糖复合物的结构和功能第一讲

糖复合物的结构和功能第一讲第1页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖复合物研究进程50-60年代，复合物中糖链的化学组成70年代，复合物中糖链的生物功能目前，糖类不仅作为能量物糖组分的功能质和结构组分，而且担负着重要的生物功能糖复合物中糖基或糖链生物功能的迅速发展，形成“糖生物学”的新兴学科。第2页，共62页，2023年，2月20日，星期二WhyCellSurfaceGlycansAreUniversaltoLivingCellsprotective,stabilizing,organizational,andbarrierfunctions;静止移动阿利新蓝（正电荷）与酸性糖反应（负电荷）(GAGsSAHA)AjitVarki第3页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖生物学中心法则蛋白质、DNA合成有模板2.糖链合成无模板糖基供体、糖基受体和糖基转移酶三者协同组装而成糖基转移酶糖苷键糖基受体糖基供体

糖生物学中心法则：一个基因→一种糖基转移酶→一种糖苷键---一种糖链第4页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖基转移酶（GTase）--装配线“工人”糖链合成的中心环节是GTase。

一条糖链→一组GTase→一个基因组不同生物;同一生物不同组织;同一组织的不同发育阶段同一细胞株不同时相GTase表达和活性均有差别，给糖类结构与活性研究带来了巨大挑战！目前发现100多种GTase，且有许多（30多个）已经被克隆，用于糖类结构研究中。第5页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖基转移酶的

分布糖基转移酶主要分布于粗面内质网和高尔基体。1）顺式（cis）高尔基体：无糖转移酶GTase但在G寡糖加工中有糖水解酶（Glycosidase）2）中部（medial）高尔基体：有GlcNAcT-Ⅰ，Ⅱ，

Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ；α-1,6-FucT。3）反式高尔基体网络（TransGolgiNetwork,TGN）外链加工：GalT，α-1,2和1，3-FucT；

α-2,3;2,6;2,8-NeuAcT;GlcNAcTⅦ。第6页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖基受体（Receptor)通常第一个糖基的受体是肽链中特定位置的氨基酸。如N-糖链是Asn（天冬酰胺）；

O-糖链是Ser/Thr等。此后，糖基的受体就是新生成的糖基。糖链是否分支由不同的GTase决定。肽链（糖基受体）糖基第一个糖基的受体是肽链中特定位置的氨基酸糖基的受体就是新生成的糖基糖链是否分支由糖基转移酶决定第7页，共62页，2023年，2月20日，星期二

糖基供体（Donor）游离的单糖不能作为糖基转移酶的糖基供体，一定要经过活化。单糖活化主要有2种形式：1）磷酸长萜醇形式;2）核苷酸形式；3）维生素A类一种单糖可有多种活化形式：Glc有5种a.UDP-Glc:动物合成糖原时的Glc供体ADP-Glc:植物合成淀粉时的Glc供体GDP-Glc:植物合成纤维素时的Glc供体Dtdp-Glc:细菌合成脂多糖中O-抗原时的Glc供体DolPP-Glc:动物合成N-糖链前体G寡糖时的Glc供体几种单糖可以用同一种活化形式：以UDP活化方式的单糖:多种以GDP活化方式的单糖:ManManUAFuc以DolPP活化方式的单糖：ManGlcGlcNAc第8页，共62页，2023年，2月20日，星期二动物多糖复合物的分类1.蛋白多糖：蛋白+糖类（糖链较长）2.糖蛋白:蛋白+糖类（糖链较短）3.糖脂：糖类+脂类4.GPI：糖类+脂类+蛋白质第9页，共62页，2023年，2月20日，星期二蛋白多糖透明质酸糖蛋白鞘糖脂细胞膜细胞浆硫酸软骨素硫酸乙酰肝素N-多糖O-多糖O-多糖N-多糖O-GlcNAc糖蛋白蓝色部分为核心糖序列GPI第10页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖复合物的结构特征第11页，共62页，2023年，2月20日，星期二蛋白聚糖结构蛋白聚糖(PG):是一类大分子糖复合物，核心蛋白上具有共价连接的糖胺聚糖（GAG)链。核心蛋白糖胺聚糖糖胺糖醛酸葡萄糖胺半乳糖胺葡萄糖醛酸艾杜糖醛酸核心蛋白糖胺聚糖组成第12页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖胺聚糖（GAG）：是由己糖胺和己糖醛酸构成的重复二糖单元。体内重要的GAG：透明质酸（HA)

