糖生物学

糖生物学Glycobiology生命科学中的新前沿历史背景和概况什么是糖生物学？糖生物学Glycobiology这个词是在1988年牛津大学Rademacheretal.《生化年评》中提出的，这标志糖生物学这一新的分支学科的诞生。科学家把研究生物体内多糖的科学叫做“糖生物学”，沿袭“基因组学”和“蛋白质组学”的概念有人把这们学科叫做“糖原组学”。糖生物学(glycobiology)是研究聚糖及其衍生物的结构,化学,生物合成及生物功能的科学糖类和血型•众所周知人类的主要血型是ABO型，是1900年Landsteiner发现的。这一发现在第一次世界大战期间对抢救伤员作出了重大贡献Landsteiner因发现ABO血型而获得1930年诺贝尔生理和医学奖。•经过许多免疫学家半个多世纪的研究，1960年Witkins确定了ABO(H)的抗原决定簇是糖类，并测定了有关糖类的结构。TheA,B,andHBloodGroupStructuresType-2A,B,andHbloodgroupstructuresType-3A,B,andO(H)bloodgroupstructuresType-4A,B,andO(H)bloodgroupstructuresA，B和O（H）血型结构及其合成A1和A2群抗原结构的差异Lewis血型结构Lewis血型表型P血型•AntigensofthePbloodgroupsystemPkandP抗原生物合成生命科学研究的新热点蛋白质、核酸和多糖是构成生命的三类大分子，随着蛋白质和核酸中的奥秘被知晓，糖类的重要性也浮出水面，成为生命科学研究中的新热点。范围在复杂生物系统从碳水化合物化学和蛋白质糖修饰的酶学及各种技术。糖生物学研究复杂的多聚糖术语，生物合成，结构，化学合成，功能，需要一般分子遗传学，细胞生物学，生理学和蛋白质化学的基础糖生物学的崛起•1988年。牛津大学德威克教授《生化年评》中撰写了“糖生物学”综述。同一年牛津大学研制成功了N－糖链的结构分析仪，且将它商品化。•1990年有3家实验室几乎同时发现血管内皮细胞当组织受到损伤时，白血球和内皮细胞穿过血管壁，进入受损组织以杀灭入侵异物。然而，过多白血球的进入可能导致炎症。这一炎症过程有糖类和相关的糖结合蛋白参与。更令人吃惊的是进入血液循环系统的癌细胞可能借助类似于上述机制穿过血管，导致癌症转移。•以这一基础研究成果为依据的开发和生产抗炎和抗肿瘤药物的热潮。一个分子生物学的扩展糖类药物•以糖类为基础的抵抗疾病的药物来源很广，多数是天然存在的化合物，例如糖苷类。•以糖类为基础的药物的作用位点是在细胞表面，这类药物干扰整个细胞和机体。科学家认为，糖类药物是副反应相对较小的药物之一。它们不仅可以作为治疗疾病的药物，也可作为保健食品。•以糖类为基础疫苖•以糖类为基础的药物，不仅可用于人与动物，还可以用作农药，比起传统的化学农药来，以糖类为基础的生化农药对环境的污染更小。糖类研究逐渐成为热门话题•糖生物学之所以落后于基因和蛋白质的研究，在于以前研究人员缺乏研究糖类分子的有效工具，以及糖分子本身的复杂性。•美国麻省理工学院糖原生物学家萨西赛克哈兰说：“目前我们尚未破译其密码，我们仅处于揭示糖奥秘的初始阶段”。•21世纪生命科学的研究焦点是对多细胞生物的高层次生命现象的解释，因此，对生物体内细胞识别和调控过程的信息分子——糖类的研究是必不可缺的。各国政府对糖生物学研究的支持•1989年，日本创刊了《糖科学与糖工程动态》杂志。同年，日本政府科学技术厅提出关于“糖工程基础与应用研究推进战略”的咨询•1991年由科学技术厅、厚生省、农林水产省和通商产业省联合实施“糖工程前沿计划”，总投资百亿日元，为期15年。该计划包括：糖工程和糖生物学。后者又分为糖分子生物学、糖细胞生物学。同时，成立了“糖工程研究协议会”作为协调机构。这协议会编辑出版了专著《糖工程学》。•美国能源部于1986年资助佐治亚大学创建了复合糖类研究中心，建立复合糖类数据库，相关的计划也称为“糖库计划”。