糖蛋白ppt课件

第二章糖蛋白(Glycoproteins),整合蛋白,外周蛋白,第一节糖蛋白的基本概念,糖蛋白(Glycoprotein)是指由比较短、往往带有分支的寡糖链与多肽链通过共价连接而成的一类糖复合物。其特点是蛋白质含量较多，糖所占比例变化大，表现为蛋白质的特性。糖蛋白在生物体内种类繁多，广泛分布在动物、植物、微生物的细胞膜、细胞间质、细胞外液、溶酶体、血浆、以及粘液和病毒中。,细胞中的糖蛋白有可溶性的，也有与膜结合的不溶形式，生物体内大多数蛋白质都是糖蛋白。其中包括：动物血清的转铁蛋白，免疫球蛋白等；细胞间质中纤连粘蛋白，层连粘蛋白等；促绒毛膜性腺激素，促甲状腺素等激素；,糖蛋白的基本概念,红细胞生成素，白细胞介素等；生长因子和细胞因子等粘蛋白；多种酶类：如真菌分泌的高峰淀粉酶、转化酶等。牛、羊、猪的胰核糖核酸酶都是糖蛋白，糖的含量分别为9.4%，9.8%和38%，而鹿和大鼠的此种酶却不含糖。,糖蛋白的基本概念,糖蛋白具有多种生物学功能和生理学效应，在生命体受精、发生、发育、分化、神经系统、免疫系统过程的控制，在炎症及自身免疫疾病、老化、癌细胞异常增殖及转移、病原体感染等过程中起着重要的作用。,糖蛋白的基本概念,第二节糖蛋白的组成和结构,糖蛋白分子由多肽链和糖链两部分组成，其中包括：N-连接糖蛋白和O-连接糖蛋白。,糖蛋白的组成和结构,糖蛋白的组成和结构,一、N-连接糖蛋白,定义：糖链的N-乙酰葡糖胺(GlcNAc)或N-乙酰半乳糖胺(GlaNAc)与多肽链的天冬酰胺(Asn)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-聚糖(N-Glycan)。连接点的结构:GlcNAc-N-Asn糖基化位点:N-连接聚糖中Asn-X-SerThr三个氨基酸残基序列子(其中X是除脯氨酸外的任一氨基酸)称为糖基化位点。,1、N-糖苷键结构,N-聚糖主要分为三种类型：复合型、杂合型和高甘氨酸型。它们都有共同的五糖核心结构；糖链与多肽链之间的共有序列为：Asn-X-Ser/Thr,2、N-糖链(N-Glycan),核心结构高甘露糖型复杂型杂合型N-连接糖链结构,实框内结构为所有N-糖链共同的核心五糖，虚线框内结构为高甘露糖型链共同的核心七糖。框外的结构随糖链而变化。,定义：糖链的N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)与肽链的Ser/Thr残基上的羟基氧原子连形成糖苷键，糖链为O-连接糖链，也称O-聚糖(O-Glycan)。连接点的结构:GalNAc-O-SerThr,二、O-连接糖蛋白,1、O-糖苷键结构,2、O-糖链(O-Glycan),O-聚糖与N-聚糖相比有多种结构形式，可延伸为多种不同核心结构的类型。已发现的有GalNAc-Ser/Thr，GlcNAc-Ser/Thr，Gal-Ser，Xyl-Ser，Man-Ser/Thr等8种。,第三节糖蛋白的生物合成,一、概述生物合成的特点糖基的受体糖基的供体糖基转移酶,1、生物合成的特点,糖链的生物合成和肽链、多聚核苷酸的生物合成有本质的不同。肽链、多聚核苷酸的生物合成基本上都是有模板的，而糖链的合成是没有模板的，糖涟的生物合成是由糖基的受体、糖基的供体和糖基转移酶这三类分子协调完成的。,2、糖基的受体,糖蛋白的肽链在糖基化过程中，第一糖基的受体通常是肽链中特定位置的氨基酸残基。