第一历史背景及概论

第一历史背景及概论第1页，共35页，2023年，2月20日，星期一OnlineatNCBI/entrez/query.fcgi?db=Books第2页，共35页，2023年，2月20日，星期一糖生物学基础（美）A.瓦尔基等编著，张树正，朱正美等译校，科学出版社第3页，共35页，2023年，2月20日，星期一什么是糖生物学？现代分子生物学的中心法则认为生物信息是从DNA流向RNA，再流向蛋白质的。另一方面，当前流行的趋势是对中心法则加以延伸，使之成为：

DNA

RNA

蛋白质细胞生物体第4页，共35页，2023年，2月20日，星期一所有的细胞都被“糖”包被着血红细胞表面上的糖萼第5页，共35页，2023年，2月20日，星期一

脂类DNARNA蛋白质

基质细胞糖蛋白，蛋白聚糖

糖脂

信号分子

组织和器官转录因子PHYSICALENVIRONMENT微生物寄生虫

酶饮食DNA糖生物体DNA第6页，共35页，2023年，2月20日，星期一因此，可以把分子生物学的中心法则扩大为

第7页，共35页，2023年，2月20日，星期一第8页，共35页，2023年，2月20日，星期一第9页，共35页，2023年，2月20日，星期一1988年，Rademacher、Parekh和Dwek三人认识到将糖化学和生物化学的传统原则与现代分子生物学对聚糖的研究相结合，而创用了“糖生物学”（Glycobiology）。广义的糖生物学可定义为研究自然界广泛分布的糖类（糖链或聚糖）的结构、生物合成及生物学的一门学科。包括从糖类的化学和修饰聚糖的酶学，到聚糖在复杂生物系统里的功能，以及对聚糖进行各种加工处理的技术等等。第10页，共35页，2023年，2月20日，星期一糖生物学的几点准则存在自然界的所有细胞都覆盖着一层致密而又复杂的糖链或聚糖。细菌和古菌的细胞壁由多种聚糖和糖缀合物组成。真核生物分泌的绝大部分蛋白都携带有大量共价结合的聚糖。真核生物中，细胞表面和分泌的聚糖大部分都是在内质网和高尔基体上组装的。真核生物的细胞外基质同样富含分泌型的聚糖。真核生物细胞质和细胞核中的聚糖也普遍存在。第11页，共35页，2023年，2月20日，星期一化学和结构糖苷键的连接方式以α-orβ-链接。糖链分为直链或者支链型。聚糖可以被不同的取代基修饰，如乙酰基和硫基。对聚糖进行测序是可行的，但是通常需要一些组合的或者重复的方法。可以在体外通过化学酶法合成简单或复杂的聚糖。第12页，共35页，2023年，2月20日，星期一生物合成基因组的最终产物是一些翻译后修饰的蛋白质，糖基化修饰是非常普遍的修饰方式之一。聚糖的基本单元（单糖）可以在细胞内合成，亦可以在环境中吸收。单糖首先被活化为核苷糖或脂连接糖，而后作为聚糖的供体被利用。聚糖或者糖缀合物的每个链接单元都是由一个或多个糖基转移酶催化完成的。很多糖基转移酶都是具有相关功能的多基因家族的成员。多数糖基转移酶只识别一定的聚糖（受体），也有一些糖基转移酶专一识别蛋白质或者脂类。很多生物合成酶（糖基转移酶，糖苷酶，硫基转移酶等）的表达具有组织特异性，并且受瞬间调控。第13页，共35页，2023年，2月20日，星期一单糖是聚糖的基本结构单位糖类被界定为多羟基醛或多羟基酮的化合物，或是能水解出上述单位的前体化合物。单糖是不能再水解成更简单的糖单位的一类糖。

单糖在其碳链的末端有一个羰基（即醛基），或者在碳链内部的一个碳原子上有一个羰基（即酮基），分别被称为醛糖及酮糖。第14页，共35页，2023年，2月20日，星期一自由的单糖可以直链型或环型存在。

半乳糖的直链和环状结构第15页，共35页，2023年，2月20日，星期一环状的单糖在寡糖中居支配地位，它们通过糖苷键或者分支，或者呈线性相连。任何一种糖缀合物都含有一个或多个单糖或多个寡糖单位（糖体）以共价键和一个非糖的组分（配糖体）结合。第16页，共35页，2023年，2月20日，星期一聚糖可以组成糖缀合物的主要部分

自然界出现的糖缀合物中，其分子的聚糖部分可有很大的变化，从占分子很小部分到占分子的主体部分。在大多数糖缀合物中，糖链占据分子相当大的部分。电子显微镜专家以质膜外的阴离子层的形式观察到大多数类型细胞的表面都被一层致密的糖衣所包被，此为糖被（又称糖缀合物）。第17页，共35页，2023年，2月20日，星期一糖蛋白的示意图。其多肽链只占整个糖蛋白总质量的较小的部分。第18页，共35页，2023年，2月20日，星期一大鼠隔肌毛细血管内皮细胞的电子显微镜图。第19页，共35页，2023年，2月20日，星期一单糖可形成的连键变化多于氨基酸或核苷酸核苷酸和蛋白质都是线性多聚体，都只有一种基本的连接键。相反，每一个单糖在理论上均可以一个α或β键与链中的另一个单糖的一个或几个位点连接，或与其他分子连接。因此，在生物系统里，理论上可能存在的糖的数字几乎是不可思议的，远远多于氨基酸或核苷酸。第20页，共35页，2023年，2月20日，星期一第21页，共35页，2023年，2月20日，星期一动物糖缀合物中常见的单糖单位

