第五講糖生物學(xué)-20111209

第五

講糖生物學(xué)糖類---第三類生物大分子糖類是自然界中廣泛存在的有機分子，是一類多羥基醛或多羥基酮類化合物或聚合物；葡萄糖、淀粉和糖原是動物主要的能量來源;纖維素和甲殼質(zhì)則是生物量最多的兩種多糖;在生物體中，糖類還可以和其它類型的分子形成糖復(fù)合物;作為細(xì)胞識別的信息分子:參與細(xì)胞識別、免疫防護(hù)與調(diào)節(jié)、代謝控制、細(xì)胞黏附以及形態(tài)發(fā)生、發(fā)育、癌變、衰老、器官移植等糖生物學(xué)1988年，牛津大學(xué)生化系的德韋克（R.Dwek）在《生化年評》(AnnualReviewofBiochemistry)上,發(fā)表了題為“glycobiology”的綜述，提出了糖生物學(xué)這一名稱一、糖的結(jié)構(gòu)特征組成糖類的單糖具有多個可以反應(yīng)的羥基和一個羰基（醛基或酮基）單糖中存在著多個不對稱碳原子，因此同樣組分的單糖可以有多個異構(gòu)體自然界中的單糖幾乎都是以吡喃環(huán)和呋喃環(huán)的形成存在，成環(huán)時，在異頭碳上又產(chǎn)生了α和β兩種異構(gòu)體（一）糖的結(jié)構(gòu)與構(gòu)象雙糖多糖纖維素（二）糖鏈結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性形成糖鏈時，各個單糖之間可以有多種不同的連接方式：1-2，1-3，1-4和1-6等,異頭體又可以以α和β兩種方式連接。如纖維素和淀粉，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)截然不同，因為前者是β-1-4葡萄聚糖，后者是α-1-4葡萄聚糖糖鏈還可以出現(xiàn)分支結(jié)構(gòu)，糖鏈在生物合成后，還可能發(fā)生修飾和改變糖鏈結(jié)構(gòu)糖鏈的多樣性和復(fù)雜性理論上，由n個不同己糖殘基構(gòu)成線性糖鏈的數(shù)目N=n！×2nr

×2na×4n-1。由4個核苷酸組成的寡核苷酸，可能的序列僅有24種；而由4個己糖組成的寡糖鏈，可能的序列則多達(dá)3萬多種。一個六糖的異構(gòu)體數(shù)目比六肽和六聚核苷酸多26×26

×46-1倍，即4194304倍正是由于糖鏈結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，使其可能包含的信息量比核酸和蛋白質(zhì)大了幾個數(shù)量級。糖鏈立體結(jié)構(gòu)的多樣性（三）糖類的分類根據(jù)糖類的組分可以為兩大類簡單糖類和復(fù)合糖類簡單糖類只有糖殘基，而無其它類型的組分 復(fù)合糖類除了糖殘基外，還有其它組分，例如肽類、脂質(zhì)等常見的復(fù)合糖類糖類與肽類形成的復(fù)合物糖蛋白、蛋白聚糖、肽聚糖糖類與脂質(zhì)形成的復(fù)合物糖脂、脂多糖糖苷類糖基磷脂酰肌醇(GPI)錨的蛋白質(zhì)同時存在著蛋白質(zhì)、糖鏈和脂質(zhì)的三元復(fù)合物二、糖蛋白糖蛋白是連有糖鏈的蛋白質(zhì)，多糖以共價鍵形式與蛋白質(zhì)連接形成的生物大分子。血漿蛋白質(zhì)、膜蛋白、某些酶和一些激素都屬于糖蛋白。多糖中多為糖的衍生物，如N-乙酰氨基多糖等（常見的糖是半乳糖或甘露糖）寡糖鏈多是分支的，一般僅含有15個以下的單糖，分子量在540-3200。但糖鏈數(shù)目變化很大，由1到30個糖殘基組成，這些糖鏈有時決定了糖蛋白的結(jié)構(gòu)和生物學(xué)作用。（一）糖蛋白的分布糖蛋白在病毒到人類的所有生物體中都存在，包括動物、植物和微生物主要存在于體液、細(xì)胞的表面以及與分泌有關(guān)的細(xì)胞器的腔面在細(xì)胞內(nèi)部的胞液和核內(nèi)沒有組成型的糖蛋白，只有動態(tài)調(diào)節(jié)過程中形成的帶有單個N-乙酰氨基葡萄糖修飾的蛋白質(zhì)（二）糖蛋白的分類組成型糖蛋白N-糖鏈O-糖鏈可調(diào)型的糖蛋白核質(zhì)內(nèi)的接有單個N-乙酰氨基葡萄糖或葡萄糖或ADP-核糖糖化的蛋白質(zhì)通過非酶催化的化學(xué)反應(yīng)糖和蛋白質(zhì)的連接1組成型糖蛋白由糖蛋白肽鏈中的天冬酰胺（Asn）與糖鏈的N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）連接，這種糖鏈被稱為N-糖鏈。在糖蛋白肽鏈中的多種帶有羥基的氨基酸殘基上也可連接糖鏈，這種糖鏈被稱為O-糖鏈。2可調(diào)型的糖基化