•1990年底已收集了6000个糖结构数据，1992年增加到9200个，1992年底有关的记录增加到22000份，1996年增加到42000份。•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。其目的是携带欧洲各国的糖类研究和开发，以强化欧洲在糖类基础研究以及将研究成果转化为商品方面与美国、日本的竞争能力。糖生物学的突飞猛进•近年来在糖类研究方面已取得不少进展。研究结果已确证，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、病原体感染等生理和病理过程都有糖类的参与•糖类的研究已有百年的历史，许多研究成果表明，糖类是生物体内除蛋白质和核酸以外的又一类重要的生物分子，尤其是一类重要的信息分子。•最近美国每隔二年召开一次“糖工程”会议。在1993年首届“糖工程”会议上，著名的糖生物学家、会议的主持人Hart说，生物化学中最后一个重大的前沿，糖生物学的时代正在加速来临。在第2届会议时，又说，糖生物学是生物化学和生物医学交叉点的前沿。•1996年在米兰召开的第18届国际糖化学讨论会上，vonBoeckel等报告合成了肝素中抗凝活性碎片——五糖的模拟物，其活性是天然产物的2倍，因此，他获得了以糖化学先驱Whistler命名的奖项。类别•糖蛋白Glycoprotein•蛋白聚糖Proteoglycan•糖脂Glycolipid•细胞外基质ExtracellularMatrix糖蛋白Glycoprotein•概述•糖蛋白的结构•合成基本结构单元单糖糖：多羟醛polyhydroxyaldehydes或多羟酮polyhydroxyketones，碳水化合物是较大分子化合物，可水解成这两种单糖：醛糖和酮糖。单糖可以存在于开链或环的形式。单糖：基本结构和立体异构糖环构象ChemicalReactionsofMonosaccharides•Mutarotation•Esterification•Oxidation•Reduction•Glycosides单糖的种类•六碳糖:葡萄糖(Glu),半乳糖(Gal),甘露糖(Man)•己糖胺Hexosamines，N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)•五碳糖Pentoses：木糖xylose(Xyl)•脱氧已糖，Deoxyhexoses:岩藻糖(Fuc)•己糖胺Hexosamines:N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)•九碳糖酸:N-乙酰神经氨酸(NeuAc)•糖醛酸，UronicAcids：glucuronicacid(GlcA)andiduronicacid(IdA).组成糖蛋白分子中糖链的单糖葡萄糖半乳糖甘露糖、N-乙酰半乳糖胺、N-乙酰葡糖胺、岩藻糖N-乙酰神经氨酸。名词Glycan，多聚糖：泛指任何糖或聚合糖类，在游离形式或连接到另一分子，saccharideorcarbohydrat互换使用。Glycoconjugate，复合糖：一个分子中的一个或多个聚糖单位共价连接到非糖体上。Glycocalyx，(细胞被膜)多糖-蛋白质复合物Oligosaccharides,Polysaccharides,andGlycoconjugates聚糖的生物学作用的一般分类•连接方式N-连接：O-连接：N-连接糖蛋白1.定义糖蛋白的糖链与蛋白部分的Asn-X-Ser序列的天氡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（三型）①高甘露糖型②复杂性③杂合型都有一个五糖核心ManManManGlcNAcGlcNAcAsnN-连接糖链结构核心结构高甘露糖型复杂型杂合型一些低聚糖在N-糖蛋白的联系动物聚糖的共同基本核心结构脊椎动物高尔基体的聚糖多样化N-连接寡糖的合成•合成场所：在粗面内质网和高尔基体中，与蛋白质合成同时进行。