第九章糖蛋白与蛋白聚糖PPT课件

核酸蛋白质化学 生命科学技术学院 第九章糖蛋白与蛋白聚糖 第一节糖蛋白第二节蛋白聚糖 聚糖 glycan 是聚合寡糖 oligosaccharide 或聚合多糖 polysaccharide 的总称 它可以游离形式存在 如很多植物中的杂多糖 heteropolysaccharide 也可以糖复合物 glycocon jugate 的形式存在 如糖蛋白 glycoprotein 糖脂 glycolipid 和蛋白聚糖 proteoglrcan 其中糖脂一般不属于生物大分子 生物体蛋白是糖蛋白或蛋白多糖 包括酶 激素 膜蛋白 血浆蛋白 结构蛋白 毒素等生物界已发现200多种单糖 但只有11种出现在糖蛋白或蛋白多糖中 糖蛋白或蛋白多糖中的单糖 己糖 半乳糖 Gal 葡萄糖 Glc 甘露糖 Man 脱羟己糖 L 岩藻糖 Fuc 己糖胺 半乳糖胺 GalNH2 葡萄糖胺 GlcNH2 戊糖 木糖 Xyl L 阿拉伯糖 Ara 唾液酸 SA 通常为N 乙酰神经氨酸 NeuNAc 糖蛋白中已发现20多种神经氨酸衍生物醛酸 葡萄糖醛酸 GlcUA 艾杜糖醛酸 IdoUA 己糖衍生物 乙酰氨基葡萄糖 GlcNAc 乙酰氨基半乳糖 GalNAc 糖蛋白的含糖量可以小于1 或大于99 如胶原蛋白99 糖蛋白 glycoprotein 是蛋白质和糖类的共价复合物蛋白质肽链可在不同部位结合多个糖基或聚糖 含糖量可低至2 高至50 人体内的蛋白质至少有1 3是糖蛋白 存在于各种组织和不同细胞中 特别在细胞表面膜上含量丰富 绝大多数血浆蛋白质也是糖蛋白 第一节糖蛋白 一 糖蛋白中聚糖的分类和结构二 糖蛋白中聚糖的代谢三 糖蛋白中聚糖的功能 一 糖蛋白中聚糖的分类和结构 糖蛋白和糖基或糖链部分的连接方式和分类2 糖蛋白中聚糖的结构 1 糖蛋白和糖基或糖链部分的连接方式和分类 O 连接糖基或糖链糖基或糖链的还原端与蛋白质肽链中Ser Thr或羟赖氨酸残基中羟基的氧原子 O 相连接这类连接方式很容易被稀碱水解 可分以下两种方式 糖基和羟赖氨酸的OH连接 这类糖基只存在于胶原中 只有一个半乳糖 Gal 或其外侧再连有葡萄糖 Glc 组成Glc Gal二糖 糖基或糖链和Ser或Thr的OH连接岩藻糖 Fuc Ser Thr连接 Ser Thr的N端常常是两个连续的Gly残基N 乙酰氨基葡萄糖 GlcNAc 和Ser Thr连接 每个连接位点只有一个糖基 但可有多个连接位点N 乙酰氨基半乳糖 GalNAc 和Ser Thr连接 糖基最少只有一个GalNAc 多达18个以上 连成长链或分支糖链 主要存在于粘蛋白 mucin 中 又称粘蛋白型聚糖 N 连接糖链 一般由6到数十个糖基连接成糖链 GlcNAc还原端与蛋白质中Asn的酰胺氮 N 以 1 4糖苷键连接 这种连接方式不被稀碱水解 但可用肼解法使它和蛋白质分离糖链都有分支 大多存在于血浆蛋白 又称血浆蛋白型聚糖 但在细胞膜和胞质的糖蛋白中也普遍存在 可以和O GalNAc并存于同一肽链上糖基组成除GlcNAc外 尚有Gal和Man 酸性N 聚糖的末端也有SA 中性糖链则一般以Gal或Fuc为末端 很少数的N 糖链可含GalNAc和末端硫酸基团 能被N 糖基化的Asn位点必须有Asn X Ser Thr NXS T 序列子 