核質(zhì)內(nèi)的接有單個N-乙酰氨基葡萄糖或葡萄糖或ADP-核糖，糖基化和磷酸化相互平衡協(xié)調(diào)

(Pr)—Ser/Thr-O-PO4

↓↑

(Pr)—Ser/Thr

↓↑

(Pr)—Ser/Thr-O-GN/Glc3蛋白質(zhì)的糖化通過非酶催化的化學(xué)反應(yīng)糖和蛋白質(zhì)的連接，如膠原上的羥賴氨酸的糖化一些在體液中的糖蛋白也可能被糖化核酸內(nèi)堿基上的氨基也能發(fā)生糖化反應(yīng)糖化和疾病血紅蛋白和血清白蛋白均可被糖化。特別是一些在體內(nèi)周轉(zhuǎn)速度很慢、乃致終生不代謝的蛋白質(zhì)，如眼睛中的晶體蛋白。晶體蛋白經(jīng)葡萄糖糖化的產(chǎn)物，不被降解，長期的累積可導(dǎo)致老年人的白內(nèi)障糖尿病患者，血糖升高，使得糖化的幾率明顯增大。糖化是導(dǎo)致糖尿病人產(chǎn)生并發(fā)癥的一個原因。如年輕的糖尿病患者經(jīng)常并發(fā)白內(nèi)障。糖化的過程是漸進(jìn)性的，在這過程中還能產(chǎn)生自由基，其機制十分復(fù)雜。目前認(rèn)為漸進(jìn)性糖化終極產(chǎn)物(advancedglycationendproduct，age)和一些老年化過程有關(guān)（三）蛋白聚糖當(dāng)糖蛋白中的糖鏈為雜多糖且雜多糖所占比例超過蛋白質(zhì)時，此類糖綴合物常稱為蛋白聚糖(proteoglycan)。軟骨中的主要蛋白聚糖是由透明質(zhì)酸、硫酸軟骨素、硫酸角質(zhì)素、特殊的核心蛋白和連接蛋白組成的。蛋白聚糖具有一種瓶刷樣的分子結(jié)構(gòu)，“刷毛”以非共價鍵結(jié)合在絲狀透明質(zhì)酸骨架上。“刷毛”由核心蛋白組成，硫酸角質(zhì)素和硫酸軟骨素以O(shè)-連接與其共價相連，而較小的寡糖在核心蛋白的透明質(zhì)酸結(jié)合位點附近以N-連接與其相連。許多蛋白聚糖的相對分子量可高達(dá)千百萬道爾頓。（五）肽聚糖是細(xì)菌細(xì)胞壁的的主要成分，肽聚糖的聚糖成分是重復(fù)的二糖聚合物，這個二糖單位是由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通過β-（1→4）鍵連接組成的。溶菌酶的作用就是切斷N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸之間的鍵，使聚糖成分解聚，破壞細(xì)菌細(xì)胞壁。為什么青霉素是長久不衰的抗菌素？青霉素有兩個特點：一是它作用的靶點是細(xì)菌特有的肽聚糖；二是這個靶點存在于細(xì)菌的表面基于類似的原理，2001年，在美國Science雜志上有兩片文章，介紹了如何根據(jù)肽聚糖的特點設(shè)計和開發(fā)新型抗菌素，包括針對耐受萬古霉素的細(xì)菌青霉素作用原理示意圖三、糖脂1糖脂的分布糖脂是構(gòu)成雙層脂膜的結(jié)構(gòu)物質(zhì)，主要分布在細(xì)胞膜外側(cè)的單分子層中。細(xì)菌和植物的細(xì)胞膜中糖脂含量較多。這類糖脂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要為甘油的衍生物。動物細(xì)胞膜所含的糖脂主要是腦苷脂。半乳糖脂多糖2脂質(zhì)筏（lipidraft）脂質(zhì)筏是質(zhì)膜中的一些微區(qū)，其主要組分是鞘糖脂和膽固醇在形態(tài)學(xué)上觀察到小窩（caveolae）就是由脂質(zhì)筏和小窩蛋白構(gòu)成的。小窩蛋白直接與信號轉(zhuǎn)導(dǎo)相關(guān)分子之間存在著相互作用而且與疾病有關(guān)細(xì)胞骨架相關(guān)蛋白：肌動蛋白，微管蛋白，波紋蛋白等轉(zhuǎn)錄因子：鋸齒蛋白(engrailed)等其它蛋白質(zhì)：血小板糖蛋白，磷脂酶D，酪氨酸酶CD45，羧肽酶E等脂質(zhì)：神經(jīng)酰胺，PI(4)P,PI(4,5)P2等脂質(zhì)筏和疾病病毒感染：流感，HIV-1，EB病毒，細(xì)菌：大腸桿菌，結(jié)核桿菌，幽門螺旋桿菌，炭疽桿菌等寄生蟲：瘧疾，錐蟲等其它疾?。焊哐獕?，糖尿病，早老性癡呆，克-雅氏病等四

