糖蛋白与蛋白聚糖.ppt

糖蛋白、蛋白聚糖 和细胞外基质 Glycoprotein, Proteoglycan and Extracellular Matrix,第十九章,南方医科大学基因工程研究所 生物化学与分子生物学教研室 朱利娜,糖类,单糖,多糖,糖复合物(glycoconjugates),糖蛋白(glycoprotein),蛋白聚糖(proteoglycan),糖脂(glycolipids),寡糖,糖生物学（glycobiology）,研究糖的分子结构、合成及生物功能的新兴学科。,糖组和糖组学（Glycome and Glycomics）,糖组：为单一细胞或生物体中的整套聚糖 糖组学：研究包括聚糖种类、结构鉴定、糖基化位点分析、蛋白质糖基化的机制和功能等的科学,糖 蛋 白 Glycoprotein,第一节,一种或多种糖以共价键连接到肽链上的蛋白质,蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表现为蛋白质的特性,分布：细胞膜、溶酶体、细胞外液,糖蛋白,葡萄糖(Glc) 半乳糖(Gal) 甘露糖(Man) 岩藻糖(Fuc),（一）糖蛋白聚糖分为N-连接型和O-连接型两种,一、糖蛋白糖链的结构,聚糖中单糖的种类：,N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc) N-乙酰半乳糖胺(GalNAc) N-乙酰神经氨酸(NeuAc),单糖结构,-D-葡萄糖 -D-半乳糖 D-甘露糖 （Glc） （Gal） （Man）,-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）,糖蛋白糖链的N-连接型和O-连接型,连接方式,N-连接：,O-连接：,（二）N-连接糖蛋白,糖蛋白聚糖中的N-乙酰葡糖胺与蛋白部分的Asn-X-Ser序列的天冬酰胺氮以共价键连接称N-连接糖蛋白。,定义：,N-连接糖蛋白中Asn-X-Ser/Thr三个氨基酸残基的序列子称为糖基化位点。,糖蛋白分子中聚糖结构的不均一性称为糖型(glycoform)。,N-连接糖蛋白的糖基化位点,都有一个五糖核心,N-连接糖蛋白的聚糖类型,合成含14糖基的寡糖链 转移至肽链的糖基化位点上 进一步在内质网和高尔基体进行加工,N-连接聚糖的合成共翻译过程,细胞定位：内质网和高尔基体 载体：长萜醇 过程： 酶：糖基转移酶或糖苷酶催化,注意：糖基必须活化为UDP或GDP的衍生物,长萜醇-P-P聚糖的合成,3型N-聚糖的加工过程,复杂型,（三）O-连接糖蛋白,糖蛋白聚糖中的N-乙酰半乳糖胺与蛋白部分的丝/苏氨酸残基的羟基相连，称为O-连接糖蛋白。,定义,由N-乙酰半乳糖胺和半乳糖构成核心二糖，核心二糖可重复延长及分支，再接上岩藻糖、N-乙酰葡萄糖胺等单糖。,O-连接聚糖结构,O-连接聚糖合成,特点：先合成多肽链，再加工糖链 不需载体 过程：,在GalNAc转移酶催化下，将UDP-GalNAc中的GalNAc转移至多肽链的丝/苏氨酸的羟基上，形成O-连接； 在相应的糖基转移酶作用下，GalNAc上逐个加上糖基，直至O-连接寡糖链形成,（四）蛋白质-N-乙酰氨基葡萄糖基化,-N-乙酰氨基葡萄糖(-N-acetylglucosamine， O-GlcNAc)糖基化修饰，主要发生于膜蛋白和分泌蛋白;,通过O-GlcNAc糖基转移酶(O-GlcNAc transferase, OGT)作用，将-N-乙酰氨基葡萄糖以共价键方式结合于蛋白质的Ser/Thr残基上; 主要存在于细胞质或细胞核中,O-GlcNAc糖基化蛋白质的解离需要特异性的-N-乙酰氨基葡萄糖酶(O-GlcNAcase)作用，O-GlcNAc糖基化与去糖基化是个动态可逆的过程。,O-GlcNAc糖基化位点常位于蛋白质Ser/Thr磷酸化位点处或其邻近部位。糖基化后即会影响磷酸化的进行，反之亦然。,二、糖蛋白分子中聚糖的功能,保护糖蛋白不受蛋白酶的水解，延长其半衰期； 起屏障作用，影响糖蛋白的作用； 聚糖还可以避免蛋白质中抗原决定簇被免疫系统识别而产生抗体。,（一）聚糖可影响糖蛋白生物活性,（二）糖蛋白聚糖加工可参与新生肽链折叠,参与新生肽链的折叠并维持蛋白质的正确的空间构象； 糖蛋白的糖基化与肽链的折叠及分拣密切相关 。,（三）糖蛋白聚糖可参与维系亚基聚合,具有功能的糖蛋白的二聚体，往往依靠糖-蛋白或糖-糖相互作用维系亚基的聚合和构象。,（四）聚糖对蛋白质在细胞内的分拣、投送和分泌中的作用,有些蛋白质的投送信号存在于肽链内，但有些是与其糖链有关。,（五）糖蛋白聚糖具有分子间的识别作用,聚糖中单糖分子连接的多样性是聚糖起到分子识别作用的基础；,受体与配体识别和结合也需聚糖的参与； 细胞表面糖复合物的聚糖还能介导细胞-细胞的结合。,蛋白聚糖 Proteoglycan,第二节,蛋白聚糖是一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白形成的大分子糖复合物,糖占比例大，约一半以上，具有多糖性质。