sequon 其中X可以是Pro以外的任何氨基酸O GalNAc和N 聚糖的主要区别 O GalNAc和N 聚糖的主要区别 2 糖蛋白中聚糖的结构 N 连接型聚糖N 聚糖由一个分支的五糖核心 pentasaccharidecore 和不同数量的外链组成 N 聚糖的五糖核心 内侧的两个以 1 4键连接的GlcNAc 和外侧的3个Man组成 其中两个以 1 3和 1 6键连接的分支的Man称为 Man 内则的Man称为 Man内侧GlcNAc以 1 6键连接一个Fuc 称为核心Fuc c Fuc 在 Man上以 1 4键连接一个GlcNAc 这GlcNAc处于两个 Man之间 称为平分型 bisecting GlcNAc在一些植物蛋白中 平分型GlcNAc可被 1 2连接的木糖 xylose 取代 N 聚糖的结构 分型 高 寡 甘露糖型 high oroligo mannosetype 五糖核心以外的糖基全部是Man 复杂型 complextype 天线 antenna 连接GlcNAc Gal和SA NeuAc 或Fuc组成 带SA的称为酸性糖链 缺乏SA或以Fuc取代SA则为中性糖链 杂合型 hybridtype 一半分子类似复杂型 另一半分子则似高甘露糖型 故称为杂合型 三型 Gal GlcNAc二糖单位 Man Man 平分型GlcNAc 核心Fuc c Fuc 五糖核心的结构 A复合型B杂合型C高 寡 Man型 天线数 复杂型N 聚糖的天线数有1 5条 其中单天线很少见二天线 较多见 两条天线都以 1 2键分别连接于两个 Man的C2位上 称为C2C2二天线N 聚糖 三天线可分成两类 C2 4C4三天线N 聚糖 一条链连在 1 3Man的C2和C4 另一条链连在 1 6Man的C2位 C2C2 6三天线N 聚糖 一条外链连在 1 3Man的C2位 另两条外链连在 1 6Man的C2和C6位 四天线 C2 4C2 6四天线N 聚糖 正常细胞中含量较少 两条外链连在 1 3 an的C2和C4位 另两连在 1 6 an的C2C6位鸟类的糖蛋白中可存在C2 4C2 4 6五天线N 聚糖 N 聚糖的种属 组织和位点专一性 不同种属同一组织或同一种属不同组织中相同糖蛋白的N 聚糖并不相同 即N 聚糖结构具有种属和脏器专一性如 谷氨酰转肽酶 GGT 主要存在肾脏和小肠等组织 肝中的含量较少 人和牛同属于高等哺乳动物 但肾脏GGT的N 聚糖结构相差甚远 区别有下列三方面 人肾GGT的N 聚糖全部为复杂型 而牛含10 的高甘露糖型人肾GGT含酸性聚糖仅31 均为C2 4C2三天线而牛62 为酸性聚糖 除三天线外 尚有二天线和四天线 人肾GGT的天线外链中60 以上的GlcNAc与 1 3Fuc相连 且有GalNAc重复序列 而牛没有外链Fuc和重复序列 研究表明 不论何种种属 肾GGT和肝脏GGT即使其氨基酸序列完全相同 而N 聚糖的结构却有明显差别导致以上N 聚糖差别的原因主要是不同种属或不同组织中有关N 聚糖合成和加工酶的活力不同 因此 N 糖链的不均一性不但存在于不同种属和组织中 也存在于同一种属 相同组织的不同蛋白质中同一种蛋白质 其不同NXS T位点上的的N 聚糖结构也不相同 人们把这一聚糖结构的不均一性 heterogeneity 称为糖型 glycoform 