硫酸软骨素(CS)和硫酸皮肤素(DS)

硫酸角质素(KS)

硫酸乙酰肝素（HS)和肝素（HP)第13页，共62页，2023年，2月20日，星期二GAG的核心糖链和重复单元GlcU-Gal-Gal-Xyl-Ser硫酸软骨素硫酸乙酰肝素CSHSGAGs：1.根据二糖重复单元的结构可分为四类2.SO42-具有重要作用3.负电荷，酸性糖核心蛋白第14页，共62页，2023年，2月20日，星期二123456组成：葡萄糖醛酸/艾杜糖醛酸—葡萄糖胺（GlcUA/IdoUA-GlcNAc)结构修饰(主要是硫酸化）：N-乙酰基的除去，并磺化成N-硫酸基(少数情况下存在自由氨基）葡萄糖胺C6位和C3位的硫酸化艾杜糖醛酸的C2发生硫酸化，阻止差向异构化逆转HS/HP第15页，共62页，2023年，2月20日，星期二HS和HP的差别特征HSHPMw10-70kDa10-12kDaSO42-0.8-1.81.8-2.4GlcNN-硫酸基40-60%>85%IdoA%30-50%>70%与AT结合<0.3%30%合成部位基本所有细胞肥大细胞硫酸化程度最高的HS,称为HP第16页，共62页，2023年，2月20日，星期二HAGlcUAGlcNAc特点：不含硫酸根游离形式存在

分子量较大，可达1000万（约25000个重复二糖）组成：葡萄糖醛酸-乙酰葡萄糖胺(不含SO42-的HS)聚HA是最简单的糖胺聚糖第17页，共62页，2023年，2月20日，星期二123456CS(DS)硫酸化位点：GalNAc的C4和C6位、IdoUA的C2位组成：葡萄糖醛酸/艾杜糖醛酸—半乳糖胺第18页，共62页，2023年，2月20日，星期二组成：半乳糖-乙酰葡萄糖胺