此后糖链延伸时，糖基的受体则是新接上的糖基。蛋白质的肽链上有很多氨基酸可以作为糖基化的位点。N-糖链是接在天冬酰胺侧涟的酰胺氮上。O-糖链是接在丝氨酸或苏氨酸残基侧链的羟基氧上。,3、糖基的供体,游离单糖不能作为糖基转移酶所用的糖基供体，一定要经过活化。常见的糖基活化方式有两种：(1)核苷酸的形式(UDP-GlcNAc)(2)磷酸长萜醇(Dol-P)的形式,长萜醇是聚异戊二烯的衍生物作为糖基的载体,4、糖基转移酶,糖基转移酶是糖类生物合成的中非常重要的酶类，它们对糖基的供体和糖基的受体都有高度的专一性。糖复合物中糖链结构的复杂性，致使糖链的生物合成需要多个糖基转移酶的协同作用，前一个糖基转移酶的产物，是后一个糖基转移酶的底物。一个糖苷键对应了一个糖基转移酶，进而对应了一个基因，一条糖链则对应了一组糖基转移酶，进而也对应了一个基因组。,糖苷酶的作用是从前体将特定单糖剪切掉，变为合成糖链的中间体。糖基转移酶的作用是逐个将单糖加到特定的前体的特定位置上。,1、N-糖肽链的糖基化位点N-糖链是接在天冬氨酰侧链的酰胺氮上。特定的氨基酸序列，Asn-X-Ser/Thr。2、N-糖肽链的生物合成场所N-糖肽链的合成是在粗糙内质网和高尔基体中进行的。多数糖基化的蛋白质被分泌到细胞外或定位在细胞质膜上，但是一些带有磷酸化糖链的蛋白质则绝大多数被分拣投送到溶酶体中。,二、N-糖肽链的合成,N-糖肽链的合成,几乎所有在内质网上合成的蛋白质最终都被糖基化。糖基化的作用是：使蛋白质能够抵抗消化酶的作用；赋予蛋白质传导信号的功能；某些蛋白只有在糖基化之后才能正确的折叠和生物学活性。,3、N-糖肽链合成的基本步骤,(1)多萜醇(Dol-P)寡糖前体的合成；(2)多萜醇寡糖前体向新生肽的转移；(3)N-糖肽链后加工；(4)N-糖链链成熟加工。,衣酶素,N-糖肽键连接成糖蛋白的加工过程,(1)多萜醇(Dol-P)寡糖前体的合成,(2)多萜醇寡糖前体向新生肽的转移,寡糖基转移酶,(3)N-糖肽链的后加工,(4)N-糖肽链的成熟加工,三、O-糖肽链的合成,O-糖肽链的结构比N-糖肽链简单，但是合成的糖肽链种类比N-糖肽链多。肽链中可以糖基化的主要是丝氨酸和苏氨酸，此外还有酪氨酸、羟赖氨酸和羟脯氨酸，连接的位点是这些残基侧链上的羟基氧原子。通常是GalNAc和丝氨酸或苏氨酸残基连接成O-糖肽链(O-GalNAc)。,O-GalNAc糖肽链的生物合成场所：O-GalNAc糖肽链的生物合成场所是在高尔基体中。通常第一个连接上的糖单元是N-乙酰半乳糖胺，连接的部位是Ser或Thr的OH基团，然后逐次将糖基转移上去形成寡糖链，糖的供体同样为核苷糖，如UDP-半乳糖。糖基化的结果使不同的蛋白质打上不同的标记，改变多肽的构象和增加蛋白质的稳定性。,O-糖肽键连接成糖蛋白的加工过程,ThebiosyntheticpathwaysofO-glycansAandpoly-N-acetyllactosaminylO-glycansB,第四节糖蛋白的生物学功能,一、糖链对糖蛋白功能的影响,糖蛋白中蛋白质是生理功能的主要承担者，糖链对糖蛋白理化性质、空间结构和生物活性起修饰作用。(1)糖链对糖蛋白新生肽链的影响：参与新生肽链的折叠并维持蛋白质的正确的空间构象；糖蛋白在细胞内的分栋和投送。,糖链对糖蛋白功能的影响,(2)对糖蛋白的生物活性的影响:维持糖蛋白结构的稳定，抵抗蛋白酶水解，延长其半衰期。