5第四章聚糖的结构和功能

第四章聚糖的结构与功能细胞中存在着种类各异的含糖的复合生物大分子，如糖蛋白，蛋白聚糖、糖脂，统称为复合糖类（complexcarbohydrate)，又称为糖复合体（glycoconjugate)。组成复合糖类中的糖组分（除｛单个糖基外，称为聚糖（glycan)。就结构而论，糖蛋白和蛋白聚糖均由共价连接的蛋白质和聚糖两部分组成，而糖脂由聚糖与脂类物质组成。体内也存在着蛋白质、糖与脂类三位一体的复合物，主要利用糖基磷脂酰肌醇（glycosylphosphatidylinositol,GPI）将蛋白质锚定于细胞膜中。大多数真核细胞都能合成一定数量和类型的糖蛋白和蛋白聚糖，分布于细胞表面、细胞内分泌颗粒和细胞核内；也可被分泌出细胞，构成细胞外基质成分。糖蛋白分子中蛋白质重量百分比大于聚糖，而蛋白聚糖中聚糖所占重量在一半以上，甚至高达95%，以致大多数蛋白聚糖中聚糖分子质量高达10万以上。由于组成糖蛋白和蛋白聚糖的聚糖结构迥然不同，因此两者在合成途径和功能上在存在显著差异。第一节糖蛋白分子中聚糖及其合成过程糖蛋白（glycoprotein)分子中的含糖量因蛋白质不同而异，有的可达20%，有的仅为5%以下。此外，糖蛋白分子中单糖种类、组成比和聚糖的结构也存在显著差异。组成糖蛋白分子中聚糖的单糖有7种：葡萄糖（glucose，Glc）、半乳糖（galactose，Gal）、甘露糖（mannose，Man）,N-乙酰半乳糖胺（N-acetylgalactosamine，GalNAC）、N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine，G1cNAc）、岩藻糖（fucose，Fuc）和N-乙酰神经氨酸（N-acetylneuraminicacid，NeuAc）。由上述单糖构成结构各异的聚糖可经两种方式与糖蛋白的蛋白质部分连接，因此，根据连接方式不同可将糖蛋白聚糖分为N-连接型聚糖(N-linkedglycan)和0-连接型聚糖（0-linkedgly-can）。N-连接型聚糖是指与蛋白质分子中天冬酰胺残基的酰胺氮相连的糖链；0一连接糖链是指与蛋白质分子中丝氨酸或苏氨酸经羟基相连的糖链（图4-1）。所以，糖蛋白也相应分成N一连接糖蛋白和0一连接糖蛋白。不同种属、组织的同一种糖蛋白的N-连接型聚糖的含量和结构可以不同。即使是同一组织中的某种糖蛋白，不同分子的同一糖基化位点的N-连接型聚糖结构也可以不同，这种糖蛋白聚7980第一篇生物分子结构与功能糖结构的不均一性称为糖形（glycoform）。一、N-连接型糖蛋白的糖基化位点为ASn-X-Ser/Thr、聚糖中的N-乙酞葡糖胺与多肤链中天冬酰胺残基的酰胺氮以共价键连接，形成N-连接糖蛋白，但是并非糖蛋白分子中所有天冬酰胺残基都可连接聚糖。只有特定的氨基酸序列，即Asn-X-Ser/Thr（其中X为脯氨酸以外的任何氨基酸）3个氨基酸残基组成的序列子（sequon）才有可能，这一序列子被称为糖基化位点（图4-1）。一个糖蛋白分子可存在若干个Asn-X-Ser/Thr序列子，这些序列子只能视为潜在糖基化位点，能否连接上聚糖还取决于周围的立体结构等。二、N-连接型聚糖结构有高甘露糖型、复杂型和杂合型之分根据结构可将N-连接型聚糖分为3型：高甘露糖型、复杂型和杂合型。这3型N-连接型聚糖都有一个由2个N-G1cNAc和3个Man形成的五糖核心（图4-2）。高甘露糖型在核心五糖上连接了2~9个甘露糖，复杂型在核心五糖上可连接二、三、四或五个分支聚糖，宛如天线状，天线末端常连有N-Z乙酰,神经氨酸。杂合型则兼有二者的结构。三、N-连接型聚搪合成是以长萜醇作为聚糖载体N-连接型聚糖的合成场所是粗面内质网和高尔基体，可与蛋白质肤链的合成同时进行。