糖生物学基础理论.ppt

糖 聚糖 糖复合物 研究生班 第二军医大学生物化学与分子生物学教研室2003年9月10日 序言一 糖生物学 glycobiology 正在成为生命科学的新前沿二 糖基化作用 glycosylation 与糖化作用 glycation 一 糖生物学 概念的提出 1988年dwekr a 牛津大学教授 annurevbiochem1988 57 785 838glycobiology rademachertw parekhrb dwekra departmentofbiochemistry universityofoxford england publicationtypes reviewreview academic 糖生物学是以糖链为 生物信息分子 的水平上阐明多细胞生物的高层次生命现象的一门学科 g w hart 美国著名糖生物学家 生物化学中最后一个广袤前沿 糖生物学的时代正在加速来临 1993年5月在美国旧金山召开的首届 国际糖生物学工程会议 人类疾病的新前景 1993年9月美国nih召开 首届糖生物学会议 糖生物学是生物化学和生物医学交叉点的新前沿 1994年美国 第二届糖生物工程会议 二 糖生物学研究中的一场革命1990年11月 3个不同研究小组几乎同时发现血管内皮细胞 白血球粘附分子 elam 1 后改称为e 选择素 e selectin 这种分子能识别白血球表面唾液酸化四聚糖sia lex sia gal fuc glcnac 它是一种血型抗原 这是首次真正在人体内确证了炎症过程有糖类和相关的糖结合蛋白参与 更令人吃惊的是 在肺癌细胞和结肠癌细胞表面也发现同样的四糖 sia lex 可能同样的机制导致肿瘤的转移 继之 产生以该研究成果被产业化的热潮 糖工程 glycotechnology 也运应而生 糖工程 研究的是糖生物学的方法论和基本技术 以及把基础研究获得的知识进一步转化为生产技术等 1998年在德国召开的国际糖生物学讨论会上又更改为糖生物工程 glycobiotechnology 三 发达国家政府对糖生物学研究的支持 英国 牛津大学raymonddwek教授曾在1988年在 生化年鉴 上发表了题为 glycobiology 的综述 开创了 糖生物学 研究的新纪元 1991年牛津大学创刊了 glycobiology 专业杂志1992年建立糖生物学研究所 日本 1989年 创办 糖科学与糖工程动态 杂志 同年政府提出 糖工程基础与应用研究推进战略 并实施 糖工程前沿计划 该计划包括 糖工程 糖分子生物学和糖细胞生物学 总投资达百亿日元 美国 1986年 政府资助佐治亚大学创建 复合糖类研究中心 ccrc 并建立数据库和提出 糖库计划 每二年召开一次 糖工程 会议 明确提出 生物化学中最后一个重大前沿 糖生物学的时代正在加速来临 欧盟 1994 1998年间也提出了 欧洲糖类研究开发网络 计划 企图在该领域的基础研究与产业化开发上与美 日抗衡 四 重大突破和与现代医药学的密切关系1 糖类作为信息分子在受精 发生 发育 分化 神经系统和免疫系统衡态的维持等方面起重要作用 2 炎症和自身免疫疾病 衰老 癌细胞的异常增殖与转换和病原体感染等生理和病理过程都有糖类的介导 21世纪生命科学的研究焦点是对多细胞生物的高层次生命现象的解释 因此糖类研究必将成为生命科学的新前沿 二 糖基化作用 glycosylation 与糖化作用 glycation 糖基化作用是指单糖 寡糖或多糖链可由酶催化与蛋白质或脂类等非糖物质的特定部位共价结合形成糖复合物的过程 糖化作用是由还原糖上的 cho基与蛋白质或核酸分子上的游离氨基间形成西夫氏碱 经过amadori重排后生成早期糖化产物 再经过脱水和重排产生一些带有棕黄色荧光的晚期终末糖化产物 advancedglycatedendproducts age 的过程 所以也称非酶糖化反应或millard反应 参考书ajitvark etal essentialsofglycobiology 陈惠黎等 糖复合物的结构和功能 方福德等 分子生物学前沿技术 糖的化学 chemistryofcarbohydrate 一 单糖分子结构特点 一 构型d型和l型 定位编号最高的手性碳原子的构型与甘油醛比较 或d型或l型 cho h c oh ch2oh cho ho c h ch2oh d 甘油醛 l 甘油醛 d 型和l 型甘油醛的结构 cho h c oh ho c h h c ho h c oh ch2oh cho oh c h h c ho h c ho oh c h ch3 d 葡萄糖d 甘油醛l 岩藻糖糖开链结构 cho h c oh ch2oh o ohh hoh oh ho ch2oh h h d 葡萄糖 o hoh ohh oh ho ch3 h h l 岩藻糖 haworth式结构 o ch2oh h h ho oh h h ho ho h o h oh h oh h ho h ho h d 葡萄糖 葡萄糖椅型结构 h h ch3 l 岩藻糖 hohc h c oh ho c ho h c oh h c ch2oh d 葡萄糖 l 岩藻糖 d 型葡萄糖环状结构 hoh c ho c h oh c oh h c oh c ch3 构型和 构型 