸类肝素(heparan sulfate，HS)。各种GAG的结构及分布特点见表3-2。 表3-2 糖胺聚糖的结构和分布特点 糖胺聚糖 二糖单位 硫酸化位置 组织分布 透明质酸 (HA) GlcUA, GlcNAc 无 关节滑液，玻璃体，结缔组织 硫酸软骨素(CS) GlcUA, GalNAc C4, C6 骨，软骨，角膜 硫酸皮肤素(DS) IdoUA, GalNAc, C2, C4，C6 皮 肤，血管 硫酸角质素 (KS)I/ II Gal, GlcNAc C6 角膜，结缔组织 肝素 (Hp) IdoUA，GlcN C2, C6 , C2-N 肥大细胞 硫酸类肝素(HS) GlcUA，GlcN C2, C6 , C2-N 皮 肤，成纤维细胞，血管 各种GAG结构间的主要差别为二糖单位组成、GlcUA /IdoUA比例及硫酸化程度不同。除HA和KS除外，GAG都含GlcUA 和IdoUA。表3-2中仅列出主要的糖醛酸类型。KS不含糖醛酸，二糖单位为Gal和GlcNAc，由于此二糖单位在结构上与乳糖类似，仅GlcNAc代替了Glc，因此，又称为乳糖胺。其它的GAG都含GlcUA 和IdoUA。GAG常见的硫酸部位为己糖胺的C4和C6及C2，或己糖醛酸的C2(N-硫酸化)，但透明质酸是个例外，为非硫酸化GAG。KS I/ II型的差别在于GAG与蛋白多肽链的连接方式，分别为N-连接和O-连接。肝素在C2-N和C6上有硫酸基，肝素的IdoUA及C2-N硫酸化程度均高于硫酸类肝素，是区别肝素与硫酸类肝素的重要标志。GAG的分子量都很大，二糖单位的重复次数一般在30,100次，透明质酸的二糖重复单位可达2.5万次。 D-GlcUA D- GlcNAc L-IdoUA (硫酸化) D-GlcN(硫酸化) 透明质酸 肝素 (二)核心蛋白 与糖胺聚糖共价结合的多肽链称核心蛋白。核心蛋白的种类很多，并 已经被克隆和测序。核心蛋白含糖胺聚糖结合结构域，有些还有特殊功能的结构域，如蛋白聚糖通过核心蛋白的特殊结构域锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子中。 丝甘蛋白聚糖(serglycin)的核心蛋白主要含丝氨酸和甘氨酸(Ser-Gly序列)，约2/3的Ser结合有肝素，主要存在于肥大细胞的颗粒中，是一种典型的细胞内蛋白聚糖。 (三) 糖胺聚糖和核心蛋白的连接 除透明质酸游离存在外，其余糖胺聚糖均以蛋白聚糖的形式存在。与核心蛋白的连接具有糖蛋白中糖链和多肽链类似的N-糖链和O-糖链的方式。GAG中，CS、DS、Hp 和HS与核心蛋白连接点的结构为:GlcUA-Gal-Gal-Xyl-Ser，为蛋白聚糖型( Xylβ- O-Ser)的O-连接。KS I型和II型通过N-糖链和O-糖链与核心蛋白相连。有些蛋白聚糖含一条GAG链，如饰胶蛋白聚糖(decorin);有些则含多条GAG链，如可聚蛋白聚糖(见下)。蛋白聚糖分子中除含糖胺聚糖链外，也可结合少量的N-连接糖链和O-连接糖链。 软骨中主要含可聚蛋白聚糖(aggrecan, 又称大分子软骨蛋白聚糖)，它是以透明质酸分子为主干形成的蛋白聚糖亚基的聚集体(proteoglycan aggregate)(图3-12)。HA结构呈刚性伸展，分子量为103KD的HA长约2μm，蛋白聚糖亚基的间隔为40 nm左右。每一蛋白聚糖亚基核心蛋白约含3000个氨基酸，及约30个KS链(约50个糖基)和100个CS链(约100个糖基)。另外还有少量的O-连接糖链和N-连接糖链，分布在核心蛋白的不同区域。蛋白聚糖亚基通过核心蛋白及小分子连接蛋白的HA结合 区与HA结合。整个分子为一个“瓶刷”样结构。 构示意图 图3-12 软骨可聚蛋白聚糖的电镜照片及结 三、蛋白聚糖的功能 哺乳动物细胞产生大量结构复杂，功能多样的蛋白聚糖，它们广泛分布于ECM、细胞膜及分泌颗粒中。 蛋白聚糖的主要功能是构成ECM。例如，蛋白聚糖中的GAG含有COO-, SO3-而带大量的负电荷，所结合的Na+ 、K+等阳离子可吸引水并形成凝胶。这种凝胶状的分子筛允许小分子物质的自由扩散，防止细菌通过。可聚蛋白聚糖对维持软骨的柔韧性极为重要。串珠蛋白聚糖为基底膜的主要结构成分, 其伸展的核心蛋白由5,7个相连的串珠样结构域构成。通过结构域I中的Ser-Gly连接序列，结合2,15条硫酸类肝素链，另外还有10,12条N-连接糖链。