硫酸化位点：Gal或GlcNAc的C6位KS第19页，共62页，2023年，2月20日，星期二GAG结构总结GAGs二糖重复单元硫酸化位点HAGlcUA-GlcNAc无HS/HPIdoUA/GlcUA-GlcNAcGlcNAc：C3或C6位N-乙酰基的除去，并磺化成N-硫酸基IdoUA:C2位CSIdoUA/GlcUA-GalNAcGalNAc：C4，C6，C4和C6同时IdoUA：C2位KSGal-GlcNAcGal:C6位GlcNAc：C6位第20页，共62页，2023年，2月20日，星期二蛋白聚糖的分类1.与HA特异作用的胞外CSPG2.胞外基质/基膜的HSPG，以及由肿瘤合成的大分子HSPG3.与粘连蛋白聚糖有关的膜表面蛋白聚糖4.具小的同源核心蛋白及1-2条GAG链的蛋白聚糖5.细胞内蛋白聚糖，如丝甘蛋白聚糖第21页，共62页，2023年，2月20日，星期二蛋白聚糖的合成1.在内质网上合成核心蛋白多肽链，同时以O-连接和N-连接的方式进行聚糖加工2.在高尔基体中进行糖链延长或加工修饰3.多糖链的形式是由单糖逐个加上去，单糖由UDP活化，糖醛酸由UDPGA提供，硫酸由PAPS提供，糖胺氨基来自Gln第22页，共62页，2023年，2月20日，星期二Ser4S/6SNS/3S/6SC4STSC6STSNDAC/NSTH3STSH6STSH2STSβ3GlcATβ4GalNAcTβ3GlcATαGlcNAcTser(1)XylT-1(2)β4GalT-1(3)β3GalT-2(4)β3GlcAT-1β4GalNAcT-1α4GlcNAcT-12SCSHSXylT-1：木糖转移酶1β4GalT-1：β1,4半乳糖转移酶1β3GalT-2：β1,3半乳糖转移酶2β3GlcAT-1：β1,3葡糖糖醛酸转移酶1β4GalNAcT-1：β1,4乙酰半乳糖胺转移酶1a4GlcNAcT-1：α1,4乙酰葡糖糖胺转移酶1β3GlcAT：β1,3葡糖糖醛酸转移酶C4STS：4-O-硫酸基转移酶C6STS：6-O-硫酸基转移酶NDAC/NST：N-脱乙酰基/N-硫酸基转移酶H3STS：HS3-O-硫酸基转移酶H6STS：HS6-O-硫酸基转移酶H2STS：HS2-O-硫酸基转移酶XyloseN-acetylglucosamineN-acetylgalactosamineGalactoseGlucosamineGlucuronicacidAGAGs的生物合成途径（高尔基体中进行）核心蛋白木半半葡酸半乳糖胺葡萄糖胺异构化异构化第23页，共62页，2023年，2月20日，星期二serser(1)IdoA-2-S(2)α-IdoA(3)HS-N-S(4)AC-COA:N-ACTNS/3S/6S2S6S(1)α-GlcN(2)β-GlcA(3)GlcN-6S(4)α-GlcNser(1)IdoA-2-S(2)α-IdoA(3)GalNAc-4-S(1)β-GalNAc(AorB)(2)β-GlcA(3)

GalNAc-4-SIdoA-2-S：艾杜糖醛酸-2-硫酸酯酶a-IdoA：

a艾杜糖醛酸酶GalNAc-4-S：N-乙酰半乳糖胺-4-硫酸酯酶b-GalNAc(AorB)：

b-N-乙酰半乳糖胺酶A或Bb-GlcA：b葡萄糖醛酸酶HS-N-S：

类肝素-N-硫酸酯酶AC-COA:N-ACT：乙酰-COA:N-乙酰转移酶GlcN-6S：N-乙酰葡萄糖胺-6-硫酸酯酶a-GlcN：

a-N-乙酰葡萄糖胺酶serserXyloseGaloctoseN-acetylglucosamineN-acetylgalactosamineGlucosamineGlucuronicacidCSHSBGAGs的生物代谢途径第24页，共62页，2023年，2月20日，星期二GAGs结合蛋白Morphogens

Activin

BMP-2,-4

Chordin

Sonichedgehog Frizzled-related peptides

Sproutypeptides

Wnt(1-13)Growthfactorbinding

proteins(BP)

Follistatin

IGFBP-3,-5

TGF-bBP NogginGrowthfactors

EGFfamily

Amphiregulin

Betacellulin

Heparin-binding-EGF

Neuregulin

FGFs(1-23) FGFR(1-4)

PDGF-AA

TGFß1,-2

VEGF-165,-189ECMcomponents

Fibrin

Fibronectin

Interstitialcollagens

Laminins

Pleiotropin(HB-GAM)

