糖生物学

糖生物学Glycobiology糖复合物glycoconjugate—糖类与蛋白或脂类形成共价结合物。一研究历史50~60年代以前，其研究仅限于（寡多）糖的化学组成和一般结构测定，基本属于有机化学范畴。70年代后，研究逐渐活跃，至80年代中、后期到90年代初，飞速发展，发现糖类在生物体中不仅是能源及结构成份，而且担负极为重要的生物学功能。现认为，糖复合物中的糖链是生命科学中肽链、核苷酸链之外具有重大生物意义的第三链，其研究已成为继蛋白、核酸之后探索生命奥秘的第三里程碑二．研究内容结构：无模板合成使研究进展落后，近年来，测定技术飞速发展，HPLC、荧光标记、CE等，提高分辨率、灵敏度。酶：内、外切糖苷酶，糖基转移酶可研究各糖基功能。→改造，“糖工程学”应运而生，糖蛋白药物。代谢：糖复合物合成步骤基本弄清，各种酶在细胞内定位也大致了解。目前，糖基转移酶的调控研究正在兴起。凝集素：一类能识别糖链结构的蛋白（非酶及Ab），为工具，三与医学关系“细胞颜面”，糖被、植被，传递信息、受体，每个红细胞表面50万个糖蛋白、表面唾液酸（负电），避免在血管内粘付。血型各型的抗原决定簇差异为糖链非还原末端糖基，A—N-乙酰氨基半乳糖，B—半乳糖，O—无此末端糖基。糖链改变，可产生自身抗体，→自身免疫性疾病。恶性肿瘤的恶性行为（侵袭、转移等）与其细胞表面糖复合物的组成、结构密切相关。病原微生物的感染有种属与组织专一性。神经系统富含脂类，糖脂为重要成分。四．研究进展糖生物学是生物化学与生物医学交叉点的前沿。美国：86年，能源部成立复合糖类研究中心。糖工程会议⁄2年。日本：89年，创立杂志«糖科学与糖工程动态»；91年，投资百亿日元实施“糖工程前沿计划”。欧洲：94-98年，有“欧洲糖类研究开发网络计划”。我国此方面研究起步较晚，但发展迅速，队伍日益扩大，国际交流不断加强。复合糖类复合糖类：（1）蛋白多糖：含糖多（2）糖蛋白：含蛋白多（3）糖脂蛋白聚糖(proteoglycanPG)以糖为主，糖可占90-98%。糖胺多糖（glycosaminoglycan,GAG，以前也称粘多糖）为二糖单位，重复连接组成的无分支多糖链，二糖中必有一种为氨基糖（氨基葡萄糖或氨基半乳糖：乙酰化），另一种为糖醛酸（葡萄糖醛酸或艾杜糖醛酸）。糖胺多糖多含有硫酸。蛋白聚糖的结构组成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已知六种糖胺多糖：透明质酸(hyaluronicacid,HA)硫酸软骨素(chontroitinsulfate,CS)硫酸皮肤素(dermatinsulfate,DS)硫酸角质素(keratansulfate,KS)硫酸乙酰肝素(heparansulfate,HS)肝素(heparan,Hep)蛋白聚糖的结构1.糖胺多糖（GAG）：（1）透明质酸（HA）：葡萄糖醛酸+乙酰氨基葡萄糖(GlcUA-GlcNAc)结构最简单的GAG，|β1→3|β-1，4不含硫酸，HA分子量大，可达1000万（2万5千个重复二糖）。生理溶液中，为多聚阴离子，(--COOH),分子相当刚硬，呈无规扭曲团状。分子间可交织形成网络。一些蛋白可以特异地非共价作用与HA结合。（2）硫酸软骨素（CS）及硫酸皮肤素（DS）：CS：葡萄糖醛酸+乙酰氨基半乳糖(GlcUA-GalNA)DS：艾杜糖醛酸+乙酰氨基半乳糖(idoUA-GalNA)CS单个糖链分子量小于10万（250个重复二糖），DS实际上是CS的一种修饰形式。（由酶催化使D-葡萄糖醛酸转变为L-艾杜糖醛酸）（3）硫酸角质素（KS）:半乳糖+乙酰氨基葡萄糖(Gal-GlcNAc)单个KS很少大于4万（80个重复二糖）,无糖醛酸。（4）硫酸乙酰肝素（HS）及肝素（Hep）:HS葡萄糖醛酸+乙酰氨基葡萄糖(GlcUA-GlcNAc)Hep:艾杜糖醛酸+乙酰氨基葡萄糖(idoUA-GlcNA)|a1→3|单个分子量10万二核心蛋白定义与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质核心蛋白均含有相应的糖胺聚糖取代结构域，一些蛋白聚糖通过这些结构锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子中。