在肾小球基底膜中，串珠蛋白聚糖相互聚集，并与基底膜的其它成分如Fn和?胶原分子等相互作用，参与基底膜的网状结构的构成。血管的基底膜也是阻止肿 瘤细胞扩散的重要屏障。黑色素瘤和淋巴瘤细胞可合成并释放一种特异的内切糖苷酶，该酶能将串珠蛋白聚糖分子中的硫酸类肝素链切除，从而使基底膜的结构遭到破坏，易化肿瘤细胞扩散和转移。膜蛋白聚糖, 或膜结合型的蛋白聚糖主要含HS。这类蛋白聚糖的核心蛋白为跨膜蛋白，大多数可具有作为膜受体参与细胞间的通讯。细胞的分泌颗粒中存在高度浓缩的蛋白聚糖，可调节分泌蛋白的活性。一些蛋白聚糖可与ECM中的胶原蛋白、Fn、Ln及成纤维生长因子(FGF)等结合，参与细胞间及细胞与ECM 间的相互作用，并影响细胞增殖、分化、黏附和迁移等。 GAG也可单独发挥作用。例如，透明质酸使软骨、肌腱等结缔组织具有抗压和弹性，因此，可作润滑剂和保护剂。在组织发生和重建中，常伴有HA最初大量合成，然后被透明质酸酶降解，这种变化有利于细胞增殖、迁移及定位。某些病原菌分泌的透明质酸酶对基质HA的降解，增加了病原菌的侵袭力。HA与细胞表面透明质酸受体CD44的结合，可介导多种细胞生物学行为。肝素存在于肥大细胞中，临床上常用作抗凝剂。肝素的抗凝作用是通过与凝血酶的抑制剂——抗凝血酶?结合，使后者构象改变并增强对凝血酶的抑制作用产生的，这也是第一次关于聚糖与蛋白相互作用的研究。肝素还可用于防治血栓。糖胺聚糖最初又称粘多糖，粘多糖累积症(mucopolysaccharidoses，MPS)是一组由于溶酶体内参与糖胺聚糖分解代谢酶类的缺陷，造成糖胺聚糖降解不完全所引起的溶酶体贮积病。 第四节 糖脂 糖脂是糖以糖苷键与脂类连接形成的糖复合物。糖脂是亲水和亲脂的兼性分子，为膜脂的重要组成成分。糖脂分为鞘糖脂(glycosphingolipid)、甘油糖脂(glycerolipid)、 胆固醇衍生的糖脂及GPI。甘油糖脂(第八章第四节)主要见于植物和微生物中，胆固醇衍生的糖脂，如治疗心力衰竭的强心苷类药物等。GPI的发现较晚，是对蛋白质起锚定作用的糖脂。鞘糖脂于1940年首先从富含脂类的组织中提取出来，后来在红细胞膜及鞘糖脂代谢异常的病人中也发现了鞘糖脂。由于鞘糖脂结构复杂，当时对其功能尚未了解，而将它们称为“谜样的脂”。现已在真核细胞中发现了200余种结构功能不同的糖 鞘脂。下面重点介绍鞘糖脂。 一、 鞘糖脂的分类与结构 鞘糖脂由糖和神经酰胺(ceramide, Cer)构成，神经酰胺是鞘氨醇(sphingosine)的氨基被脂酰化后所生成的化合物, 鞘糖脂因神经酰胺中的两条脂酸链所含双键的数量和长度各不同，而具有结构多样性和组织特异性。糖链通过还原末端的半缩醛羟基通过-与神经酰胺1-羟基以β-糖苷键相连，X代表各种不同的糖链。 最简单的鞘糖脂只连接一个糖基，最常见的是葡萄糖，其次为半乳糖。参与糖链构成的其它单糖包括GlcNAc、GalNAc、岩藻糖及唾液酸等。根据糖的性质，糖鞘脂可分为两类: 1(中性鞘糖脂 含葡萄糖、半乳糖、GlcNAc、GalNAc和岩藻糖等中性糖。例如，半乳糖神经酰胺，又称半乳糖脑苷脂，在脑和神经组织中含量最高，也是第一个被发现的鞘糖脂;葡萄糖脑苷脂一般见于周围组织中。 2(酸性鞘糖脂 含唾液酸或硫酸化的单糖。其中，含唾液酸的鞘糖脂又称神经节苷脂(ganglioside，G)，主要存在于神经髓鞘中。神经节苷脂一般含有1,4个唾液 酸，用M, D, T,Q代表，其字母右下角的数字表示唾液酸以外的糖基数(多用5减去糖基数表示)。如GM3代表一个唾液酸，两个糖基形成的神经节苷脂。常见的神经节苷脂有GM1、 GM2、GM3、GD2和GD3等。糖链末端的唾液酸可通过α2?3与半乳糖基及α2?8与唾液酸基结合(图3-13)。含硫酸化糖的鞘糖脂，称为硫苷脂。 图3-13 神经节苷脂的结构简图 二、鞘糖脂的功能 鞘糖脂是细胞膜的结构组份，它还参与膜蛋白功能的调节、细胞间的识别和信号转导等多种过程，并发挥重要的生物功能。 鞘糖脂位于细胞膜脂双分子层的外层，不同细胞来源的鞘糖脂所占膜总脂的比例不同，如在红细胞膜约为3 %，神经髓鞘膜约为28%。鞘糖脂分子容易相互聚集，因所含的脂酸链较长且饱和度高而相对伸展，并使局部细胞膜增厚，形成膜上特殊的微功能区(microdomains)，称为脂筏(lipid raft)。脂筏直径约70nm, 富含胆固醇。脂筏的形成有利于功能相关的蛋白质之间结合及功能的发挥。