(3)参与分子的识别作用:糖链与蛋白质的相互作用介导细胞的专一性识别和各种生命过程的调控。,二、免疫功能,在各种免疫细胞表面有大量标志性物质-细胞因子，它们大多数为糖蛋白。它们能诱导抗体产生，活化吞噬细胞，调节淋巴细胞和天然杀伤细胞的功能，激活补体等。,免疫功能,大量岩藻糖基化的糖蛋白出现，可提供细胞免疫的特征性信息，并参与和促进两种细胞间的膜粘连作用,进而介导膜融合，引发巨噬细胞对将死亡或已死亡胸腺细胞的吞噬作用。,三、识别功能,流感病毒的血凝素可专一性识别人体细胞表面唾液酸化的寡糖链;大肠杆菌外源性凝集素识别宿主细胞富含甘露糖的膜糖蛋白;霍乱毒素(毒糖蛋白)能特异性识别宿主细胞膜上神经节苷酯分子。,识别功能,受精过程是由糖蛋白介导的过程，卵膜上的受体蛋白和精子凝集素均属糖蛋白,其中寡糖链是精子与卵子在细胞水平上相互识别的主要结构,糖链携带的信号是不同物种间相互区别的主要标志,构成了保持种内遗传延续抑制种间受精活动的首道防线。,四、血型,血型是指血红细胞膜上具有不同类型寡糖链的糖蛋白和糖脂分子与相应的血清抗体所构成的识别体系。在ABO血型中，膜糖蛋白的肽链部分基本相同,糖链也只有微小差异(糖链非还原端一个单糖的差异),但生理功能的差别极大。,五、宿主-病原体相互作用,植物细胞壁在受到病原体侵袭时,可产生一类特殊的寡糖素,可专一性刺激并诱导相关基因,表达合成不同特性的防卫分子，如植物抗毒素、蛋白水解酶抑制物、几丁质酶以及植物激素等。在不同层次上起到抗病、防病、愈合保护等作用。宿主细胞表面糖链的特定糖基可被病原体识别，使病原体的表面糖链也可掩盖其下面的抗原结构，而使其免于被宿主细胞识别等功能。,糖蛋白的生物学功能,第五节糖蛋白与疾病,细胞外或质膜上的糖蛋白都要通过内吞途径被传送到溶酶体中进行降解。在蛋白水解酶和糖苷水解酶的作用下，糖蛋白才能被彻底降解。如果某种水解酶的缺失，就会导致这种酶的底物的堆积，这就是所谓的代谢性的糖链增多症。糖链增多症也称为溶酶体贮积性疾病(1ysosomalstorasediseases)。,在肿瘤细胞表面，观察到含有岩藻糖大分子质量糖肽出现和增加。这种结构与肿瘤细胞的恶性行为相关。恶性肿瘤细胞特有的糖蛋白中富含大量唾液酸，与麦胚凝集素具有极高的亲合力。,糖蛋白与疾病,血清中正常的运铁蛋白含有一定比例的唾液酸和特殊的二天线分枝型糖链。分枝类型的差异、单糖组成上的岩藻糖化或甘露糖化的运铁蛋白,则大量出现在癌变型或血液病变者的血清中。糖链结构的改变对运铁蛋白与膜受体结合并转运铁离子的生理功能有密切的关系。,糖蛋白与疾病,第三章蛋白聚糖(Proteoglycans),第一节蛋白聚糖的基本概念,蛋白聚糖是一类糖基化蛋白，是由糖胺聚糖和核心蛋白组成的一种糖复合物。20世纪初期，从软骨组织提取了软骨粘性物质，从肝脏提取了抗血凝制剂(肝素)。到了50年代，阐明了这种粘多糖的组成是透明质酸(HA)，硫酸皮肤素(DS)，硫酸角质素(KS)和硫酸软骨素(CS)的化学结构。现命名为糖胺聚糖(GAG)。随后研究阐明了蛋白聚糖结构。,蛋白聚糖的基本概念,以往认为，蛋白聚糖是构成软骨等结缔组织细胞外基质的主要成分，起着维持组织粘弹性的作用。近年来发现蛋白聚糖不仅分布于细胞外基质，而且还存在于细胞表面、细胞内分泌颗粒以及细胞核中。并发现蛋白聚糖具有细胞黏附和信息传导及其它生物活性功能。,细胞外基质成分,纤连蛋白,胶原,层粘连蛋白,蛋白聚糖,蛋白聚糖的基本概念,目前，利用细胞遗传工程，分子克隆和基因剔除法，深入研究探讨蛋白聚糖的生理功能。