糖生物学

Carbohydrates一、糖生物学概念的提出•糖的功能:•生物体的能源•结构支架材料(植物的纤维、昆虫的几丁质、高等动物结缔组织的粘多糖)•淋巴细胞表面的糖基是使它正确进入淋巴组织的决定因子,如果用岩藻糖酶处理淋巴细胞后,后者不能进入脾脏改进入肝脏内质网中新合成的溶酶体酶靠糖链上的6-磷酸甘露糖标记，得以通过胞内分发系统进入行使功能。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着重要作用炎症和自身免疫疾病、老化、癌细胞的异常增殖和转换、病原体感染植物和病原体相互作用植物与根瘤菌共生等生理和病理过程都有糖类的介导以1843年杜马(Dumas)提出糖类实验式．↓19世纪8O年代(Fischer)单糖分子结构↓1897年(Buchner)发现酵母无细胞提取液糖→酒精↓2O世纪3O年代糖酵解途径的基本阐明↓2O世纪60年代中叶细胞信息的职能↓2O世纪8O年代下半叶对糖类分子的研究终于形成一个明显的新高潮↓20世纪末由几个糖生物学家同时提出了“糖组”的概念1988，RaymondDwek提出糖生物学(Glycobiology)的概念(AnnuelReviewofBiochemistry)1991，国际性杂志《Glycobiology》创刊糖生物学：研究糖缀合物糖链的结构、生物合成和生物学功能的一门学科。涉及到学科：分子生物学、细胞生物学、病理学、免疫学、神经生物学等研究领域：糖化学、糖链生物合成、糖链在复杂生物系统中的功能和糖链操作技术，其应用研究部分则属于糖工程。各国政府对糖生物学研究的支持美国能源部（1986）资助佐治亚大学创建了复合糖类研究中心(CCRC)，建立复合糖类数据库(CCSD)。2001年9月：启动“功能糖组学”研究，目标：阐明由蛋白质-糖链相互作用所介导的细胞通讯机制。糖组学(糖蛋白)------涉及单个个体的全部糖蛋白结构分析，确定编码糖蛋白的基因和蛋白质糖基化的机制．糖组学主要解决4个方面问题：a．什么基因编码糖蛋白，即基因信息；b．可能糖基化位点中实际被糖基化的位点，即糖基化位点信息；C．聚糖结构，即结构信息；d．糖基化功能，即功能信息日本：10多年前由政府资助实施了“糖工程前沿计划”。2001年4月：启动了一项计划，仅用于克隆糖基转移酶基因的年经费就达到20亿日元（约2千万美元）。欧盟1994～1998年的研究计划中有一项“欧洲糖类研究开发网络”计划(EuropeanCarbohydratePlaform)糖生物学与糖化学-特征糖链结构与功能及其调控机制（973项目）本项目的研究内容：以肿瘤细胞膜特征糖链结构研究为切入点，以特征糖链在肿瘤转移过程中的信号转导作用为核心研究内容，通过基因、酶、糖链、信号转导4个层面，系统分析肿瘤细胞膜特征糖链对信号转导的影响及其作用机制，阐释特征糖链结构与功能变化的相关性；结合人工模拟合成糖链与外源性糖链（海洋生物糖）类似物对肿瘤细胞信号转导作用及其机制的探讨，佐证特征糖链结构与功能的关系。糖类物质可以根据其水解情况分为：Monosaccharide单糖Oligosaccharide寡糖Polysaccharide多糖在生物体内：均一多糖homopolysaccharide杂多糖heteropolysaccharide糖复合物glycoconjugate二、多糖均一多糖：淀粉、糖原、纤维素、壳多糖不均一多糖(杂多糖)：果胶物质、半纤维素、海藻多糖、真菌多糖等1、目前研究较多的功能性多糖植物多糖：南瓜多糖、茶叶多糖、枸杞多糖，西洋参多糖、大枣多糖等----增强免疫功能藻类多糖：螺旋藻多糖、岩藻依聚糖、海带多糖、多管藻多糖、极大螺旋藻多糖等——硫酸基,因此具有较好的抗凝血和抗病毒作用真菌类多糖：169种担子菌的多糖有抗癌活性。国内研究比较多的有：香菇多糖、裂褶菌多糖、灰树花多糖、茯苓多糖、奇果菌多糖、猪岑多糖、灵芝多糖及木耳多糖、虫草多糖、酵母葡聚糖等——抗肿瘤功能。