环状结构使c1位成为手性碳 c1位的半缩醛羟基与c5位的羟基处同侧为 构型 反之则 构型 hohc h c oh ho c ho h c oh h c ch2oh d 葡萄糖 d 型葡萄糖环状结构 hohc h c oh ho c ho h c oh h c ch2oh d 葡萄糖 o ohh hoh oh ho ch2oh h h d 葡萄糖 o ohh hoh oh ho h h h d 葡萄糖 d 型葡萄糖haworth式结构 o ch2oh h h ho oh h h ho ho h o ch2oh h h ho oh h h ho ho h d 葡萄糖 d 葡萄糖 葡萄糖椅型结构 h ch2oh o ohh hoh h ho ch2oh oh h d 葡萄糖 glc o ohoh hh oh ho ch2oh h h d 甘露糖 man o ohh hoh h h ch2oh oh ho d 半乳糖 gal 葡萄糖的立体异构体 二 立体异构体 三 衍生糖 o hoh ohh h h h oh ho ch3 l 岩藻糖 fuc o ohh hnh co ch3 h ho ch2oh oh h n 乙酰 d 葡萄糖胺 glcnac o ohh hnh co ch3 h h ch2oh oh ho n 乙酰 d 半乳糖胺 galnac 甲基糖类 氨基糖类 h h h h h o ohh hoh h ho cooh oh h o ohh hoh h ho cooh oh h h h 葡萄糖醛酸 l 艾杜糖醛酸 糖醛酸类 choh choh ch2oh o h cooh oh oh h h h h h3c co nh ho h3c co nh choh choh ch2oh o h cooh oh oh h h h h n 乙酰 神经氨酸 neuac n 羟乙酰 神经氨酸 neugc 唾液酸类 二 单糖间的连接 糖苷键糖复合物的糖链 在其糖苷键的连接中 必有一个是半缩醛羟基 另一个醇羟基 按照半缩醛羟基是 或 糖苷键可分为 糖苷键或 糖苷键 再标明其连接部位 如 o ohh hnh co ch3 h ch2oh oh h n 乙酰 d 葡萄糖胺 glcnac h o oh hh h ch2 h d 甘露糖 man h 1 4 2 3 5 6 1 4 2 3 6 5 o o ohoh hh h ho ch2oh h h 1 4 2 3 6 5 d 甘露糖 man o 还原端 非还原端 1 4糖苷键 1 3糖苷键 oh o ohoh hh h ho ch2oh h h 1 4 2 3 6 5 o 1 6糖苷键 d 甘露糖 man 糖链结构的复杂性 核酸和蛋白质可以储存大量的生物信息 是以分子量大为基础 而糖类作为信息分子则是以其结构多样性为特征 单糖和氨基酸 核苷酸 形成异构体数目的比较 单体种类和数目肽 多核苷酸 糖类异构体数目类异构体数目 xxxyxxxxyz 11361761056 1216 三 自然界中糖类存在形式游离糖 单糖 及其衍生物 寡糖 聚 多 糖结合糖 糖复合物或糖结合物 指糖类与蛋白质 多肽 或脂类共价结合的复合物 如 糖蛋白 蛋白聚糖 糖脂和脂多糖近年来 发现的一类新的糖复合物 即由糖类 脂类和蛋白质三者组成 被称为糖基化磷脂酰肌醇蛋白 glycosyl phosphatidylinositolprotein 简称gpi蛋白 这类结合蛋白通过gpi的脂肪酸插入膜脂双层的外层 被锚固在膜上 nh ch2 ch2 o o p o o 62man 1 2man 1 6man 1 4glcnh2 1 o o o p o o ch2 ch2 nh2 ho oh oh oh o o p o och2 ch ch2r2r1 o o c ch2 14 ch3 r4 r3 nh2 蛋白质 c o 额外的磷酸乙醇胺 额外的棕榈酰基 磷酸乙醇胺桥 gpi蛋白模式示意图 6 r1和r2 饱和脂酸 少数不饱和 r3和r4 糖基或糖链 p p glcnac p glcnh2 glcnac udpudp ac p glcnh2 man 3 dol p manx3dol p p man man 2 glcnh2 p etn ho p etn p r oh 内质网 p r gpi的生物合成 n n c p man man 2 glcnh2 p etn p man man 2 glcnh2 p etn n 内质网 腔面 细胞质 有关合成酶系 蛋白质的gpi化 gpi蛋白质的分类 1 细胞表面的水解酶 碱性磷酸酯酶 乙酰胆碱酯酶 二肽酶2 原虫外表的抗原蛋白 锥虫可变表面蛋白 疟原虫裂殖体表面蛋白抗原3 淋巴样抗原 脊椎动物脑和啮齿类动物胸腺细胞的thy 1抗原4 粘着分子 神经原的ncam 120 大鼠肝硫酸类肝素蛋白聚糖5 gpi化的小肽 小细胞肺癌的细胞表面一种抗原 可作为cd 24信号转导分子6 gpi相连的蛋白聚糖 glypicanmw 6 2万558个氨基酸残基含4条hs 硫酸肝素 糖链 3条在c端 1条在n端 7 其他 衰变加速因子 decayacceleratingfactor daf 人癌胚抗原 cea gpi结合蛋白的主要生理功能一 与免疫及神经细胞活化二 与信息传递的关系三 与受体 糖蛋白 glycoprotein 一 