在内质网内以长萜醇（dolichol,dol)作为聚糖载体，在糖基转移酶的作用下先将UDP-GlcNAc分子中的GlcNAc转移至长萜醇，然后再逐个加上糖基，糖基必须活化成UDP或GDP的衍生物，才能作为糖基供体底物参与反应，直至形成含有14个糖基的长萜醇焦磷酸聚糖结构，后者作为一个整体被转移至肽链的糖基化位点中的天冬酰胺的酰胺氮上。然后聚糖链依次在内质网和高尔基体进行加工，先由糖苷水解酶除去葡萄糖和部分甘露糖，然后再加上不同的单糖，成熟为各型N-连接型聚糖。图4一3显示从内质网到高尔基体，三种不同类型的聚糖逐步加工的过程。第四章聚糖的结构与功能81在生物体内，有些糖蛋白的加工简单，仅形成较为单一的高甘露糖型聚糖，有些形成杂合型，而有些糖蛋白则通过多种加工形成复杂型的聚糖。不同组织的同一种糖蛋白分子中的聚糖结构可以不同，说明N-连接型聚糖存在极大的多样性。即使同一种糖蛋白，其相同糖基化位点的聚糖结构也可不同，显示出相当大的微观不均一性，这可能与不完全糖基化以及糖苷酶和糖基转移酶缺乏绝对专一性有关。四、O-连接型聚糖合成不需聚糖载体聚糖中的N-乙酰半乳糖胺与多肽链的丝氨酸或苏氨酸残基的羟基以共价键相连而形成O-连接糖蛋白。它的糖基化位点的确切序列子还不清楚，但通常存在于糖蛋白分子表面丝氨酸和苏氨酸比较集中且周围常有脯氨酸的序列中，提示0-连接糖蛋白的糖基化位点由多肽链的二级结构、三级结构决定。O-连接型聚糖常由N-乙酰半乳糖胺与半乳糖构成核心二糖，核心二糖可重复延长及分支，再连接上岩藻糖、N-乙酰葡糖胺等单糖。与N-连接型聚糖合成不同，O-连接型聚糖合成是在多肽链合成后进行的，而且不需聚糖载体。在Ga1NAc转移酶作用下，将UDP-Ga1NAc中的Ga1NAc基转移至多肽链的丝／苏氨酸的羟基上，形成O-连接，然后逐个加上糖基，每一种糖基都有其相应的专一性转移酶。整个过程在内质网开始，到高尔基体内完成。五、蛋白质β-N-乙酰葡糖胺的糖基化是可逆的单糖基修饰蛋白质糖基化修饰除N-连接型聚糖修饰、0-连接型聚糖修饰外，还有β-N-乙酰葡糖胺的单糖基修饰（0-G1cNAc)，主要发生于膜蛋白和分泌蛋白。蛋白质的0-G1cNAc糖基化修饰是在0-G1cNAc糖基转移酶（0-G1cNActransferase，OGT）作用下，将β-N-乙酰葡糖胺以共价键方式结合于蛋白质的Ser/Thr残基上。这种糖基化修饰与N-或O-聚糖修饰不同，不在内膜（如内质网、高尔基体）系统中进行，主要存在于细胞质或胞核中。蛋白质在O-G1cNAc糖基化后，其解离需要特异性的β-N-乙酰葡糖胺酶（0-G1cNAcase）作用，0-G1cNAc糖基化与去糖基化是个动态平衡的过程。糖基化后，蛋白质肽链的构象将发生改82第一篇生物分子结构与功能变，从而影响蛋白质功能。可见，蛋白质在OGT与O-G1cNAcase作用下的这种糖基化过程与蛋白质磷酸化调节具有相似特性。此外，0-G1cNAc糖基化位点也经常位于蛋白质Ser/Thr磷酸化位点处或其邻近部位，糖基化后即会影响磷酸化的进行，反之亦然。因此O-G1cNAc糖基化与蛋白质磷酸化可能是一种相互拮抗的修饰行为，共同参与信号通路调节过程。六、糖蛋白分子中聚糖影响蛋白质的半衰期、结构与功能人体细胞内蛋白质约三分之一为糖蛋白，执行着不同的功能。糖蛋白分子中聚糖不但能影响蛋白部分的构象、聚合、溶解及降解，还参与糖蛋白相互识别、结合等功能。（一）聚糖可稳固多肽链的结构及延长半衰期糖蛋白的聚糖通常存在于蛋白质表面环或转角的序列处，并突出于蛋白质的表面。有些糖链可能通过限制与它们连接的多肽链的构象自由度而起结构性作用。0一连接型聚糖常成簇地分布在蛋白质高度糖基化的区段上，有助于稳固多肽链的结构。一般来说，去除聚糖的糖蛋白，容易受蛋白酶水解，说明聚糖可保护肽链，延长半寿期。有些酶的活性依赖其聚糖，如羟甲基戊二酸单酞辅酰A（HMG-CoA）还原酶去聚糖后其活性降低90%以上；脂蛋白脂肪酶N-连接型聚糖的核心五糖为酶活性所必需。当然，蛋白质的聚糖也可起屏障作用，抑制糖蛋白的作用。（二）聚糖参与糖蛋白新生肽链的折叠或聚合不少糖蛋白的N-连接型聚糖参与新生肽链的折叠，维持蛋白质正确的空间构象。