即不同位点有不同的糖型 O GalNAc糖基或聚糖 单糖基和双糖基最简单的O GalNAc只有一个GalNAc 存在于为数不多的粘蛋白及分泌性糖蛋白中 如颔下腺粘蛋白 胃粘蛋白和lgA等两个糖基组成的O GalNAc聚糖有4种 SA 2 6GalNAc 1Ser Thr Gal 1 3GalNAc 1Ser Thr GlcNAc 1 3GalNAc 1Ser Thr GalNAc 1 3GalNAc 1Ser Thr 多糖基两个以上糖基的O GalLAc聚糖 其结构可分为核心 骨架 back bone 和非还原性末端a 核心与N 聚糖的五糖核心不同 O GalNAc的核心至少有8种 主要由内侧的GalNAc和外侧的Gal或 和GalNAc以不同的连接方式而组成 也可由两个GalNAc组成 1 4类核心较常见 1 3 6三类核心可只有核心二糖组成一条糖链 3 8为H1和H2抗原 血型O 4 9为Lewis抗原 b 骨架 基本上由核心外侧的延长部分 O GalLAc聚糖的骨架和N 聚糖的外链相似 基本上由 连接的Gal GalLAc二糖单位组成 c 非还原末端O GlcNAc聚糖的非还原末端也可有 2 6或 2 3连接的SA 分别和Gal或GlcNAc相连接 有相当一部分的O GlcNAc聚糖末端为HSO3 HSO3 也可和处于糖链中间的糖基相连O GlcNAc聚糖的非还原末端部分的糖基往往组成血型抗原 如ABH抗原 A和B血型的抗原是在H 1或H 2结构的Gal外侧 非还原侧 分别以 l 3键连接GlcNAc或Gal 结构如下 GalNAc 1 3 Fuc 1 2 Gal 1 3GlcNAc 血型A 1型 Gal 1 3 Fuc 1 2 Gal 1 3GlcNAc 血型B 1型 GalNAc 1 3 Fuc 1 2 Gal 1 4GlcNAc 血型A 2型 Gal 1 3 Fuc 1 2 Gal 1 4GlcNAc 血型B 2型 血型抗原的表达常是互相拮抗 即在一条糖链的末端不会同时表达两种血型抗原末端增加一个糖基可使一种血型抗原变另一种血型抗原O GalNAc聚糖可能也存在种属 组织 蛋白质和位专一性 但报道较少 二 糖蛋白中聚糖的代谢 1 N 聚糖的合成和加工2 O GalNAc聚糖的合成3 聚糖的降解 1 N 聚糖的合成和加工 N 聚糖的合成是一个共翻译 co translational 过程 即在粗面内质网的核糖体上合成糖蛋白的肽链时 一旦形成NXS T三联密码 即有可能开始糖化 随着肽链延伸进入内质网腔 N 聚糖可被位于网腔膜结构上的加工酶修剪加工至高甘露糖型 再进入高尔基体 继续被加工合成 N 糖链前身的合成 长萜醇磷酸循环合成早期需要一个脂类物质 磷酸长萜醇 dolicolphosphate P Dol 作为甘露糖 葡萄糖和糖链的运载体 在长萜醇焦磷酸寡糖转移酶的催化下 这个十四糖聚糖被转移到新生肽链的三联序列子NXS X上 此转移酶能识别十四糖中的还原端GlcNAc 以及非还原端的Glc已转出聚糖的长萜醇焦磷酸再释放一个磷酸而恢复成长萜醇焦磷酸 完成长萜醇磷酸循环 14糖 7糖 11糖 14糖 N 糖链的加工和成熟 Man GlcNAc Fuc Glc SA Gal 葡萄糖苷酶I I切去3个Glc Man糖苷酶切去1个Man 内则高尔基体 Man糖苷酶切去3个Man 