发现与蛋白聚糖生物合成畸变相关的各种人类疾病。通过研究探讨蛋白聚糖生物合成途径，来寻找干预蛋白聚糖的组装和具有治疗价值的新方法。,第二节蛋白聚糖的组成,蛋白聚糖是由蛋白质和聚糖两部分组成。前者一般称为核心蛋白，后者为一条到上百条糖胺聚糖链(GAG)。两者以共价连接，构成完整的蛋白聚糖。由核心蛋白非共价键方式固定在透明质酸分子上。糖胺聚糖包括：透明质酸(HA)，硫酸软骨素(CS)，硫酸皮肤素(DS)，硫酸角质素(KS)，肝素(HP)和硫酸肝素(HS)。,一、核心蛋白,与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质称为核心蛋白(coreprotein)。核心蛋白特点：多数蛋白聚糖的核心蛋白有几个不同的结构域；均含有相应的糖胺聚糖取代结构域；通过核心蛋白中的特异结构域，一些蛋白聚糖可锚定在细胞表面或细胞基质的大分子上。,二、糖胺聚糖组成与结构,糖胺聚糖(Glycosaminoglycan，简称GAG)过去称为粘多糖(Mucopolysaccharide)，是由重复二糖单位连接而成。其二糖组分为氨基糖(GlcNAc或GalNAc)和糖醛酸(GlcA和IdoA)。GAG重复二糖的骨架：透明质酸(HA)、硫酸软骨素(CS)、硫酸皮肤素(DS)、硫酸角质素(KS)、肝素和硫酸类肝素(HS)。,糖胺聚糖的分子特性及分布,透明质酸,硫酸软骨素,硫酸皮肤素,肝素和硫酸肝素,硫酸角质素,糖胺聚糖和核心蛋白的连接方式,糖胺聚糖与核心蛋白的连接方式,软骨蛋白聚糖结构,第三节蛋白聚糖的分类,蛋白聚糖存在于所有哺乳动物组织，以及果蝇等昆虫和蚯蚓等软体动物中。根据蛋白聚糖在细胞中的分布，可以分成三类：第一类：膜结合型，典型代表是粘结聚糖和磷脂酰肌醇聚糖；第二类：细胞基质型，如聚集聚糖和多能聚糖；第三类：细胞内型，迄今只发现一种，即丝苷聚糖。,根据所含GAG的种类为依据的：硫酸软骨素蛋白聚糖硫酸角质素蛋白聚糖硫酸皮肤素蛋白聚糖肝素蛋白聚糖硫酸乙酰肝素蛋白聚糖,蛋白聚糖的分类,蛋白聚糖的分类,目前较为广泛采用的是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，将蛋白聚糖综合归纳为5个家族：(1)能与透明质酸(HA)特异相互作用的大分子细胞外的硫酸软骨素蛋白聚糖，包括软骨可聚蛋白聚糖，成纤细胞的多能蛋白聚糖和许多大的细胞外基质蛋白聚糖。,蛋白聚糖的分类,(2)具有小的同源核心蛋白及1或2条GAG链(硫酸软骨素CS，硫酸皮肤素DS或硫酸角质素KS)的蛋白聚糖，包括饰胶蛋白聚糖、双链蛋白聚糖及纤调蛋白聚糖等。(3)细胞外基质/基底膜的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖。(4)与粘结蛋白聚糖有关的膜插入细胞表面蛋白聚糖。(5)细胞内蛋白聚糖，例如丝甘蛋白聚糖等。,蛋白聚糖的分类,硫酸软骨素蛋白聚糖,硫酸肝素类蛋白聚糖,硫酸角质素蛋白聚糖,第四节蛋白聚糖生物合成,蛋白聚糖合成是在内质网和高尔基体中进行的。新生肽核心蛋白的丝氨酸残基在高尔基体中装配上糖胺聚糖(GAG)链。其糖基化过程首先通过四糖组成的连接桥(Xyl-Gal-Gal-GlcA)，逐个转糖基延长重复二糖单位的糖链，并对所合成的重复二糖单位进行硫酸化及差向异构化修饰成蛋白聚糖。