Tenascin

Thrombospondin

VitronectinFibrillinTissueremodeling

Tissueplasminogen

activator

Plasminogenactivator

inhibitor-1

ProteasenexinI TIMP-3ComplementproteinsCoagulation

AntithrombinIII

HeparincofactorII

Leuserpin

Tissuefactor

pathwayinhibitor

ThrombinProteinases

Neutrophilelastase

CathepsinG MCP-4,-5 CarboxypeptidaseAUnclassified

Acetylcholinesterase HIP Thyroglobulin CyclophilinASuperoxidasedismutase

EnergybalanceAgoutisignalingpeptideAgouti-relatedproteinApoB,ELipoproteinlipase

Triglyceridelipases

Celladhesionmolecules

E,L,P-selectins

MAC-1

N-CAM

PECAMChemokines

C-C,e.g.MIP-1a, RANTES

CXC,e.g.IP-10,IL-8Cytokines

GM-CSF IL-2,-3,-4,-5,-7,-12

Interferong Kininogen TNF-aAnti-angiogenicfactors

Angiostatin

Endostatin PF4CollectinsSPA,DMBPAntimicrobialpeptidesPR-39Bac5,7defensinViralandparasiteCoatproteinsHIV-1tatHIV-1gp41,120HSVgB,gC,gDHHV-6gp65HHV-8gK8.1ACircumsprorozoite

第25页，共62页，2023年，2月20日，星期二GAGs的生物学功能1.蛋白聚糖和GAGs是细胞表面和胞外基质的基本成分2.蛋白聚糖与多种配体相互作用，几乎参与所有生命过程第26页，共62页，2023年，2月20日，星期二第二节糖蛋白糖蛋白：是以蛋白为主，在蛋白质多肽链骨架上共价连接着寡糖链形式的大分子。它的分布很广泛：血浆蛋白细胞膜上许多蛋白激素酶第27页，共62页，2023年，2月20日，星期二分类和结构根据多肽链和寡糖链连接方式不同：1.N-连接糖基2.O-连接糖基第28页，共62页，2023年，2月20日，星期二N-连接糖基或糖链（N-linked)结构特点：以天冬酰胺(Asn)和GlcNAc脱水，形成N-糖苷键糖蛋白中包含的N-linked类型：

复杂型、杂合型、高甘露糖型第29页，共62页，2023年，2月20日，星期二N-连接糖基特点：1.三种类型，复杂型、杂合型、高甘露糖型

2.核心五糖

3.具有不同的分支，被称为天线

4.血液循环和膜上的糖蛋白常为N-糖链

5.复杂型天线数为1-5条，其中二天线多见两种单糖五种单糖糖链复杂第30页，共62页，2023年，2月20日，星期二N-聚糖的种属、组织、位点专一性

1.N-聚糖结构具有种属和脏器专一性。同一种属相同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-聚糖具有种属和器官专一性。

2.同一种蛋白，其不同位点的N-聚糖结构也不相同，这种聚糖结构的不均一性称为糖型(glycoform)，即不同位点有不同糖型。

3.肽链中所有Asn上不一定都能N-糖基化如t-PAI型Asn117、184、488II型Asn117、488第31页，共62页，2023年，2月20日，星期二N-糖链的合成N-糖链均有核心五糖，主要是外链的结构变化较多。1）首先是前体寡糖（G寡糖）的合成2）然后G寡糖整体转到糖蛋白的糖基化位点(Asn-X-Thr/Ser)上（X是脯氨酸以外的任何残基）3）接着在各种糖苷水解酶和糖转移酶作用下进行加工；4）加工后的糖蛋白分别被投放到机体特定部位，行使各种功能。第32页，共62页，2023年，2月20日，星期二N-糖链的糖基化位点AA特定氨基酸序列：Asn-X-Scr/Thr(X为脯氨酸以外的任何残基）第33页，共62页，2023年，2月20日，星期二N-糖链的生物合成场所：粗面内质网和高尔基体新生肽链、G寡糖合成G寡糖早期加工G寡糖后期加工N-糖链的成熟顺、中反伴翻译过程：N-糖链的生物合成和蛋白质肽链的生物合成同时进行N-糖链的成熟：外周糖链的产生。这些结构与糖蛋白的分拣、投送和定位密切相关第34页，共62页，2023年，2月20日，星期二G寡糖的结构(14个单糖）核心五糖a,b,c,d,e,f,g,h,I分别表示寡糖链的糖基位置外链内链二磷酸长萜醇第35页，共62页，2023年，2月20日，星期二游离的单糖不能作为糖基转移酶的糖基供体，需经过磷酸长萜醇活化磷酸长萜醇（Dol)：是聚异戊二烯衍生物，结构如下：DolGlc细菌Dol具有11个异戊二烯不饱和动物Dol具有21个异戊二烯饱和PP第36页，共62页，2023年，2月20日，星期二（G寡糖）（单糖运载体）（起始点）（结束点）（游离循环利用）新生肽链伴翻译过程第37页，共62页，2023年，2月20日，星期二N-糖链的加工和成熟第38页，共62页，2023年，2月20日，星期二O-连接糖基或糖链结构特点：共同特点：由一个或几个单糖与某些含羟基氨基酸（丝氨酸、苏氨酸、羟赖氨酸）的羟基脱水，形成O-糖