中间高尔基体 N GlcNAc转移酶 外侧高尔基体 影响N 糖基化的因素 糖蛋白的肽链上有较多的N 糖基化位点 即NXS T三联序列子 但并非所有序列子都可被N 糖基化 说明N 糖基化取决于很多因素 肽链的亲水区的NXS T才能被N 糖基化 NXS T中X残基影响N 糖基化的效率 NXS T邻近的氨基酸残基可影响N 糖基化 NXS T的局部立体结构也可影响N 糖基化 十四糖本身的结构改变影响N 糖基转移 2 O GalNAc聚糖的合成 O GalNAc聚糖的合成没有前体 多数情况下 不像N 聚糖是共翻译过程 而是在已折叠及聚合蛋白质肽链的适当Ser Thr位点上逐个加上糖基 一般认为O GalNAc糖基化在N 糖基化之后 O GalNAc糖化的位点选择性 蛋白质肽链上的很多Ser和Thr位点并非每个都能O GalNAc糖基化 只有当Ser Thr附近含有Pro或另外的Ser或Thr时才易于O GalNAc糖化 O GalNAc聚糖的合成过程 核心合成 O GalNAc转移酶能识别肽链Pro附近的Ser Thr位点或Pro引起的空间构象变化的糖基化部位 从而合成各类核心延伸和分支 O GalNAc糖链的延伸是在核心的基础上再逐个添加糖基 在外链骨架上 由 1 6GlcNAcT催化生成GalNAc 1 6Gal 1 4分支唾液酸化 硫酸化和L 岩藻糖化生成非还原末端非还原末端的L 岩藻糖化是血型抗原合成的必需步骤 O GalNAc聚糖核心和双糖基糖链的合成 N GalNAc T SA T ST6O GlcNAc T Gal T GlcNAc T GlcNAc T GlcNAc T A B O血型抗原的合成 Fuc T GalNAc T Gal T 3 聚糖的降解 糖蛋白降解在溶酶体中进行 定位于细胞外表面或其他亚细胞组分的糖蛋白必须转运到溶酶体中 在一系列蛋白水解酶和糖苷酶的联合作用下才能彻底降解 N 聚糖 未覆盖糖的肽链的水解核心Fuc的水解糖 肽连接的水解分别水解 O 聚糖 具聚糖的密集度决定水解先后糖多的 先水解末端SA 再水解非还原末端 再水解肽 三 糖蛋白中聚糖的功能 聚糖功能研究方法的进展 如糖链合成或加工抑制剂 糖化位点突变和糖基转移酶的反义 antisense 技术或基因转染 transfection 和剔除 knockout 等的应用 证明糖蛋白的聚糖不但能影响糖蛋白肽链的折叠 聚合 溶解和降解 还参与糖蛋白的分拣 sorting 和投送 transfiching 等细胞过程 1 聚糖对糖蛋白空间结构的影响 糖蛋白肽链的正确折叠和亚基聚合都与N 糖化有密切关系例1 疱疹口炎病毒 VSV 的G蛋白经基因突变去除糖化位点后 不能形成正确的链内二硫键而错配成链间二硫键例2 整联蛋白家族是 和 亚基组成的杂二聚体 其中 5 1是纤连蛋白 Fn 主要受体 用 5或 1的单抗均可将 5 1以二聚体形式沉淀下来 如用内切糖苷酶去除亚基的聚糖 则两种单抗只各自沉淀 5或 1单体 2 聚糖对蛋白质部分的屏蔽作用 聚糖覆盖于糖蛋白的表面 一个单糖可覆盖0 6nm长度的表面积 对防止糖蛋白受蛋白酶水解具有重要意义例 运铁蛋白 TF 受体在251 317和727位的Asn上有三条N 聚糖 当251位Asn突变而去糖基化后 受体除不能形成正常的二聚体外 还可在组胞内迅速被蛋白酶水解 