动物类多糖：主要是来源于多种哺乳动物的多糖，如肝磷脂、硫酸软骨素海藻糖化的硫酸软骨素等——抗凝血活性细菌类多糖：肺炎球菌荚膜多糖、脑膜炎球菌荚膜多糖、流感杆菌荚膜多糖等，——疫苗2、多糖的结构层次结构分类同蛋白质和核酸的分类方法。单糖是多糖的组成单元,单糖之间脱水形成糖苷键,并以糖苷键线性或分支形成寡糖或多糖的结构也可分为一级、二级、三级和四级。一级结构：单糖残基的组成、排列顺序、相邻单糖残基的连接方式、异头物的构型及糖链有无分支、分支的位置和长短等;二级结构：多糖骨架链间以氢键结合所形成的各种聚合体,关系到多糖分子中主链的构象,不涉及侧链的空间排布;三级结构多糖链一级结构的重复顺序,由于糖残基中的羟基、羧基、氨基以及硫酸基之间的非共价相互作用,导致有序的二级结构空间形成有规则而粗大的构象;四级结构：多糖链间非共价键结合形成的聚集体。3、多糖的结构研究方法完整的多糖结构分析包括对多糖的一级结构和高级结构的分析。一级结构分析的方法:化学法(如酸水解、过碘酸氧化、Smith降解、碱降解、甲基化反应、乙酰解等)物理法(包括高效液相色谱法、气相色谱法、红外光谱法、核磁共振谱法、质谱分析法等)生物法(主要是酶化学方法)Х射线衍射法荧光法毛细管电泳法13CNMR及2DNMR旋光度(ORD)和圆二色谱(CD)快原子轰击质谱(FAB2MS)色质联用(GC-MS)酶技术-NMR等多糖的二级、三级结构：一级结构与生物活性的关系糖苷键型和单糖连接方式对多糖活性的影响远远大于单糖的组成。4、活性多糖的构效关系具有1→3连接方式的多糖大多具有生物活性,部分1→6连接方式的多糖也具有生物活性,而1→2，1→4等连接方式的多糖很少具有活性。多糖的活性与其分子中某些化学基团有密切的关系,而这些化学基团可通过人为的化学反应来添加和消除。多糖的结构修饰-----提高多糖的活性和研究多糖构效关系的有力手段。侧链基团与生物活性的关系修饰手段----多糖衍生化,如降解、硫酸化、磺酰化、乙酰化、烷基化等,有可能大大提高多糖的生物活性。其他----磷酸酯化、硬脂酰化、棕榈酰化、二乙基氨基乙基化、碘化、氨化等多糖常因分子质量大、粘度高、溶解度低等,影响其应用。多糖分支与活性的关系并不是一种线性关系,分支度适中的多糖往往具有较高的活性,而分支度过高或过低的多糖其活性都有限。分支度与生物活性的关系多糖二级或三级结构比一级结构在活性方面起更大的决定作用高级结构与生物活性的关系研究结果表明:高分子质量的β-1,3-D-葡萄糖的高度有序结构(三股螺旋),对于免疫调节活性至关重要。只有分子质量大于9×104的分子能形成三股螺旋。三股螺旋结构靠β-2葡萄糖苷的分支来稳定。低分子质量(小于5×104)的裂褶菌多糖既无三股螺旋也无抗肿瘤活性。提高水溶性能增强多糖的生物活性。水溶性D-葡聚糖是一种有抗肿瘤活性、无过长支链、不易被人体内D-葡聚糖酶很快水解的多糖理化性质与生物活性的关系通过硫酸化、磺酰化、磷酸化或羧甲基化等化学修饰方法可以提高多糖的水溶性。β-1,3-D-葡聚糖不溶于水,如果将它部分羧甲基化,使其水溶性提高,则它的抗肿瘤活性也明显提高。相对分子质量在100～200kDa之间的多糖活性最强。同时研究发现,来源相同、相对分子质量范围为5～10kDa的多糖都不具备生物活性。分子质量与生物活性的关系活性多糖的生物活性体现在与其受体相互识别、相互作用的过程中。当多糖与受体作用时,往往是其中的特异性寡聚糖片段与受体相结合。推测:多糖象蛋白质和酶一样,可能在多糖分子中存在一个或几个寡糖片段的活性中心。活性决定部位与生物活性的关系：HiroakoK等在对中药多糖活性决定部位研究的基础上进行归纳总结发现,具有抗补体活性的甘草多糖、柴胡多糖、当归多糖的活性部分都表现出含半乳糖醛酸聚糖区和带中性糖侧链的鼠李半乳糖醛酸中心(ramified区),且分支区与抗补体作用、促进有丝分裂和调节巨嗜细胞Fc受体兴奋性的活性有关。