糖蛋白糖链结构的特征 一 糖链与肽链的连接方式及其分型 o onhn c ch2 chc o nhc och3 ch2oh o nho ch2 chc o nhc och3 ch2oh ser thr残基 asn残基 glcnac galnac 图3 1n 糖苷键和o 糖苷键连接方式 oh oh n 连接 寡 糖链 简称n 糖链 o 连接 寡 糖链 简称o 糖链 罕见的糖链与肽链的连接方式连接方式举例n 乙酰氨基葡萄糖 丝氨酸 苏氨酸细胞质和核中糖蛋白半乳糖基 羟脯氨酸阿拉伯半乳聚糖蛋白 藻类细胞壁糖蛋白半乳糖基 丝氨酸马铃薯凝集素 藻类细胞壁糖蛋白 地蚕表皮胶原甘露糖基 丝氨酸 苏氨酸酵母聚甘露糖真菌糖肽 clamworm表皮胶原l 岩藻糖 苏氨酸人尿糖肽 大鼠糖蛋白半乳糖 半胱氨酸 s 糖苷键 人尿糖肽葡萄糖 半胱氨酸 s 糖苷键 鳕变态反应原m 红细胞膜糖肽 二 n 连接糖链和o 连接糖链1 n 连接糖链的结构特点 manmanmanmanmanmanmanmanmanglcnacglcnacasn n 连接寡糖的分型 高甘露糖型 sasagalgalglcnacglcnacmanmanmanglcnacglcnacasn fuc glcnac 杂交型 复合型 galglcnacmanmanmanglcnacglcnacasn glcnac manman 1 4 1 4 1 3 1 6 1 4 1 4 1 4 1 4 1 3 1 6 1 6 1 3 1 4 1 4 1 6 n 连接糖链的核心五糖区结构 sagalsasaglcnacgalgalmanglcnacglcnacmanglcnacglcnacasn sagalglcnacmanmanglcnacasn galglcnac 几种特殊的n 连接糖连结构a 大鼠肝细胞膜糖蛋白的糖肽b 人红细胞膜唾液酸糖蛋白的糖肽 带有血型物质的复杂型n 连接糖链 2 o 连接糖链的结构特点 1 o galnac糖链 2 o glcnac糖链 gal 1 3galnac ser thr gal 1 glcnac 1 glcnac 1 3galnac ser thr glcnac 1 glcnac 1 glcnac 1 3galnac ser thr glcnac 1 3galnac ser thr galnac ser thr 36 galnac ser thr 36 常见o galnac糖链的核心结构 o glcnac糖链特点 1 仅存在于细胞质和细胞核中2 糖基化位点只连接有1个glcnac糖基3 糖基化处动态平衡 o ch2oh h h acnh o h h ho ho h d 葡萄糖 o ch2oh h h acnh o h h ho ho h d 葡萄糖 tyr ser pro thr ser pro ser o glcnactransferase o glcnacase o glcnac结构图解 proten glcnac udp 3h gal proten glcnac 3h gal udp galactosyltransferase neuclearproteinsnuclearporeproteinsrnapolymeraseiimanytranscriptionfactorsc myconcoproteinv erb aoncoproteinp53tumorsuppressorsv40tantigentyrosinephosphatasemanychromatinproteinsestrogenreceptorsfungaldna bindingproteins 已确定的 glcnac糖基化蛋白质 cytosketetalproteinscytokeratins13 8 18neurofilamentsh m lhumanerythrocyteband4 1synapsinimanysynapticvesicleproteinsmapstautalinvinculinclathrinassemblyproteinap3apasia 已确定的 glcnac糖基化蛋白质 otherproteins92 kdserproteinp43 hnrnpadenovirusfiberhumancmvul32rotavirusn526proteinbaculovirusgp41tegumentproteinp67translationredulationproteinmalarialproteinstrypanosomeproteinsgiardiaproteinse histolyticaproteinsschitosomeproteins 已确定的 glcnac糖基化蛋白质 3 三 糖基化位点 n 糖链的糖基化位点特异的氨基酸序列 也称序列子 asn x ser thrx可以是pro以外的任何氨基酸 序列中x位氨基酸的性质可能与合成的糖链结构有关 极性氨基酸 复杂型糖链非极性氨基酸 高甘露糖型糖链 糖基化位点和肽链氨基酸序列 o ch2oh nhc och3 oh glcnac h2coch r2cnhcchhncchnhcor1o ohcnhoh asn 除pro外任何氨基酸 ser thr oh s l s t t e g v a m h t t t s s s v s k