,分布于软骨、结缔组织、角膜基质、关节滑液、粘液、眼玻璃体等组织。,蛋白聚糖的结构,一、糖胺聚糖,糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）是由己糖胺和己糖醛酸构成的重复二糖单位。,硫酸软骨素类(chordroitin sulfates) 硫酸皮肤素(dermatan sulfate) 硫酸角质素(keratan sulfate) 透明质酸(hyaluronic acid) 肝素(heparin)和硫酸类肝素(heparan sulfate),体内重要的糖胺聚糖（6种）：,二、核心蛋白,核心蛋白（core protein）为与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质。,核心蛋白均含有相应的糖胺聚糖取代结构域，一些蛋白聚糖通过这一结构锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子中。,大分子聚集型胞外基质蛋白聚糖 小分子富含亮氨酸胞外基质蛋白聚糖 跨膜胞内蛋白聚糖,根据核心蛋白和糖链成分的差别，蛋白聚糖分为3类：,细胞表面的黏结蛋白聚糖,黏结蛋白聚糖（syndecan-1）为细胞膜表面主要蛋白聚糖成分,蛋白聚糖聚合物,三、蛋白聚糖的合成,在内质网上合成核心蛋白多肽链，同时即以O-连接或N-连接的方式进行聚糖加工； 在高尔基体内进行糖链延长或加工修饰；,多糖链的形成是由单糖逐个加上去的，单糖要由UDP活化；糖醛酸由UDPGA提供；硫酸由PAPS提供；糖胺氨基来自于Gln。,四、蛋白聚糖的功能,在基质中蛋白聚糖和弹性蛋白、胶原蛋白以特殊方式连接，构成基质的特殊结构。这与细胞的粘附、迁移、增殖和分化等有关。,抗凝血(肝素) 参与细胞识别结合与分化(细胞表面的硫酸素) 维持软骨机械性能(硫酸软骨素)等,1. 构成细胞外基质最主要功能,2. 其它功能,每一聚糖都有一个独特的能被蛋白质阅读，并与蛋白质相结合的三维空间构象，即 糖密码(sugar code)。,聚糖的信息分子作用,聚糖结构的多样性和复杂性 特异的聚糖结构被细胞用来编码若干重要信息。,糖蛋白与蛋白聚糖的区别,细胞外基质 Extracellular Matrix, ECM,第三节,细胞外基质(extracellular matrix，ECM),分布在各组织细胞和细胞间的胞间隙或胞间膜。,细胞外由纤维状胶原、透明质酸、蛋白聚糖和糖蛋白以不同比例组成的细胞间质。,结构蛋白，如：胶原 (collagen) 专一蛋白，如：纤连蛋白 (fibronectin, Fn)、层粘蛋白 (laminin, Ln) 蛋白聚糖,ECM的主要成分：,一、胶 原,胶原(collagen)是结缔组织的主要蛋白质成分。,分布于骨、皮肤、血管壁、肌腱、韧带、肌肉、软骨、角膜等。,起支架、维持组织构型、机体运动等多项作用。,（一）胶原的分子组成和分型,胶原经超速离心后可分得3个组分，即、，其中和组分分别是组分的二聚体和三聚体。组分又分为1, 2, 3和4，它们在氨基酸组成上有所不同，但肽链长度近似。,5型胶原蛋白的结构及组织分布,（二）胶原蛋白C端非螺旋结构域,型胶原蛋白C端非螺旋结构域的氨基酸序列含有内皮抑素(endostatin)的全部序列 ，推测其会产生内皮抑素，发挥抑制内皮细胞生长作用。,不同胶原蛋白C端非螺旋结构域能产生不同的内源性血管生成抑制剂，它们都有显著的抑制血管内皮细胞生长和迁移、抑制肿瘤细胞增殖和迁移等作用。,内源性血管生成抑制剂种类和来源,由3条肽链以右手螺旋形成绳索样结构，称为原胶原（tropocollagen）,（三）胶原的氨基酸组成和空间构象特点,富含甘氨酸（占1/3）和脯氨酸（占1/4），特含有羟赖氨酸和羟脯氨酸，缺色氨酸和半胱氨酸，甚少酪氨酸。 多显示为重复的Gly-Pro-X氨基酸序列。,3-肽链,I型胶原,胶原纤维的组装,型胶原蛋白聚合形成带横纹的微纤维、胶原纤维和纤维束,胶原微纤维,原胶原分子的共价交联醛醇交联反应,二、纤连蛋白,纤连蛋白(fibronectin, Fn)是广泛存在于细胞外基质、基底膜和各种体液（血浆、组织间液、淋巴液、关节腔滑液、羊水）中的一种多功能糖蛋白。,多为二聚体形式，也有以多聚体形式存在。,由分子量为25万的单体组成的二聚体。它的一级结构由3种不同类型的内在序列同源结构重复出现而构成。,（一）Fn的分子结构,介导细胞与细胞、细胞与基质的相互作用，参与许多生理活动，例如：细胞的形态、增殖、分化及个体发育、生殖、信息传递、凝血、组织修复等。,（二）Fn的功能,Fn的分子结构域,层粘连蛋白(laminin, Ln)是由三条多肽链组成的多结构域糖蛋白，也称为型胶原基质。 分布在所有组织的基膜上。,三、层粘连蛋白,由三条多肽链(1条A链和2条B链)通过二硫键连接，排列成十字架形。,（一）层粘连蛋