3 对糖蛋白分拣 投送和分泌的作用 如N 聚糖中的甘露糖 6 磷酸结构是糖蛋白分拣到溶酶体中的标志 用衣霉素处理细胞阻止N 糖化 可使很多定位于细胞膜上的糖蛋白减少 4 聚糖和活性糖蛋白的生物活性 大多数糖蛋白酶类去除聚糖后不影响酶活力 但部分酶去糖化后丧失或降低酶活力 聚糖对激素的亲和力也有影响 例1 衣霉素处理细胞或细菌中表达的溶酶体 葡萄糖苷酶只有免疫原性而没有酶活力 例2 带硫酸激素的受体亲和力高于带SA的激素 但生物半寿期较短 在血中清除较快 5 聚糖与分子识别和细胞识别 受体 配体互相识别凝集素对单糖和聚糖的识别 亲和层析 病原体对细胞膜上糖基的识别和侵袭精卵识别细胞粘附 第二节蛋白聚糖 蛋白聚糖 proteoglycan PG 是一类大分子的糖复合物 它与糖蛋白的区别主要是 核心蛋白上具有共价连接的糖胺聚糖链糖胺聚糖为一类杂多糖 由氨基己糖和己糖醛酸或半乳糖单位组成 它们交替排列成线性序列 一般称为重复二糖序列或二糖单位 一 蛋白聚糖的分子组成和分类二 蛋白聚糖的分布 结构和功能 一 蛋白聚糖的分子组成和分类 1 核心蛋白2 糖胺聚糖 1 核心蛋白 核心蛋白 coreprotein 与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质成熟蛋白聚糖的核心蛋白常是包埋在糖胺聚糖及寡糖链的复杂结构之内 因此用常规蛋白质测序是相法困难的 常见的有以下几种蛋白聚糖 丝甘蛋白聚糖 serglycin 核心蛋白最小 Mr约20 000 的一种蛋白聚糖 连接糖链的部位含有24个连续重复的SerGly序列丝甘蛋白聚糖存在于肥大细胞和造血细胞的贮存颗粒中 是一种典型的细胞内蛋白聚糖 饰胶蛋白聚糖 decorin 能修饰 decorin 胶原原纤维 富含亮氨酸重复序列模体 motif Mr约36 000 粘结蛋白聚糖 syndecan 源于希腊字 Syndein 即结合在一起的意思它是一类细胞表面蛋白聚糖 Mr为36 000的核心蛋白 含一个羧基末端胞质结构域 一个插入质膜的疏水结构域和一个连接糖胺聚糖链的细胞外结构域 可聚蛋白聚糖 aggrecan 由于其能形成集聚体 aggregate 而得名 它具有一个非常大的 Mr255 000 250 000 核心蛋白 分为几个结构域 3个球状结构域及连接寡糖和糖胺聚糖链中间区域 这种蛋白聚糖是软骨中的主要结构大分子上述4种核心蛋白虽然是本身基因家族的一个成员 但是由不同基因编码 蛋白聚糖核心蛋白具有以下几个特点 多数核心蛋白可分为几个不同的结构域所有核心蛋白均有糖胺聚糖取代结构域通过特异结构域 一些蛋白聚糖可锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子上有些核心蛋白含互作用的特异结构域 2 糖胺聚糖 糖胺聚糖 glycosaminoglycan GAG 过去称粘多糖 mucopolysaccharide 根居其重复二糖骨架的化学结构 可分为4类 透明质酸 透明质酸 hyaluronicacid HA 亦称hyaluronan或hyaluronate 是结构最简单的GAG 硫酸软骨素及硫酸皮肤素 硫酸软骨素 chondroitinsulfate CS 硫酸皮肤素 dermatansulfate DS