s o galnac糖链的糖基化位点 人红细胞膜上血型糖蛋白a的n 端序列与糖基化位点 特点 1 分子表面2 ser thr比较集中的序列 常见四类o galnac糖基化位点序列结构1 t x x x 其中有1个x为thr2 x p x x x 其中有1个x为thr3 x x t x 其中有1个x为碱性氨基酸残基4 s x x x 其中有1个x为ser 四 糖链的微观不均一性 糖型 糖蛋白 分型 a型 非糖蛋白b型 高甘露糖型c型 复杂型d型 复杂型注 bp rnase的34位上n 糖链结构差异 牛胰核糖核酸酶 bp rnase igg的fc段asn297上可能有30余种糖链结构注 s 唾液酸g 半乳糖n n 乙酰氨基葡萄糖m 甘露糖f 岩藻糖 s g n mfn m n n asns g n m s g n mfn m n n asng n m g n mfn m n n asng n m s g n mfm n n asns g n m s g n mfm n n asng n m g n mfm n n asng n m g n mfm n n asnn m mfm n n asnn m n 1 n 2 n 10 n 15 igg糖链多种可能的结构 二 糖链的生物合成 一 基本特点 供体 受体和糖基转移酶 1 糖基供体核苷酸形式如 udp glc glcnac gal galnac xyl ara glcua和iduua gdp man和fuc cmp neuac 磷酸长 多 萜醇 dolichol dol 如 dol p p man glc和glcnac 磷酸长 多 萜醇的合成过程 乙酸 hmgcoa 异戊烯焦磷酸 法尼基焦磷酸 多萜醇 磷酸多萜醇 ch3ch3ch3ch3 c ch ch2 ch2 c ch ch2 n ch2 ch ch2 ch2 o p o 糖基 n 15 19 磷酸长萜醇结构式 2 受体糖基第一受体通常是肽链中特定氨基酸残基 糖链延长时 新接上糖基的几个羟基都可以是下一糖基的接受体 可形成分支 3 糖基转移酶 n 乙酰氨基葡萄糖基转移酶 glcnact 种类功能特点糖基供体 1i2ii3iii4iv5v6vi78 五糖核心区的glcnac的转移 五糖核心区内不同man或同一man上不同位置的glcnac的转移 外围链gal上glcnac的转移 进而形成重复的 gal glcnac n的结构 dol p p glcnac udp glcnac man 1 4glcnac 643 glcnact iglcnac 1glcnact iiglcnac 1glcnact iiiglcnac 1glcnact ivglcnac 1glcnact vglcnac 1glcnact viglcnac 1 man 1 man 1 642 42 五糖核心区 二 n 糖链的生物合成 内质网和高尔基体 两个阶段 为伴翻译 第一阶段 g 寡糖 脂质中间体的合成和转移 内质网 第二阶段 糖链的后加工和各型n 糖链的成熟 内质网和高尔基体 glc glc glc manemangmani mandmanfmanhmanbmancmana glcnac glcnac p p dol g 寡糖的结构 glc 3 man 9 glcnac 2 p p dol 1 2 1 3 1 3 1 2 1 2 1 2 1 2 1 3 1 6 1 6 1 3 1 4 1 4 g 寡糖 脂质体合成示意图 gdp man p dolman p dol gdp udp glc p dolglc p dol udp 反应 1 反应 2 g 寡糖合成的基本特点 1 第一个man是 异头体连接 其余man均为 异头体连接 方式可以是 1 3 或 1 6和 1 2 2 前5个man供体都是gdp man 后4个man供体为dol p man 反应在内质网膜的两侧进行 3 末端3个glc有两种连接方式 即 1 3或 1 2 4 衣霉素 tunicamycin 可以抑制g 寡糖的合成 衣霉素的结构 n 乙酰葡萄糖胺 尿苷 glc 3 man 9 glcnac 2 glc 3 man 9 glcnac 2 asn p p dol 寡糖转移酶 asn p p dol g 寡糖的转移和蛋白质的n 糖基化 1 高甘露糖型糖链的成熟 1 切除3个glc后 剩余部分man即可 如 大豆凝集素 2 根据需要切除部分man 次序是g e i d和f h 在通过mant连接必要的man形成各种高甘露糖型糖链 manemangmani mandmanfmanhmanbmancmana glcnac glcnac p p dol 1 2 1 2 1 2 1 2 1 3 1 6 1 6 1 3 1 4 1 4 glc glc glc 水解 2 杂合型糖链的成熟切除g e i d后 在b位接上 glcnac gal n和neuac 并可形成分支 manfmanhmanbmancmana glcnac glcnac p p dol 1 3 1 6 1 6 1 3 1 4 1 4 glc 3 mane mang mani和mand neuacgalglcnac n 水解 水解 3 复杂型糖链的成熟切除g e i d位man 在b位man上连接 glcnac gal n和neuac后 