,一、核心蛋白的合成,蛋白聚糖核心蛋白的合成与其他蛋白质的合成相同，核糖体上合成多肽，转入内质网继续合成。新生肽链在翻译的同时，切除其N-末端连接的信号肽，在蛋白伴侣的介导下，肽链进行适当的卷曲折叠，使各结构域具备其特定的构象。所有蛋白聚糖核心蛋白均具有Asn-X-SerThr三肽序列，它是起始合成N-连接寡糖链所需的同一序列。,二、糖肽链的合成,(1)糖胺聚糖合成的起始步骤是在木糖转移酶(Xylosetransfevase)的催化下，将一分子木糖连接到核心蛋白多肽链的丝氨酸残基上，形成O-糖苷键。再由半乳糖转移酶(galactosetransforase)催化依次转移两分子半乳糖，构成三糖连接区。然后再由高度特异的糖基转移酶作用逐渐按顺序延长，糖链合成后再进一步修饰。,糖肽链的合成,(2)由差向异构酶催化将葡萄糖醛酸转变为艾杜糖醛酸，而硫酸基则是由活性硫酸根提供，由硫酸转移酶催化加到新合成的糖肽链的氨基或羟基上。蛋白聚糖的合成首先在核糖体上合成多肽，并分泌入内质网中，在内质网中修饰过程中，由相应的糖基转移酶催化活性单糖转移到氨基酸的侧链上，合成胺基多糖。糖链的延伸和加工修饰在高尔基体进行。,糖胺聚糖链与多肽链的连接,硫酸软骨素A的合成示意,第五节蛋白聚糖的基本功能,蛋白聚糖主要功能之一是维持胞外基质的结构。维持软骨机械性能(硫酸软骨素)，起到关节的润滑和减震作用。具有维持或抑制细胞生长作用。在正常和病理情况下，蛋白聚糖可结合、储存和向靶细胞释放生长因子，参与信号传递作用。基底膜蛋白聚糖的主要功能是调节细胞分化和形态的建成。在胚胎发育时期，起调控胚胞着床和促进胚胎血管形成的作用。,蛋白聚糖的基本功能,乙酰胆碱受体集聚因子最重要的功能是引导乙酰胆碱受体在神经肌肉接头处集聚。蛋白聚糖具有促进血管形成，止血抗凝血(肝素抗凝血酶)作用。蛋白聚糖能引发蛋白质在其产生部位的固定和在基质中的转移，调节酶的活力和配体与受体的结合，防止蛋白质降解。,蛋白聚糖的基本功能,蛋白聚糖分子量较大，具有高度的亲水性，对保持结缔组织水分及与组织间物质交换有重要作用。蛋白多糖的糖链上含有较多的酸性基团，对于细胞外液中Ca、Mg、K、Na等阳离子有较大的亲和力，能调节阳离子在组织中的分布。,蛋白聚糖与创伤的愈合有密切关系。皮肤创伤后的肉芽形成过程中，通常先有糖胺聚糖的增生，促进胶原纤维的合成。近年来发现，某些生长因子和受体的结合，需要有糖胺聚糖的介导。纤维母细胞因子-2(FGF-2)和细胞表面受体靠肝素和硫酸肝素链的结合。硫酸类肝素除了可介导生长因子与受体的结合，还贮存和调控这些因子的作用。,蛋白聚糖的基本功能,GAG结合蛋白及其生物活性,GAG结合蛋白识别的寡糖,一、抗凝血酶-肝素,研究发现，肝素和抗凝血酶特异结合，引起抗凝血酶蛋白质构象的改变，从而阻止血凝反应。肝素承担增强凝血酶和抗凝血酶之间物理接触的作用。抗凝血酶-肝素在临床上用作抗凝剂起到止血的生理作用。,二、FGF-肝素相互作用,保护FGF免被降解刺激细胞增殖及分化,增强对FGF受体信号转导的作用,三、蛋白聚糖与神经功能,近年来研究发现，脑器官和神经系统中许多与构成软骨和结缔组织基质主要成分极其相似的蛋白聚糖，引起糖生物学家和神经学家们注意和兴趣。脑中都有那些蛋白聚糖？这些蛋白聚糖在神经系统中有什么生理作用？,蛋白聚糖与神经功能,研究发现，在神经系统中存在着许多蛋白聚糖，从脑中分离和鉴定的蛋白聚糖接近20多种。按GAG链命名有：硫酸软骨素蛋白聚糖和硫酸类肝素蛋