•以长萜醇为糖链载体，先将UDPGlcNAc分子中的GlcNAc转移至长萜醇，后再逐个加上糖基，至形成14个糖基的长萜醇焦磷酸寡糖结构，作为一个整体转移至天冬氨酸的酰胺氮上。•寡糖链进一步依次在内质网和高尔基体中进行加工，形成成熟的各种N－连接寡糖。•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。多萜醇•StructureoftheDol-Plipid长萜醇-P-P寡糖的合成Biosynthesisofthedolichololigosaccharideprecursor.多萜醇对新生的前体蛋白的转移GPI锚转移至新合成多肽模型聚糖生物合成相关问题有些大的糖链是在细胞质内膜面并翻转跨越到另一边，但大部分伸展链在内质网或高尔基内部。无论如何，任何分子最终将面临内部分泌直到20世纪80年代中期，普遍教条是糖复合物，如糖蛋白和糖脂出现在细胞的外表面，在细胞器内表面的和分泌分子中。然而，在过去二十年里，已经很清楚某些种类的糖缀合物的合成和居住在胞浆和胞核内。与不同类别的多聚糖独特的核心区域相反，不同类别的多聚糖核心区外多聚糖结构序列往往不同。Microheterogeneity：蛋白糖基化一个共同特点•蛋白质的糖基的微不均一性是最引人入胜的和令人沮丧的现象。异质性即糖基化位点和糖基化程度上可能有很大的不同，•微不均一性表明在特定细胞蛋白质合成特定的糖基类型。•不同蛋白质和细胞类型不同，糖基化不同。因此，特定蛋白糖基形式可有效地作为独特的分子种。•异质性可能被解释为在高尔基体新合成糖蛋白是通过迅速多个，顺序，部分竞争的糖基化反应。•从实际的角度来看，微不均一性提出完整的结构糖的分析是一项艰巨的任务。•从功能的角度来看，这种非均质性的意义上仍不清楚。这可能是一种多样性的，识别功能多样化和/或微生物和寄生虫逃避单糖生物合成和互变糖核苷酸转运蛋白NucleotidetransportinGolgiandER•NucleotideERGolgi•CMP-Sia–+++•GDP-Fuc–++++•UDP-Gal–++++•PAPS–++++•GDP-Man–++++•UDP-GlcNAc++++++•UDP-GalNAc++++++•UDP-Xyl++++++•ATP+++++++•UDP-GlcA++++++++•UDP-Glc+++++聚糖更新•像活细胞的所有组成部分，多聚糖不断更新。•介导反应的酶：exoglycosidases或endoglycosidases。•一些单位可被删除，然后添加到没有降解的链上。•最后完成降解在溶酶体内，由一系列的糖苷酶降解。降解的单糖常出溶酶体进入细胞质再利用。•ER-高尔基途径聚糖聚合相对缓慢，细胞核和细胞质多聚糖可能会更动态，并迅速。聚糖的生物合成，利用和更新UDP-GlcNActransferasGPI锚d1结构N-glycansynthesisN-聚糖加工途径的演变聚糖裂解作为蛋白质降解定时装置N一聚糖加工和运输涉及终端甘露糖在N聚糖加工最初步骤和控制蛋白质折叠（二）O-连接糖蛋白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O-连接寡糖结构：GalNAcα-O-Ser／ThrO-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。•TheO-linkedsaccharidesofglycoproteinsAntifreezeGlycoproteinsIgA分子的O-连接糖链有6种人类小肠粘液。整个肽（MUC2基因编码）有大量O-糖链（波浪线），称为粘蛋白。几个N-糖基化的三叉式配基物（tridents）。3.O-连接寡糖合成整个过程在内质网开始，高尔基体内完成。合成在多肽链合成后进行的，且没有糖链载体。在GalNAc转移酶作用下，将UDPGalNAc中的GalN