可形成分支 再进一步切除f和h位man 并连接 glcnac gal n和neuac 也可形成分支 manbmancmana glcnac glcnac p p dol 1 6 1 3 1 4 1 4 glc 3 mane mang mani和mand 水解 水解 manf manh 水解 neuac fuc galglcnac n neuac fuc galglcnac n 高甘露糖型糖链的成熟 杂合型和复杂型糖链的成熟 糖链合成的终止信号 一般认为外围链的 fuc或 neuac 三 o 糖链的生物合成 主要在高尔基体 芽生式合成 为翻译后加工 四 溶酶体酶的糖基化 man 6 p识别信号 manemangmani mandmanfmanhmanbmancmana glcnac glcnac asn 1 2 1 2 1 2 1 2 1 3 1 6 1 6 1 3 1 4 1 4 水解 glc 3 manemani mandmanfmanhmanbmancmana glcnac glcnac 1 2 1 2 1 2 1 3 1 6 1 6 1 3 1 4 1 4 p p asn mang 甘露糖苷水解酶 er man 6 p生成反应 man man6 p glcnac man 6 p glcnac磷酸转移酶 udp glcnacump h2oglcnac 三 糖链的降解和代谢病降解场所 溶酶体内降解方式 一 n 糖链的降解 含n 糖链的肽链 一定长度含n 糖链的肽片段 糖肽 切除五糖核心区的fuc n 糖链 glcnac glcnac asn 各种单糖基及其衍生物 glcnac 肽片段 各种氨基酸 蛋白水解酶 部分蛋白肽链降解在先 岩藻糖苷酶 glcnac酶f 各种外切糖苷酶 肽 n 聚糖水解酶f png酶f peptide n glycanasef 专一性水解酶 二 o 糖链的降解视糖链的多寡而言 一般糖链不多者 糖链和肽链降解同时进行 糖链较高者 则糖链降解进行在前 尤其是neuac 肽链降解在后 三 糖链增多症也称溶酶体贮积性疾病 lysosomalstoragediseases 大多数为常染色体隐性遗传病 其原因可能是 酶蛋白合成的缺陷酶蛋白不能糖基化或磷酸化 不能定向投送到溶酶体投送到溶酶体过程中 出现异常 如man 6 p受体结合能力变弱 与二天线n 糖链降解有关的糖链增多症及其相关酶的缺陷 四 糖蛋白糖链的生物学功能 一 常用的研究策略 比较不同糖链的同种糖蛋白的生物学活性 应用内切和外切糖苷酶观察糖链或糖链中某些糖基的生物学功能 应用糖链合成或加工抑制剂 可在细胞水平研究整条糖链的生物学功能 或研究不同糖链类型对糖蛋白代谢和功能 主要抑制剂 衣霉素 tunicamycin 抑制整条 糖链的合成 castanospermine cs deoxynojirimycin dnm deoxymannojirimycin dmm eswainsonie sw 抑制 葡萄糖苷酶 和ii 抑制 甘露糖苷酶 和ii 应用基因dna定点突变技术 研究整条糖链功能 为维持蛋白质构象不改变 糖基化位点氨基酸拟以相同性质氨基酸取代较妥 应用糖基转移酶的基因工程技术 可以观察糖链加工的某过程发生障碍和某一糖基缺失 或过度表达时对糖链生物学功能的影响 常用基因剔除 knockout 反义核酸封闭或转基因技术 利用糖基化过程不同步骤异常的细胞突变株 根据细胞行为的改变来研究不同结构糖链的功能 例如 中国仓鼠卵巢细胞 cho 的lec1和 株 分别缺失glcnactii和v lec29和30则可过度表达 1 3fuct 例如 幼仓鼠肾细胞 bhk 的ricr15和19株 是缺失 甘露糖苷酶ii的细胞株 二 寡糖链的主要功能1 在维持糖蛋白分子构象及其细胞内转运中的作用 1 影响新生肽链正确折叠和亚基聚合举例 1 g 寡糖链中3个glc基对肽链折叠至关重要 man 9 glcnac 2 asn udp glc 糖蛋白葡萄糖基转移酶 udp glcudp glc man 9 glcnac 2 asn 单葡萄糖十二糖基糖链 内质网上钙连蛋白 calnexin 为凝集素样蛋白 具分子伴侣作用可以识别上述单葡萄糖十二糖基糖链 并与之结合 引导肽链正确折叠 然后 钙连蛋白脱离糖蛋白 同时glc又被葡萄糖苷酶水解去除 糖链继续加工成熟 举例 2 运铁蛋白 transferrin tf 受体蛋白肽链的asn 251 317和727分别为3条n 糖链 但是其功能各不相同 asn 251为三天线复杂型 它的缺失使tf受体不能形成二聚体 从而影响受体的投递和功能 asn 727是高甘露糖型 带磷酸基 在肽链折叠和运送中起重要作用 举例 3 纤连蛋白 fibrinectin tn 受体正常功能形式为二聚体 如 5 1 经天冬酰胺酶f 即png酶f 或glcnac酶f处理 即不能形成二聚体 从而丧失功能 manbmancmana glcnac glcnac asn 天冬酰胺酶f glcnac酶f 其可能的原因 a糖链是维持亚基正确构象所必需的 亚基的正确构象又是其聚合的基础 b亚基上存在糖链结合区 可以识别和结合另一亚基的糖链 c亚基间糖链和糖链的相互作用 asn297 asn297 ch2 ch2 ch3 ch3 a b c g g c c igg中fc段asn297上两条n 