苷键。不存在共有的核心结构。糖蛋白中的O-Linked类型：分布最广，研究最多第39页，共62页，2023年，2月20日，星期二O-糖链（O-GalNAc)的生物合成1.糖基化位点：无特定序列。肽链中Ser或Thr侧链上的羟基氧原子2.合成场所：无固定场所。因细胞或组织而异3.合成途径：无G寡糖前体，无伴翻译过程O-GalNAc聚糖合成无前体，多数情况下不像N-糖链是伴翻译过程，而是在已折叠蛋白质肽链的适当Ser/Thr位点逐个加上糖基。一般认为O-GalNAc糖基化是在N-GalNAc糖基化之后。第40页，共62页，2023年，2月20日，星期二O-GalNAc寡糖链种类:1.最简单O-GalNAc只有一个GalNAc2.两个糖基组成的O-GalNAc聚糖有4种：SA-GalNAc-Ser/ThrGal-GalNAc-Ser/ThrGlcNAc-GalNAc-Ser/ThrGalNAc-GalNAc-Ser/Thr3.多糖基：核心、骨架、非还原末端第41页，共62页，2023年，2月20日，星期二O-GalNAc糖链多糖基核心结构Core1:Galβ1-3GalNAc-[α-Ser/Thr]Core2:GlcNAcβ1-6(Galβ1-3)GalNAc-[α-Ser/Thr]Core3:GlcNAcβ1-3GalNAc-[a-Ser/Thr]Core4:GlcNAcβ1-6(GlcNAcβ1-3)GalNAc-[α-Ser/Thr]Core5:GalNAcα1-3GalNAc-[α-Ser/Thr]Core6:GalNAcβ1-6GalNAc-[α-Ser/Thr]Core7:GalNAcα1-6GalNAc-[α-Ser/Thr]Core8:Galα1-3GalNAc-[α-Ser/Thr]第42页，共62页，2023年，2月20日，星期二两种连接方式的差别前体糖基化位点1th连接的糖合成场所结构特点N-糖链G-寡糖前体Asn-X-Thr/SerGlcNAc内质网和高尔基体O-糖链无Ser或ThrGalNAc不定结构简单，但种类较多第43页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖链的生物学功能1.参与糖蛋白新生肽链折叠和缔合2.影响糖蛋白的分泌和稳定性3.糖链参与分子识别和细胞识别4.糖链与糖蛋白的生物活性