2.核心蛋白：与GAG共价结合的蛋白。a.丝甘蛋白聚糖：核心蛋白最小的GAG，存于造血细胞及肥大细胞。b.饰胶蛋白聚糖：可修饰胶原蛋白，MW=3.6万的核心蛋白，调节结缔组织形成。c.粘结蛋白聚糖：3.2万的核心蛋白，其细胞外结构域可连接GAG链。d.可聚蛋白聚糖：核心蛋白22.5万~25万，为软骨中主要结构大分子。除HA外，所有GAG均是以共价连接在核心蛋白上，寡糖分布在核心蛋白的不同区域，形状似“瓶刷”。三蛋白聚糖的生物合成＊在内质网上合成核心蛋白多肽链，同时在高尔基体内进行糖链延长或加工。＊多糖链的形成是由单糖逐个加上去的，糖醛酸由UDPGA提供；单糖要由UDP活化；硫酸由PAPS提供；糖胺氨基来自于Gln。（二）蛋白聚糖的生理功能＊蛋白聚糖主要为结构成分，分布于结缔组织、角膜等基质内，其密集的负电荷可以吸入大量水分子，构成凝胶，起机械保护作用，“筛子”阻止细菌；软骨中的蛋白聚糖有“分子弹簧”的作用；关节的润液、眼的玻璃体和粘液，起润滑作用，故以前称为粘蛋白。＊构成细胞外基质在基质中蛋白聚糖和弹性蛋白、胶原蛋白以特殊方式连接，构成基质的特殊结构，这与细胞的粘附、迁移、增殖和分化等有关。＊正常动脉壁含丰富的透明质酸、硫酸软骨素、肝素，以蛋白多糖的形式覆盖于内皮及平滑肌细胞表面，填充间质，维持血管结构通透性、弹性。＊硫酸肝素可嵌入细胞质膜的核心蛋白，连于膜表面，在细胞生长、细胞通讯、细胞与环境的识别中起作用＊肝素分布于肺、等血管壁的肥大细胞内，是体内天然抗凝物质，其带负电的硫酸基与抗凝血酶Ⅲ结合→构象改变→容易与活化的凝血因子结合→因子失活。（三）病理情况下蛋白聚糖的变化1.血清HA水平的升高见于多种疾病，例如肝硬化、类风湿性关节炎、恶性间皮瘤及一些皮肤病等。由于HA水化作用很强，它可导致严重的间质水肿。例如哮喘、肺水肿、特发性肺纤维化以及成人呼吸窘迫综合征等。2.骨关节炎又称退行性骨关节症或关节软骨软化症。在关节软骨出现形态损害之前，其蛋白聚糖的分解代谢就已发生显著增加。3.存在于细胞外基质的CSPG与动脉粥样硬化有关，它能与脂蛋白相互作用，在动脉粥样硬化发生早期在血管壁中发生明显堆积。4.肾病患者的肾小球基底膜缺乏HSPG，其结构受到严重破坏，结果大量血浆蛋白渗漏于尿中，形成蛋白尿。5.组织器官淀粉样变性，如早老性痴呆神经斑和血管中的淀粉样蛋白，其中往往发生HSPG的堆积。病例-粘多糖病伴感染患者：李XX，一岁，出生后6月时出现发育停滞，现因发热而就诊。医师检查发现，该小孩外形矮小，头大颈短，发厚多毛，鼻梁塌陷，鼻孔大，舌厚张口，表情呆板，呈特殊外貌。常有关节强直，脊柱后突或鸡胸、四肢粗短，手指屈曲呈爪状；智力低下、伴有斜视；视力减退、角膜薄翳混浊；肝脾肿大使腹部隆起，心脏增大与心功能不全，伴有肺与支气管感染。化验检查：①骨髓中性粒细胞染色，可发现胞质内有深紫色粘多糖颗粒(Ader—Reilly颗粒)；②尿。—艾杜糖醛酸酶活性降低，硫酸皮肤素和硫酸类肝素排出量超出正常10-20倍；③活体组织检查测定肝细胞艾杜糖醛酸酶活性均显著降低；④血常规：中性粒细胞增多。诊断：粘多糖病伴感染。属于粘多糖病(MPS)的MPS—I型。病因：粘多糖病(MPS)是一组先天性粘多糖代谢缺陷性疾病，系因溶酶体缺乏糖键水解酶，致粘多糖分解代谢障碍，全身组织和脏器如骨骼、神经、皮肤、肝脾、心脏和角膜等有大量的酸性粘多糖蓄贮积，表现为体格发育畸形、智力障碍和脏器损害等。糖蛋白(Glycoprotein)（一）组成：短链寡糖+蛋白的复合物单糖：葡萄糖Glc半乳糖Gal甘露糖Man岩藻糖FucN-乙酰氨基半乳糖GalNACN-乙酰氨基葡萄糖GlcNACN-乙酰神经氨酸NeuAC唾液酸：（sialicacid）分布广泛，可组成糖脂/糖蛋白为一总称，代表20多种神经氨酸，是一类含9个碳的具吡喃型结构的酸性氨基糖.