CS的一种修饰形式 硫酸角质素 硫酸角质素 keratansulfate KS 硫酸乙酰肝素 硫酸乙酰肝素 heparansulfate HS 和肝素 heparin Hep 糖胺聚糖的结构比较 3 连接区域及寡糖 GAG链与核心蛋白之间的一个寡糖连接结构即连接区域 linkageregion CS DS链和HS 肝素链的连接区域是相同 由四个糖基构成的寡糖链 即 葡糖醛 1 3 半乳糖 1 3 半乳糖 1 4 木糖链通过还原末端的木糖与核心蛋白序列 通常为SerGly 中的丝氨酸的羟基之间形成 糖苷键 木糖的C 2常被磷酸化 硫酸软骨素 硫酸乙酰肝素 葡糖醛 1 3 半乳糖 1 3 半乳糖 1 4 木糖链 X Xyl G Gal U GlcUA H GlcNAc N GalNAc S SA 硫酸角质素 X Xyl G Gal U GlcUA H GlcNAc N GalNAc S SAKS链非还原末端常含有一个唾液酸 蛋白聚糖通过N 乙酰氨基葡萄糖与核心蛋白的天冬酰胺残基相连接 4 蛋白聚糖的分类 根据已确定的核心蛋白氨基酸顺序的同源性 免疫交叉反应 蛋白聚糖的组织细胞分布及其功能性质等 将蛋白聚糖归纳为5个家族 能与HA特异相互作用的大分子细胞外CSPG包括软骨的可聚蛋白聚糖 成纤维细胞的多能蛋白聚糖 virsican 和许多大分子的细胞外基质蛋白聚糖 具有小的同源核心蛋白及1或2条GAG链 CS DS或KS 的蛋白聚糖 包括饰胶蛋白聚糖 双链蛋白聚糖 biglycan 及纤调蛋白聚糖 fibromodulin 细胞外基质 基膜的HSPG 以及由EHS肿瘤合成的大分子HSPG 与粘结蛋白聚糖有关的膜插入细胞表面蛋白聚糖 一组细胞内蛋白聚糖 例如丝甘蛋白聚糖 另外 有一些蛋白聚糖未纳入这5个家族之中 这被称为 part time 蛋白聚糖 兼职 蛋白聚糖 括运铁蛋白受体 归巢淋巴细胞受体 类主要组织相容抗原以及 型胶原蛋白等 二 蛋白聚糖的分布 结构和功能 细胞外透明质酸与大分子间质蛋白聚糖细胞外小分子间质蛋白聚糖基膜蛋白聚糖细胞表面蛋白聚糖细胞内蛋白聚糖 1 细胞外透明质酸与大分子间质蛋白聚糖 HA广泛分布于动物结缔组织的细胞外间质中 以胚胎组织 滑液 玻璃体 脐带及鸡冠等组织中含量最多 也存在于一些细菌的荚膜中 例如葡萄球菌及A型和C型链球菌等 透明质酸与透明质酸结合蛋白 HA虽不以蛋白聚糖的形式存在 但它对胞外间质的理化性质起着重要作用HA分子具有非常高的分子量 其展开的无规线团结构占有巨大的溶剂领域 使溶液具有很高的粘度 形成较大的水化空间 有利于细胞的迁移和分化 可聚蛋白聚糖 可聚蛋白聚糖是存在于软骨细胞外基质的大分子CS DSPG 基Mr为250万 含有约100条CS链 50条KS 50条O 连接寡糖链及10 15条N 连接寡糖链它们分布在核心蛋白的不同区域 整个分子形状犹如一个 瓶刷 形成一个溶剂化领域 每克蛋白聚糖 干重 可吸引约50ml的溶剂 多能蛋白聚糖 多能蛋白聚糖是从人成纤维细胞分离 并命名的一种大分子集聚型蛋白聚糖 Mr在78万 86万之间 核心蛋白约为26万与可聚蛋白聚糖相比 多能蛋白聚糖也含有类似的氨基末端G1结构域和羧基末端G3结构域 但缺少G2结构域 配体结合区 糖胺聚糖附着区 HA结合区 通过环重复结构B和B 与HA结合 G2只