如用DNA定点突变方法去除某一病毒G蛋白的两个糖基化位点，此G蛋白就不能形成正确的链内二硫键而错配成链间二硫键，空间构象也发生改变。运铁蛋白受体有3个N-连接型聚糖，分别位于Asn251，Asn317和Asn727。已发现Asn727与肤链的折叠和运输密切相关；Asn251连接有三天线复杂型聚糖，此聚糖对于形成正常二聚体起重要作用，可见聚糖能影响亚基聚合。在哺乳类动物新生蛋白质折叠过程中，具有凝集素活性的分子伴侣—钙连蛋白（calnexin）和（或）钙网蛋白（calreticulin)等，通过识别并结合折叠中的蛋白质（聚糖）部分，帮助蛋白质进行准确折叠，同样也能使错误折叠的蛋白质进人降解系统。（三）聚搪可影响糖蛋白在细胞内的靶向运输糖蛋白的聚糖可影响糖蛋白在细胞内的靶向运输的典型例子是溶酶体酶合成后向溶酶体的靶向运输。溶酶体酶在内质网合成后，其聚糖末端的甘露糖在高尔基体被磷酸化成6一磷酸甘露糖，然后与溶酶体膜上的6一磷酸甘露糖受体识别、结合，定向转送至溶酶体内。若聚糖链末端甘露糖不被磷酸化，那么溶酶体酶只能被分泌至血浆，而溶酶体内几乎没有酶，可导致疾病产生。（四）聚糖参与分子间的相互识别聚糖中单糖间的连接方式有1，2连接、1，3连接、1，4连接和1，6连接；这些连接又有a和β之分。这种结构的多样性是聚糖分子识别作用的基础。猪卵细胞透明带中分子质量为5.5万的ZP一3蛋白，含有0一连接型聚糖，能识别精子并与之结合。受体与配体识别、结合也需聚糖的参与。如整联蛋白与其配体纤连蛋白结合，依赖完整的整联蛋白N一连接型聚糖的结合；若用聚糖加工酶抑制剂处理K562细胞，使整联蛋白聚糖改变成高甘露糖型或杂合型，均可降低与纤连蛋白识别和结合的能力。红细胞的血型物质含糖达80%-90%。ABO血型物质是存在于细胞表面糖脂中的聚糖组分。ABO系统中血型物质A和B均是在血型物质0的聚糖非还原端各加上GaINAc或Gal，仅一个糖基之差，使红细胞能分别识别不同的抗体，产生不同的血型。细菌表面存在各种凝集素样蛋白，可识别人体细胞表面的聚糖结构，而侵袭细胞。细胞表面复合糖的聚糖还能介导细胞一细胞的结合。血循环中的白细胞需通过沿血管壁排列的内皮细胞，才能出血管至炎症组织。白细胞表面存在一类猫附分子称选凝蛋白第四章聚糖的结构与功能83（selectin)，能识别并结合内皮细胞表面糖蛋白分子中的特异聚糖结构，白细胞以此与内皮细胞黏附，进而其他黏附分子的作用，使白细胞移动并完成出血管的过程。免疫球蛋臼G(IgG)属于N-连接糖蛋白，其聚糖主要存在于Fc段。IgG的聚糖可结合单核细胞或巨噬细胞上的Fc受体，并与补体C1q的结合和激活以及诱导细胞毒等过程有关。若IgG去除聚糖，其绞链区的空间构象遭到破坏，上述与Fc受体和补体的结合功能就丢失。框4-1，蓬勃发展的糖生物学研究在糖生物化学研究积累了大量资料的基础上，自1980年，起复合糖类中聚糖的多种功能相继被发现，糖类不再被看作仅是生物体的产能物质和结构物质。1988年，糖生物学（glycobiology）概念被提出。随着复合糖类中聚糖的结构与功能研究的不断深入，发现了聚糖具有涉及蛋白质折叠、稳定性和细胞内运愉，以及细胞识别、黏附和迁移等重要的生理作用，因而被认为是继核酸和蛋白质后的又一类重要的生物大分子。糖组（glycome)是指一种细胞或一个生物体中全部聚糖种类，而糖组学（glycomics)则包括聚糖种类、结构鉴定、糖基化位点分析、蛋白质糖基化的机制和功能等内容，也是对蛋白质与聚糖间的相互作用和功能的全面分析。当今以高通量、高效率技术探讨个体全部糖链的结构、功能及其代谢为主体内容的糖组学研究正在蓬勃发展，其成果对拓展糖生物学的内涵具有重要的科学意义。第二节蛋白聚糖分子中的糖胺聚糖蛋白聚糖（proteoglycan)是一类非常复杂的复合糖类，主要由糖胺聚糖（glycosaminoglycan,GAG)共价连接于核心蛋白所构成。一种蛋白聚糖可含有一种或多种糖胺聚糖。糖胺聚糖是