糖链的相互作用细线为肽链 粗线为糖链 ch2 fc段中恒区重链第2结构域 a b c 为糖链的外围链 g为核心五糖部分 2 在细胞内转运和防止其降解中的作用举例 1 7721肝癌细胞经衣霉素处理后 细胞表面tf受体明显减 少 但是受体合成并不受阻 这说明tf受体蛋白的分拣和投送过程受到影响 举例 2 衣霉素不能改变cho细胞表面血型糖蛋白含量 但是可以使缺失o galnac糖基化的cho细胞突变株表面glycophorin含量明显减少 说明不仅n 糖链可以影响糖蛋白在细胞内转运 而且o 糖链也可以起到同样的作用 抑制糖基化对糖蛋白在细胞内分泌的影响 糖蛋白细胞分泌 iggigmiga 28 抑制85 抑制64 抑制 举例 3 糖修饰对糖蛋白的稳定性的影响 糖蛋白含糖量处理保留糖量稳定性 葡萄糖氧化酶酵母表面核酸酶鼠干扰素葡萄糖淀粉酶i 1250 高碘酸氧化内切 glcnac苷酶衣霉素高碘酸氧化 4 85 仅存在变性剂的情况下 2 免疫屏障作用免疫屏障作用 是指阻止肽链中一些抗原决定簇被免疫系统识别而产生抗体的功能 例如 使用e coli表达的无糖链的粒细胞 巨噬细胞集落刺激因子 gm csf 可使部分患者产生抗体 原因是其相应的抗原决定簇恰好位于肽链中原o galnac糖基化位点 糖基化使该抗原决定簇被掩盖 此外 免疫屏蔽作用还表现糖链末端糖基可以阻断糖链其余部分产生抗体 例如 igg的n 糖链末端缺乏gal时 即暴露glcnac可产生自身抗体 与类风湿性关节炎等自身免疫性疾病有关 3 寡糖链与蛋白质活性关系密切部分酶为糖蛋白 糖链不仅在酶蛋白构象形成 转运和防止水解等方面起十分重要的作用 而且部分酶催化活性必须依赖其糖链 例如 1 在原核细胞中表达的溶酶体 葡萄糖苷酶 只能表现免疫原性 但完全没有酶的催化活性 2 hmg coa还原酶在去糖基化后 其催化活性可降低90 以上 3 脂蛋白脂酶的n 寡糖链的五糖核心是其催化活性所必需 而其外围链部分则对催化活性作用不大 其原因可能是糖链改变了酶分子的疏水性 电荷性质 溶解度和粘性等 通过影响酶蛋白分子的构象及其稳定性来改变酶的活力 此外 某些蛋白质或激素的生物学活性也与其糖链结构关系密切 例如 人促红细胞生成素 humanerythropoietin epo 是一种糖蛋白 由165个氨基酸残基组成 其肽链第24 38和83位连接有n 糖链 第126位是o 糖链 研究表明当其基因在原核细胞中表达 所得的产物没有生物学活性 而在哺乳动物细胞或昆虫细胞中表达的产物就有活性 但也有明显差异 原因是各种表达细胞中翻译过程或翻译后的糖基化加工修饰不同 据研究发现其分子肽链中n 糖链是活性所必需 第38位上的n寡糖链与分泌关系密切 4 在细胞识别中的作用 1 在细胞受体 配体结合中的作用a 糖基介导的细胞吞噬作用例如 血浆铜蓝蛋白 每分子约含10个neuac 当除去其中2个neuac 血浆铜蓝蛋白的半衰期从45分钟降至3 5分钟 当采用neuac基转移酶有重新接上末端neuac 其半衰期可得到恢复 当用 半乳糖苷酶或半乳糖氧化酶去除或破坏其暴露的末端gal 吞噬细胞识别的标志 有可使其半衰期得到延长 去唾液酸铜蓝蛋白 64cu 铜蓝蛋白 表记的去唾液酸血清糖蛋白在大鼠血浆中的存留时间 注射的标记物 ml血浆 时间 分 摘自morell a g etal 1971 j biol chem h3 血清中的放射性 注射后时间 分 64cu 标记的天然的和修饰的家兔血清铜蓝蛋白从血循环消失的速度 1 3 5 2 1 铜蓝蛋白2 去唾液酸铜蓝蛋白3 氧化的去唾液酸铜蓝蛋白4a 3h 双标记去唾液酸铜蓝蛋白4b 64cu 双标记去唾液酸铜蓝蛋白5 去唾液酸 去半乳糖铜蓝蛋白 摘自morell a g etal 1968 j biol chem 243 155 4a4b 2 在激素 受体结合中的作用例如 a hcg大鼠卵巢的hcg受体蛋白肽链上有6个n 糖基化位点 当采用定点突变方法 将其中asn173 gln后 hcg与其受体的结合能力将完全丧失 当将asn77 gln和asn152 gln后 可使其与受体的亲和力下降80 如定点突变发生在asn269 asn277和asn291 则其结合能力不受影响 b epo正如前述 epo分子的糖链结构不同表现其生物学活性有明显差异 其原因除糖链与维持分子构象有关外 主要还是分子中n 糖链参与其与受体分子之间识别和相互结合过程 据报道含二天线n 糖链的epo较四天线对配体的亲和力高3倍左右 仅剩五糖核心区n 糖链epo约为完整n 糖链的5倍 3 在非激素受体 配体结合中的作用例如 运铁蛋白 transferrin tf 受体对tf糖链的识别正常人血清中tf的n 糖链主要为二天线 并不带核心fuc 其与受体结合的kd 4 9x10 8mol l 而孕妇血清中较多为三或四天线 并带核心fuc 其kd 9 8x10 8mol l 两者相较 亲和力后者低约50 4 在病原体侵袭中的作用 流感病毒 病毒通过识别黏膜细胞表面糖链末端的唾液酸入侵 但是不同的型的病毒专一识别不同的类型的唾液酸 a型b型 5 乙酰神经氨酸或5 羟乙酰神经氨酸 neu5ac neu5gc c型 5 9 二乙酰神经氨酸 neu5 9ac2 流感病毒 细菌 