1）与酶的活性t-PA2）与激素活性EPO3）与IgG活性5.糖蛋白类药物开发第44页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖蛋白和蛋白聚糖的区别糖蛋白蛋白聚糖糖链含量一般少于蛋白质较蛋白质部分多糖链组成不含糖醛酸，含有N-乙酰氨基已糖、半乳糖、甘露糖、末端为唾液酸及岩藻糖主要为糖醛酸和N-乙酰氨基己糖糖基排列分支寡糖链二糖分子连成糖链与肽链连接方式O-连接或N-连接一般为O-连接，有时可游离分布分布广泛，细胞内外皆有主要在细胞外，各种结缔组织基质中生理功能作用广泛，许多粘蛋白、血浆蛋白、膜蛋白等结构蛋白均为糖蛋白以维持结缔组织的功能为主第45页，共62页，2023年，2月20日，星期二第三节糖脂糖类通过其还原末端以糖苷键与脂类连接起来的化合物。在细胞中主要作为膜的组分存在，其脂质包埋在脂双层内，而糖链则伸在膜外。根据脂质部分不同可分为：1.分子中含有鞘氨醇的鞘糖脂（哺乳动物）2.分子中含有甘油脂的甘油糖脂（植物和微生物）3.由磷酸多萜醇衍生的糖脂4.由类固醇衍生的糖脂亲水亲脂第46页，共62页，2023年，2月20日，星期二鞘糖脂(Glycosphingolipids，GLS)的分布1.广泛存在于神经系统、尤其是大脑2.广泛存在于哺乳动物各组织细胞的细胞膜外层和各种细胞器膜结构，占质膜总脂的5%（红细胞中）到30%（神经细胞质膜），结构具有时空特异性第47页，共62页，2023年，2月20日，星期二鞘糖脂的分类根据所含单糖的性质分为：1.中性鞘糖脂：糖链中只含中性糖2.酸性鞘糖脂:含有中性糖、唾液酸、硫酸化单糖

1）含唾液酸：神经节苷脂

2）含硫酸化单糖：硫苷脂

3）含岩藻糖：岩藻糖脂(具血型活性）脊椎动物糖鞘脂中的单糖：GlcGalGlcNAcGalNAcFucNeuAc无脊椎动物糖鞘脂中的单糖：GlcGalGlcNAcGalNAcFucNeuAc，Man，Xyl及糖醛酸

第48页，共62页，2023年，2月20日，星期二鞘糖脂的结构脂肪酸长链碱基神经酰胺糖链:少则一个糖基，多者20-30个，绝大多数<10长链碱基:18个C、不饱和的4-烯鞘氨醇最常见脂肪酸链:14-26C第49页，共62页，2023年，2月20日，星期二各种系列中性鞘糖脂的核心糖链岩藻糖脂（ABO血型抗原活性）神经节苷脂第50页，共62页，2023年，2月20日，星期二OABAB喉癌2537.2330.327.45胃癌2830.931.629.41胃溃疡29.727.7631.1711.31肠癌29.6825.8133.8710.64肝硬化27.6331.5833.337.46乳癌30.1926.4231.4611.94肺癌26.0027.0037.0010.00子宫瘤35.0927.1929.837.89对照30.6226.8531.1411.39ABO血型抗原新乳糖系列第51页，共62页，2023年，2月20日，星期二酸性鞘糖脂的核心糖链硫苷脂：糖链部分含有硫酸酯的鞘糖脂，

硫苷脂键：Gal和GalNAc的C3位GlcNAc的C6位

2.神经节苷脂：糖链中含有唾液酸的鞘糖脂，唾液酸位置：中性糖系列的任何位置唾液酸类型：N-乙酰神经氨酸

N-羟乙酰神经氨酸分布：主要分布在神经系统中第52页，共62页，2023年，2月20日，星期二神经酰胺葡糖神经酰胺葡萄糖神经酰胺的合成第53页，共62页，2023年，2月20日，星期二糖脂的功能：1.细胞质膜外层的重要组分，提供了结构上的稳定和强度2.细胞表面标记和抗原及免疫学功能3.参与细胞-细胞间相互作用和识别4.分化标志5.参与细胞生长调节、癌变和信息传递6.与生物活性因子相互作用，作为细胞毒素、糖蛋白激素、病毒的受体7.影响细胞质膜蛋白的功能8.参与细胞粘附第54页，共62页，2023年，2月20日，星期二第四节糖基磷脂酰肌