糖脂与一些膜受体的特异结合可改变膜受体的功能，如GM3与表皮生长因子受体的结合，抑制其活化时二聚体的形成及 酪氨酸残基的磷酸化。神经节苷脂具有受体或辅助受体的作用，能与细胞因子、毒素和病毒等特异结合。如霍乱弧菌分泌的霍乱毒素含1个A亚基和5个B个亚基( AB5)，B亚基与小肠粘膜上皮细胞表面的受体GM1结合(图3-14)，A亚基则进入细胞内。通过腺苷酸环化酶的激活，使cAMP升高并引起Cl-等电解质平衡紊乱，病人进而出现严重的腹泻和脱水症状。 图3-14 霍乱弧菌毒素与糖脂受体GM1结合 对小鼠神经酰胺半乳糖基转移酶基因功能的研究发现，该酶去除后髓鞘仍可以形成，有神经冲动传导障碍，并逐渐出现其它神经系统的异常表现。糖脂降解异常引起的疾病，如Gaucher’s病是由溶酶体内葡萄糖神经酰胺酶的缺陷，造成葡萄糖神经酰胺在巨噬细胞内堆积所引起的。含6-磷酸甘露糖的重组葡萄糖神经酰胺酶可与巨噬细胞表面的6-磷酸甘露糖受体 结合并进入溶酶体内，清除堆积的葡糖神经酰胺，使病人的症状得到改善。 肿瘤细胞可出现多种糖脂的异常改变。一些肿瘤细胞，如黑色素瘤和神经 母细胞瘤等GM2和GD2含量的明显升高，GM2 和GD2不仅可直接促进 肿瘤的生长，并可加速肿瘤血管生成。从肿瘤细胞膜上“脱落”(shedding) 的糖脂增加，可产生较强的免疫抑制作用。由于一些肿瘤特异性的抗体是 针对糖脂糖链决定簇(carbohydrate epitope)的，因此，以糖脂为抗原制 备的抗体可用于肿瘤的诊断和治疗。 Summary There are three classes of glycoconjugates: glycoproteins, glycolipids and proteoglycans. Like other biomolecules, glycoconjugates play important roles in the body. Glycobiology deals with the study of the structure, biosynthesis and function of the glycans and glyconjugates. Many kinds of glycans show variations in monosaccharide composition, structure and function. Monosaccharides, the structure units of the glycans, are commonly joined by 1?2，1?3，1?4，or 1?6 glycosidic bonds with either ?- or ?- anomeric configuration. The linkage in oligosaccharide chain is much more complex compared with that of the polypeptide chain and polynucleotide chain. The combination of glycan and protein makes glycoprotein. Glycoproteins are divided into three categories according to the structure of the linkage between the glycan and peptide chain: N-linked, O-linked and GPI-linked ones. Glycoproteins are widely distributed and exert many crucial functions in the body. The oligosaccharide chain of glycoprotein is crucial in maintaining the property, structure and the function of the most glycoproteins. Moreover, it is considered as a messenger molecule mediating the recognition and adhesion in cell-cell and cell-ECM