肺炎双球菌识别肺和脑膜细胞表面糖链末端的glcnac 而嗜腐球菌主要识别泌尿道细胞表面糖链末端的galnac和glcnac 寄生虫 恶性虐原虫裂殖子通过识别红细胞表面血型糖蛋白a glycophorina 糖链末端的neuac 而入侵红细胞 5 在精 卵细胞识别中的作用在受精过程中 首先由精子和卵细胞膜外称透明带的糖蛋白层结合 诱发精子的顶体反应 只有经过顶体反应的精子才能穿过透明带与卵细胞膜融合 完成受精过程 透明带糖蛋白层含3种蛋白 分别为zp 1 zp 2和zp 3 前两者都带有n 糖链 但只有zp 3含o galnac糖链 精子通过其精子蛋白 sp56 分子量为5 6万 识别zp 3分子上o galnac糖链 很可能是糖链上的 gal 而与之结合诱发顶体反应 实验证明用半乳糖氧化酶处理zp 3后 可阻止其与精子的结合 精子 sp56zp3半乳糖 精 卵细胞相互识别示意图 透明带 成熟卵细胞 卵细胞膜 figure20 26 schematicdrawingofhowthecorticalreactioninamouseeggisthoughttopreventadditionalspermfromenteringtheegg thereleasedcontentsofthecorticalgranulesbothremovecarbohydratefromzp3soitnolongercanbindtothespermplasmamembraneandpartlycleavezp2 hardeningthezonapellucida togetherthesechangesprovideablocktopolyspermy 5 在细胞粘附中的作用参与细胞粘附的分子绝大多数是n 糖链的糖蛋白 如 整合蛋白 integrin 选择素 selectin 免疫球蛋白家族和纤连蛋白 fibrinectin fn 等 整合蛋白 5 1 是高度n 糖基化的糖蛋白 亦为fn的受体 近期发现fn的糖链不影响其与整合蛋白的结合 但是 整合蛋白糖链的变化却可明显影响其与fn的结合反应 如 糖苷酶处理 5 1后 当去除末端neuac gal和glcnac残基 主要是glcnac 其粘附活性可下降60 原因是 5和 1亚基上n 糖链可促进亚基的聚合和维持特定的构象 这是两者有效结合的基础 五 糖链结构与疾病 一 细胞癌变与糖链结构的改变细胞癌变后 除常发现细胞表面fn丢失和一些新的糖蛋白合成之外 主要表现是细胞表面糖蛋白糖链结构的变化 1 恶性肿瘤细胞糖蛋白n 糖链结构改变的主要类型 恶性肿瘤细胞膜上糖蛋白n 糖链结构改变类型 类型酶学机制 天线数增加 1 lacnac重复序列出现或增加 2 核心fuc增加出现偏二天线n 糖链 3 平分型 bis glcnac增加外围链fuc增多末端neuac连接键改变 4 高man型n 寡糖链出现和增加末端neuac数量变化 glcnact iv和v 活力增高 1 3glcnact活性增高 1 6fuct活力增高glcnact iv活力 glcnact ii glcnac iii 活力升高 1 3fuct活性增高 甘露糖苷酶i和glcnact i 活力下降 man 1 4r 2man12man1 63 glcnac 1 glcnac 1 man 1 4r man12man1 63 glcnac 1 glcnac 1 62 glcnac 1 man 1 4r man1man1 63 glcnac 1 glcnac 1 24 glcnac 1 62 glcnac 1 c2c2 6 c2 4c2 6 c2c2 1 天线数增加 是肿瘤糖蛋白常见的糖链变化 据报道带有c2 6分支的n 糖链的三 四天线糖链与很多恶性肿瘤的转移潜力有正比关系 2 lacnac重复序列出现或增加 gal 1 4glcnac 1 4 n结构主要出现在具有c2 6分支的三 四天线n 糖链上 man 1 4r man12man1 63 glcnac 1 glcnac 1 62 glcnac 1 man 1 4r man1man1 63 glcnac 1 glcnac 1 24 glcnac 1 62 glcnac 1 c2c2 6 c2 4c2 6 gal 1 4glcnac 1 4 n gal 1 4glcnac 1 4 n 偏二天线n 糖链 man 1 4r man1glcnac 1 2man1 63 man 1 4r 2man12man1 63 glcnac 1 glcnac 1 man 1 4r 2man1man1 63 glcnac 1 glcnac 1 24 glcnac 1 glcnact ii glcnact iv 正常途径 man 1 4r man1man1 63 glcnac 1 24 glcnac 1 glcnact ii glcnact iv 异常途径 3 出现偏二天线n 糖链正常和某些恶性肿瘤中c2 4c2三天线n 糖链的合成途径 c2c2 c2 4c2 c2 4 4 末端neuac连接键改变 n 糖链末端 2 6连接的neuac转变为 2 3连接的neuac 后者可作为 2 8唾液酸转移酶 st 的底物 进一步形成多聚唾液酸结构 即 2 8neuac n 2 3neuac 据报道 神经细胞表面粘附分子 ncam 