復(fù)合糖類中糖鏈的生物學(xué)功能為機體和細(xì)胞提供親水性親水和疏水的平衡和互補，在生命現(xiàn)象和生理過程中具有重要意義。糖鏈為糖復(fù)合物提供了有效的親水性

為細(xì)胞提供保護(hù)層細(xì)菌細(xì)胞的細(xì)胞壁—剛性結(jié)構(gòu)植物細(xì)胞的細(xì)胞壁—剛性結(jié)構(gòu)（纖維素，半纖維素和果膠類）動物細(xì)胞的細(xì)胞基質(zhì)—柔性結(jié)構(gòu)（蛋白聚糖，結(jié)構(gòu)糖蛋白，纖維粘連蛋白和層粘連蛋白）參與肽鏈的折疊和締和參與糖蛋白的轉(zhuǎn)運和分泌參與分子識別和細(xì)胞識別（一）糖鏈與抗原性血液-組織型ABO血液組織型路易斯血型MN血型抗原決定簇存在于血型糖蛋白(glycophorin)上一個肽鏈穿越紅細(xì)胞質(zhì)膜的糖蛋白，由131肽質(zhì)膜外的N-末端的5個氨基酸殘基呈現(xiàn)多態(tài)性，不同的序列分別和M或N血型對應(yīng)肽鏈的N-末端的15個氨基酸殘基上攜帶著9條O-糖鏈和一條N糖鏈，其中O-糖鏈上的唾液酸的存在與否也和抗原性有關(guān)