三、糖复合物(糖缀合物)：糖蛋白Glycoproteins蛋白聚糖Glycoproteins糖脂Glycolipid糖蛋白Glycoproteins:由糖和多肽或蛋白质以共价键连接而成的结合蛋白。糖含量1%—80%。不多于15个单糖残基蛋白聚糖Glycoproteins：含大量糖胺聚糖并与多肽骨架连接的高分子物质。糖含量＞95%糖脂Glycolipid:：由糖通过其半缩醛羟基以糖苷键与脂质相连的化合物。生物体内的糖蛋白的类别人体蛋白中至少1/3是糖蛋白,存在于不同组织和细胞中,特别是细胞表面膜上含量丰富.许多膜蛋白和分泌蛋白是糖蛋白血浆糖蛋白、免疫糖蛋白、激素糖蛋白酶糖蛋白、卵清糖蛋白、细胞膜糖蛋白结构糖蛋白、毒素糖蛋白膜蛋白中的糖糖蛋白及糖链蛋白质糖蛋白多糖多糖中多为糖的衍生物，如N-乙酰氨基多糖等（常见的糖是半乳糖或甘露糖）寡糖链多是分支的，一般仅含有15个以下的单糖，分子量在540-3200。但糖链数目变化很大糖链的多样性和复杂性DNA中，G-C→一种结构糖链中，Man→GalMan可以和Gal的C2、C3、C4、C6连接→4Man→Gal可以用αβ连接→8甘露糖残基可以以呋喃糖或吡喃糖形式→16糖链的多样性和复杂性由4个核苷酸组成的寡核苷酸，可能的序列仅有24种；而由4个己糖组成的寡糖链，可能的序列则多达3万多种。正是由于糖链结构的复杂性，使其可能包含的信息量比核酸和蛋白质大了几个数量级。（一）糖蛋白的糖链结构糖型（glycoform）：带有某种糖链结构的糖蛋白，具有相同肽链而糖链结构不同的糖蛋白。这一概念是糖蛋白研究中所特有的1、糖链中单糖的种类及连接方式葡萄糖Glc、半乳糖Gal、甘露糖Man岩藻糖Fuc、葡萄糖胺GlcN、半乳糖胺GalN木糖Xyl、阿拉伯糖Ara、N-乙酰神经氨酸NeuNAc、葡萄糖醛酸GlcUA乙酰氨基葡萄糖GlcNAc糖蛋白中的寡糖链的还原端残基与多肽链的氨基酸残以多种形式共价连接，形成的连键称为糖肽键或糖苷键2、连接方式——糖肽键•2、糖苷键的类型N-糖苷键和O-糖苷键2、糖肽键的类型1）N-糖肽键：乙酰葡萄糖胺的半缩醛基C1原子与多肽链上Asn酰胺N原子共价相连NH（AA）Asn乙酰葡萄糖胺GlcNAc-Asn多肽链一般由6个到数十个糖基连接成糖链，糖链有分支，存在于血浆蛋白，细胞膜和胞质的糖蛋白也普遍存在。2）O-糖肽键：乙酰半乳糖胺的半缩醛基C1原子与多肽链上Ser、Thr、Hyl羟基的O原子共价相连O（AA）Ser、Thr、Hyl多肽链乙酰半乳糖胺GalNAc-O乙酰半乳糖胺与Hyl羟基形成O-糖肽键，主要存在于胶原蛋白中乙酰半乳糖胺与Ser和Thr羟基形成O-糖肽键，主要存在于粘蛋白中，在免疫球蛋白及胎球蛋白中也发现乙酰葡萄糖胺O-GalNAc和N-聚糖的主要区别3、糖链的分类：1）N-糖链⑴五糖核心通常由一个分支的五糖核心和不同数量的外链组成Manα1→6（Manα1→3）Manβ1→4GlcNAcβ1→4GlcNAc（乙酰氨基葡萄糖），乙酰葡萄糖胺（2）分型高甘露糖型：五糖核心以外全部是Man复合型:除三甘露糖基核心外，不含Man，可以高度岩藻糖基化、磷酸化或硫酸化，某些还含多唾液酸成分杂合型:具有高甘露糖型和复合型两种类型(3)天线数（1-5）R=GlcNAcβ1→4GlcNAcβ→AsnO-糖链结构比N-糖链简单，但连接形式比N-糖链多:GalNAc-Ser/Thr,GlcNAc-Ser/Thr,Man-Ser/Thr,Ara-Ser/Thr,Gal-Ser,Fuc-Ser/Thr,Xyl-Ser/Thr,GalNAc-Ser/Thr中有六种核心结构2）O-糖链（二）糖链的生物学功能分子内:蛋白质的正确折叠、细胞内定位、生物活性、溶解度、抗原性、生物半寿期、蛋白酶敏感性等；分子间:如趋靶于溶酶体、趋靶于组织、细胞-细胞间粘附和结合病原体。介导专一的“识别”和“调控”生物过程。1、糖链在糖蛋白新生肽链折叠和缔合中的作用1)去糖基化的蛋白不能正确折叠→维持亚基正常构象；α1-抗