interaction. The abnormalities of glycosylations may result in certain diseases, such as tumor and autoimmune diseases. Cell adhesion molecules (CAMs) located both in ECM and on the cell surface are mostly glycoproteins, e.g., fibronectins and laminins with RGD motifs in ECM, as well as integrins on the cell surface. Integrins act as bridges for the inter- and intra-cellular communications. The oligosaccharide chains of CAMs are important for the actions of CAMs. Proteoglycans are composed of glycosaminoglycans (GAGs) and core proteins. The characteristics of each kind of proteoglycans, such as disaccharide repeat unit composition, tissue specificity, is closely related to its functions. Many membrane bound proteoglycans function as the receptors which mediate the cell communications. The oligosaccharide chain is linked to the ceramide moiety in glycosphingolipids which are classified into neutral and acidic ones. Different types of glycosphingolipids are involved in the physical and pathological processes, such as GM3, a receptor for cholea toxin. The changes of glycosphingolipid in many tumors are predominant so that they can be applied as antigen markers for the treatment of tumor. 思考题 1( 名词解释 糖的一级结构 糖基化位点 内糖苷酶 整合蛋白 O-连接糖链 N-连接糖链, 蛋白聚糖 神经节苷脂 2( 比较三种生物大分子的一些结构特点。 3( 糖蛋白分为哪几类，在结构上各有何特点, 4( 举例说明糖蛋白在细胞与细胞及细胞与外基质分子 识别和黏附中的作用。 5( 糖链对糖蛋白的理化性质、空间结构和生物活性有 何影响, 6( ABO血型分类的分子基础是什么, 7( 简述糖胺聚糖的种类和结构组成特点。 (燕 秋) 燕秋 生于1963年10月。博士、教授、博士生导师。现 为大连医科大学生化与分子生物学教研室主任。1987年毕 业于白求恩医科大学英语医学专业。1996-1998年在瑞典 歌德堡大学分子生物学/遗传系留学，2003年7-9月为日 本筑波糖科学研究所访问学者。主持国家自然科学基金及 辽宁省科技厅课题多项。目前主要从事糖生物学研究，发 表相关论文近30篇，参编论著4部。获辽宁省科技进步 奖、新技术应用项目和发明奖。被评为辽宁省优秀教师和 辽宁省重点学科带头人。为第三届全国医学生物化学与分 子生物学专业委员。 其中,含唾液酸的鞘糖脂又称神经节苷脂(ganglioside,G),主要存在于神 经髓鞘中。神经节苷脂一般含有1,4个唾液酸,用M, D, T,Q代表,其字母右下角的数字表示唾液酸以外的糖基数(多用5减去糖基数表示)。如GM3代表一个唾液酸,两个糖... 61.187.179.69/ec2006/C26/Course/Content/N ... 125K 2008-3-12 - 百度快照