與糖鏈有關(guān)的抗原還有Ii血型抗原，P血型抗原，福斯曼抗原，T和Tn抗原等ABO血型的抗原決定簇A型細(xì)胞個體在其細(xì)胞表面具有A抗原，在血液中有抗B抗體；B型個體具有B抗原，攜帶抗A抗體；AB型個體同時具有A和B抗原，不攜帶抗A抗體和抗B抗體；O型個體不具有A和B抗原（但稱為H抗原），但攜帶抗A抗體和抗B抗體。ABO血型與糖基轉(zhuǎn)移酶在合成ABO血型有關(guān)的抗原決定簇時，糖基轉(zhuǎn)移酶對糖基供體呈現(xiàn)高度的專一性，合成A型抗原決定簇的A酶以UDP-GalNAc為供體，合成B型抗原決定簇的B酶以UDP-Gal為供體，而A酶和B酶利用同樣的接受體。A酶和B酶由等位基因編碼，它們cDNA僅4處不同：

A酶B酶

殘基（密碼子）176R（cgc）G（ggc）235G（ggc）S（agc）266K（ctg）M（atg）268G（ggg）A（gcg）O型血的個體此等位基因的258位堿基缺失，導(dǎo)致讀碼框移位，成為無酶活性的表達(dá)產(chǎn)物機體內(nèi)很多糖鏈的改變都有可能引發(fā)自身免疫疾病，如免疫球蛋白的糖形中某些糖形相對比例的升高，會使之成為抗原決定簇，從而引發(fā)自身免疫疾病—類風(fēng)濕關(guān)節(jié)炎有一種特定的糖鏈結(jié)構(gòu)和動物器官向人體的移植有關(guān)其結(jié)構(gòu)為Galα1-3Gal這類型結(jié)構(gòu)的糖鏈僅存在于比猿猴低級的動物中，例如豬和牛體內(nèi)；比猿猴高級的動物，如人和猩猩等則沒有這樣的糖鏈結(jié)構(gòu)，反而存在有抗這樣結(jié)構(gòu)二糖的抗體流行性腦膜炎球菌的表面存在有人類特有的糖鏈結(jié)構(gòu)，α2-8連接的多聚唾液酸，腦膜炎球菌借助了這種方式逃避宿主免疫系統(tǒng)對它們的攻擊

糖蛋白抗原和糖脂抗原與免疫應(yīng)答各種病原體，不論它們是細(xì)菌，病毒還是原蟲，在感染過程中首先是和宿主細(xì)胞的黏著，然后才能入侵。它們的黏著是利用病原體表面的糖結(jié)合蛋白，靶分子是宿主細(xì)胞表面的糖鏈，而且這種結(jié)合呈現(xiàn)高度的種屬專一性和組織特異性。它們的糖結(jié)合蛋白所結(jié)合的糖鏈，可以是糖蛋白上的糖鏈，也可以是糖脂上的糖鏈，甚至是蛋白聚糖上的糖胺聚糖。病原體感染的種屬特異性和組織特異性的分子基礎(chǔ)是病原體糖結(jié)合蛋白的糖結(jié)合特異性和宿主組織表面不同糖鏈結(jié)構(gòu)之間的對應(yīng)性（二）糖鏈與定位和靶向在糖生物學(xué)的發(fā)展史上，一個重要的里程碑是在肝臟表面分離鑒定到去唾液酸糖蛋白受體,它專一地和非還原端為半乳糖的糖鏈和糖復(fù)合物、乃至于細(xì)胞結(jié)合，并將它們從血液循環(huán)中清除，攝入到肝臟實質(zhì)細(xì)胞中在這以后，在其它多種類型的細(xì)胞(例如巨噬細(xì)胞)表面均發(fā)現(xiàn)了一系列能靶向回收不同類型糖鏈(糖蛋白)的糖結(jié)合蛋白

在垂體中合成了多種糖蛋白激素，例如促黃體激素(LH)和促卵泡激素(FSH)，它們共用相同的α亞基，各自的β亞基也十分相似盡管LH和FSH在同一種細(xì)胞中合成的，它們的糖鏈結(jié)構(gòu)也屬于二分支復(fù)雜型N-糖鏈，但是，處于非還原端的外周糖鏈卻不同LH具有的外周糖鏈為SO4-4GalNAcβ1-4GlcNAcFSH相當(dāng)位置的結(jié)構(gòu)為Neu5Acα2-3Galβ1-4GlcNAc糖鏈結(jié)構(gòu)的差異有可能決定了它們作用于不