上多聚唾液酸结构与神经细胞的连接和神经组织的发育密切相关 肿瘤转移与糖链多聚唾液酸结构的关系有待进一步阐明 2 恶性肿瘤中几种糖蛋白n 糖链的结构改变 恶性葡萄胎和绒毛膜上皮细胞癌与hcg糖链结构异常hcg 亚基的ser 121 127 132和138分别连接4条o 糖链 根据其结构不同分为2型 即 i型和ii型 恶性葡萄胎 绒毛膜上皮癌和正常孕妇尿中hcg 亚基糖链结构的比较 组别i型ii型 正常孕妇80 85 10 15 恶性葡萄胎72 28 绒毛膜上皮癌37 40 60 63 正常人肝和原发性肝癌中ggt和n 糖链结构 糖链类型 分子比 正常人肝原发性肝癌 高man型复杂型二天线c2c2c2 4 偏二天线 三天线c2 4c2c2c2 6四天线c2 4c2 6含重复序列多天线具有c2 4具有c2 6 010065 7019 48 84 51 619 414 9 7 492 617 64 124 218 319 39 128 346 7 肝癌和n 糖链结构异常 正常鼠肝和ah66腹水肝癌中 谷氨酰转移酶 ggt n 糖链的比较 糖链 分子比 正常鼠肝ah66腹水肝癌 高man糖型复杂型糖链二天线三天线四天线含重复序列多天线含bis glcnac二天线酸性糖链总量单唾液酸双唾液酸三唾液酸四唾液酸 01004233111401004146130 168459131203972273087 二 免疫性疾病与糖链结构异常1 类风湿性关节炎在少年型类风湿性关节炎患者血清中 iggn 糖链末端为gal基的明显减少 而以glcnac为末端的糖链 亦称g0寡糖 的比例却明显增加 这种变化主要发生在igg的fc段 g0寡糖链是具有致病性 其含量与病情严重程度相关 可能机理 a g0寡糖链可成为一种自身抗原 被体内免疫系统识别 而产生的抗体又可与带有g0寡糖链的igg结合生成免疫复合物 沉积在关节腔内引起炎症 b x 衍射和核磁共振谱分析发现 糖链末端gal缺失后 igg的fc段多肽链上抗原决定簇暴露 并具有凝集素样作用与抗体上糖链结合形成复合物沉积 2 系统性红斑狼疮和局灶性肠炎系统性红斑狼疮和局灶性肠炎病人血清中iggn 糖链同样有缺失末端gal的变化 这也是造成病变的主要原因 蘑菇凝集素 pvl 与igg结合率 组别结合率 系统性红斑狼疮和局灶性肠炎类风湿性关节炎正常人 371 pvl专一结合 man glcnac 凝集素 六糖链结构与异种器官移植 糖脂 glycolipids 一 概述 一 定义 根据iupac iub命名 糖脂是指糖类通过其还原末端以糖苷键与脂类连接的化合物 二 分类 鉴于脂质部分的不同 可分4类 鞘糖脂 glycosphingolipids gsl 分子中含鞘氨醇甘油糖脂 glycoglycerolipids 分子中含甘油脂磷酸多萜醇衍生物糖脂类固醇衍生物糖脂 二 鞘糖脂的化学组成 结构和分类 1 1 1 神经酰胺 一 化学组成和结构1 脂肪酸为14 26个碳的可饱和或不饱和长链脂肪酸 以及18 26个碳的低不饱和者居多 性质比较稳定 2 鞘氨醇类是一类脂肪族长链氨基多原醇碱或长链碱基 鞘氨醇分类 1 4 烯鞘氨醇或鞘氨醇ho ch2 ch ch ch ch ch2 12 ch3nhoh2 二氢鞘氨醇ho ch2 ch ch ch2 ch2 ch2 12 ch3nhoh 4 3 4 羟双氢鞘氨醇或植物鞘氨醇 主要存在植物 但人的肾脏也有发现 ho ch2 ch ch ch2 ch2 ch2 12 ch3nhohoh 4 二十碳鞘氨醇ho ch2 ch ch ch ch ch2 14 ch3nhoh鞘氨醇的简写 如4 烯鞘氨醇或鞘氨醇可写为 d18 14鞘氨醇 羟基数 碳链长度 双键数 双键位置 4 3 糖基可以是单糖基或寡糖链 通过还原末端以 1 1 糖苷键与鞘氨醇类的c1位羟基连接 形成鞘氨醇糖苷 参与鞘氨醇糖苷合成的单糖基有6种 它们是 d glc d gal glcnac galnac l fuc和neuac近年来 发现在无脊椎动物中有 man xyl和糖醛酸 二 分类1 按糖基性质分类 中性鞘糖脂 只含中性糖基 酸性鞘糖脂 即含中性糖基 又有酸性糖基 神经节苷脂 糖链末端含有neuac 硫酸鞘糖脂 含硫酸化单糖基 故也称硫苷脂 因为鞘糖脂的糖基部分结构繁杂和变化较大 所以根据其n 脂酰鞘氨醇相连接的3 4个中性单糖基 将中性鞘糖脂分为若干系列 各种系列的中性鞘糖脂的缩写符号和核心糖链结构 系列名称 缩写 糖链核心部分结构 红细胞系列gbgalnac 1 3gal 1 4gal 1 4glc 1 1 cer globo series 异红细胞系列igbgalnac 1 3gal 1 3gal 1 4glc 1 1 cer isoglobo series 乳糖系列lcgal 1 3glcnac 1 3gal 1 4glc 1 1 cer lacto series 新乳糖系列nlcgal 1 4glcnac 1 3gal 1 4glc 1 1 cer neolacto series 神经节系列 gg gal 1 3galnac 1 4gal 1 4glc 1 1 cer ganglio series 粘系列mugal 1 3gal 1 4gal 1 4glc 1 1 cer muco series 半乳糖系列gagal 1 4glc