糖链数目差异很大，4-30个不等。（二）糖链与蛋白连接方式N-连接：糖基1位C上-OH与肽链上Asn的酰氨基相连。O-连接：糖基1位C上-OH与肽链上丝、苏羟基相连。糖分支犹如天线状，称二、三、四、五天线结构，不均匀结合蛋白表面。（一）N—连接糖蛋1.定义糖蛋白的糖链与蛋白部分的Asn-X-Ser序列的天冬酰胺氮以共价键连接称N—连接糖蛋白。2.糖基化位点N—连接糖蛋白中的Asn-X-Ser/Thr三个氨基酸残基的序列子称为糖基化位点。3.N—连接寡糖结构①高甘露糖型②复杂性③杂合性都有一个五糖核心ManManManGlcNAcGlcNAcAsn4.N—连接寡糖的合成N—连接寡糖是在内质网上以长萜醇作为糖链载体，先合成含14糖基的寡糖链，然后转移至肽链的糖基化位点上，进一步在内质网和高尔基体加工完成。每一步加工都由特异的糖基转移酶或糖苷酶催化完成，糖基必须活化为UDP或UDP的衍生物。（二）O—连接糖蛋白1.定义糖蛋白糖链与蛋白部分的丝/苏氨酸残基的羟基相连，称为O—连接糖蛋白。2.O—连接寡糖结构O—连接寡糖有N—乙酰半乳糖与半乳糖构成核心二糖，核心二糖可重复延长及分支，再接上岩藻糖、N—乙酰葡萄糖胺等单糖。3.O—连接寡糖合成O—连接寡糖在N—乙酰半乳糖基转移酶的作用下，在多肽链的丝/苏氨酸羟基上连接上N—乙酰半乳基，然后逐个加上糖基直至O—连接寡糖链的形成。（三）糖基化过程及特点糖基供体、糖基接受体、糖基转移酶。糖基供体：常见两种活化形式，一是核苷酸形式（UDP-Glc、ADP-Glc、GDP-Glc等），另一种是磷酸长萜醇的形式。糖基受体：第一糖基的接受体是肽链中的特定位置的氨基酸残基，之后的糖基接受体则是新接上的糖基。糖基转移酶：糖基转移酶是糖类生物合成的中心环节，它们对糖基的供体和受体都有很高的专一性。一个糖苷键—一个糖基转移酶—一个基因一条糖链—一组糖基转移酶—一个基因组ABO血型的分子基础在于糖链结构的细微差别。A型抗原决定簇—N-乙酰氨基半乳糖B型抗原决定簇—半乳糖O型抗原决定簇—无此糖基176235266268N-乙酰氨基半乳糖基转移酶Arg(CGC)Gly(GGC)Lys(CTG)Gly(GGG)半乳糖基转移酶Gly(GGC)Ser(AGC)Met(ATG)Ala(GCG)二酶的氨基酸序列只有4个残基不同，反映在它们的等位基因上则是4个碱基的不同。O型血的抗原决定簇少一个糖基是因为O等位基因缺失了第258位的碱基，结果是表达产物因翻译时读码移位而成为无糖基转移酶活性的蛋白质。（四）糖蛋白生物功能1糖链具有不同程度的抗蛋白水解酶作用，血浆蛋白糖链可以延长半寿期。2定向作用：参与新生肽链的折叠并维持蛋白质的正确空间构象；影响亚基聚合；糖蛋白在细胞内的分拣和投送。糖蛋白激素在内分泌腺合成后，能定向正确转移到高尔基体和溶酶体，与糖链有关。3识别作用：膜上糖链包含的多种生物信息可以起识别作用。红细胞血型物质受体–激素HCG红细胞生成素卵子表面O-连接糖起精子受体作用Ag-Ab4肿瘤细胞恶变时，膜上糖蛋白异常。5病原体侵袭：（1）细菌：如肺炎球菌主要是识别肺和脑膜细胞表面糖链中的GlcNAc，而嗜腐球菌识别其侵袭细胞表面的GlcNAc和GalNAc，具有A或AB血型的人占嗜腐球菌尿路感染的94.6%，而B或O血型的人很少受嗜腐球菌感染就是因为A或AB血型者细胞表面糖链的末端带有GalNAc，（2）寄生虫：如克罗斯（Cruz）锥虫含有唾液酸转移酶，有水解和转移唾液酸双重活性，能识别宿主细胞表面的唾液酸并将其转移至自身细胞的表面，从而掩盖锥虫的抗原性，也阻止对补体系统的激活，两者均有利于锥虫对宿主细胞的入侵。（3）病毒：如流行性感冒病毒对细胞的侵袭依赖于病毒分子对细胞膜上糖复合物糖链末端唾液酸的识别和结合，其中A型和B型病毒识别5-乙酰神经氨酸（Neu5AC）或5-羟乙酰神经氨酸（Neu5Gc，是Neu5Ac中乙酰基羟化后的产物）。其他糖