高等动物中常见的单糖如下：唾液酸：九碳酸性糖（Sia），如N-乙酰神经氨酸

己糖：六碳中性糖，如葡萄糖（Glc）、半乳糖（Gal）、甘露糖(Man)

己糖胺：在第2位具有氨基的己糖，如N-乙酰葡糖胺。

脱氧己糖：在第6位上没有羟基的中性六碳糖，如岩藻糖（Fuc）

戊糖：五碳糖，如木糖（Xyl）

糖醛酸：在第6碳带负电荷羧基的己糖，如葡糖醛酸（GlcA）和艾杜糖醛酸（IdoA）第22页，共35页，2023年，2月20日，星期一第23页，共35页，2023年，2月20日，星期一糖缀合物与寡糖的主要区别

在真核细胞中常见的寡糖种类主要是按其连接区（核心部分）与配体糖（蛋白质或脂类）连接键的性质而分类的。第24页，共35页，2023年，2月20日，星期一动物聚糖常见类别的基本核心结构第25页，共35页，2023年，2月20日，星期一N-聚糖（N-glycan）：即其糖链与多肽链中的Asn-X-Ser/Thr共有序列N-聚糖都有共同的五糖核心，分为三种：高甘露糖型、复合型和杂合型。

O-聚糖（O-glycan）：通过N-乙酰半乳糖胺与肽链的Ser/Thr残基相连接的聚糖。第26页，共35页，2023年，2月20日，星期一

糖缀合物即脂类或蛋白质通过N-或O-连接在寡糖链上形成的复合物。常见的糖缀合物有：糖磷脂锚、糖蛋白、粘蛋白、糖鞘脂、糖脂。第27页，共35页，2023年，2月20日，星期一聚糖生物合成时的拓扑学问题研究的最为详尽的各类聚糖的生物合成途径，均发生在内质网-高尔基体-质膜这一途径中，也发生在与这一途径相关分支中。有些糖链的主体部分是在上述这些胞内膜结构的胞质面生成的，然后翻转到膜的另一侧，但大多数糖链是在内质网与高尔基体的内侧面直接向延伸着的糖链添加生成的。不论分子的多大部分是面对内质网或高尔基体的内侧，它们最终都将处在分泌颗粒或溶酶体的内侧面，在拓扑学上，这已经被认为是在细胞的外侧了。第28页，共35页，2023年，2月20日，星期一细胞核与胞质的糖基化是常见的直到20世纪80年代中期，人们教条的认为，糖缀合物只位于细胞外表面、细胞器的内表面（腔面）及分泌分子的表面。然而在近20年已经清楚，一些类型的糖缀合物是在胞液与核中合成的，而且合成后就呆在那里。第29页，共35页，2023年，2月20日，星期一各种类别的聚糖常共享外端结构

不同类别的聚糖，其核心结构各异，相反，其外层的某些结构常享有相同的序列。如：糖链末端经常出现的唾液酸，岩藻糖等。

N-及O-聚糖和糖鞘脂（GSL）的次末端均常含有Galβ1-4（3）GlcNAcβ1的二糖单位（乳糖胺或者LacNAc）。第30页，共35页，2023年，2月20日，星期一微不均一性是蛋白质糖基化的共性蛋白质糖基化中的一个最吸引人但又令人困惑的问题是其微不均一性现象。微不均一性指：在一种特殊型细胞中的一种给定蛋白质的任何给定糖基化位点上合成的聚糖的精确结构中发现有一定范围的变化。实际上，微不均一性解释了糖蛋白在各种层析形式中的一些异常层析行为，而且更使多数糖蛋白的全结构分析难于进行。并且在功能的角度上，微不均一性的含义仍不清楚。第31页，共35页，2023年，2月20日，星期一聚糖的周转和降解

和所有活细胞的组分一样，聚糖也总是在不断地被合成和降解。其降解反应是由外切糖苷酶或内切糖苷酶介导的。有些末端单位也能被除掉，然后又被重新连接，原来的糖链仍然保持完整未降解。多数聚糖的完全降解通常都是在溶酶体中由一系列糖苷酶完成的。一旦降解成其组成单位单糖时，它们又输出到胞液里供循环使用。第32页，共35页，2023年，2月20日，星期一一个普通单糖的生物合成、利用及周转第33页，共35页，2023年，2月20日，星期一糖基化研究中使用的工具

寡聚糖的完全测序是难于通过一种方法完成的，而需要物理和化学手段的反复组合，才能最终阐明结构的细节。可以用各种各样