糖蛋白与蛋白聚糖

1、糖蛋白、蛋白聚糖和细胞外基质Glycoprotein, Proteoglycan and Extracellular Matrix第十九章南方医科大学基因工程研究所南方医科大学基因工程研究所生物化学与分子生物学教研室生物化学与分子生物学教研室 朱利娜朱利娜糖类糖类单糖单糖多糖多糖糖复合物糖复合物(glycoconjugates)糖蛋白糖蛋白(glycoprotein)蛋白聚糖蛋白聚糖(proteoglycan)糖脂糖脂(glycolipids)寡糖寡糖u 糖生物学（糖生物学（glycobiology） 研究糖的分子结构、合成及生物功能的研究糖的分子结构、合成及生物功能的新兴学科。新兴学科。u

2、糖组和糖组学（糖组和糖组学（Glycome and Glycomics） 糖组：为单一细胞或生物体中的整套聚糖糖组：为单一细胞或生物体中的整套聚糖糖组学：研究包括聚糖种类、结构鉴定、糖基化糖组学：研究包括聚糖种类、结构鉴定、糖基化位点分析、蛋白质糖基化的机制和功能等的科学位点分析、蛋白质糖基化的机制和功能等的科学糖 蛋 白Glycoprotein第一节 一种或多种糖以共价键连接到肽链上的蛋白质一种或多种糖以共价键连接到肽链上的蛋白质 蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表现为蛋白质的特性表现为蛋白质的特性 分布：分布：细胞膜、溶酶体、细胞外液细胞膜、溶酶体、细胞

3、外液n糖蛋白葡萄糖葡萄糖(Glc)半乳糖半乳糖(Gal)甘露糖甘露糖(Man)岩藻糖岩藻糖(Fuc)（一）糖蛋白聚糖分为（一）糖蛋白聚糖分为N-连接型和连接型和O-连接型两连接型两种种一、糖蛋白糖链的结构n聚糖中单糖的种类：聚糖中单糖的种类：N-乙酰葡萄糖胺乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)N-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺(GalNAc)N-乙酰神经氨酸乙酰神经氨酸(NeuAc)单糖结构 -D-葡萄糖葡萄糖 -D-半乳糖半乳糖 D-甘露糖甘露糖 （Glc） （Gal） （Man） -D-N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺 -D-葡糖醛酸葡糖醛酸 -L-艾杜糖醛酸艾杜糖醛酸 -D-葡糖胺葡糖胺 （GlcNAc） （

4、GlcUA） ( IdoUA） （GlcN） -D-N-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺 -L-岩藻糖岩藻糖 唾液酸唾液酸 -D-N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺-尿苷二磷酸尿苷二磷酸 （GalNAc） （Fuc） （SA） （GlcNAc-UDP）n 糖蛋白糖链的糖蛋白糖链的N-连接型和连接型和O-连接型连接型 连接连接方式方式N-连接：连接：O-连接：连接：（二）（二）N-连接糖蛋白连接糖蛋白糖蛋白聚糖中的糖蛋白聚糖中的N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺与蛋白与蛋白部分的部分的Asn-X-Ser序列的天冬酰胺氮序列的天冬酰胺氮以共价以共价键连接称键连接称N-连接糖蛋白。连接糖蛋白。n定义：定义：N-连接糖蛋白中连接

5、糖蛋白中Asn-X-Ser/Thr三个三个氨基酸残基的序列子称为糖基化位点。氨基酸残基的序列子称为糖基化位点。糖蛋白分子中聚糖结构的不均一性称为糖蛋白分子中聚糖结构的不均一性称为糖型糖型(glycoform)。nN-连接糖蛋白的糖基化位点连接糖蛋白的糖基化位点高甘露糖型高甘露糖型复杂型复杂型杂合型杂合型都有一个五糖核心都有一个五糖核心ManManManGlcNAcGlcNAcAsnnN-连接糖蛋白的聚糖类型连接糖蛋白的聚糖类型 合成含合成含14糖基的寡糖链糖基的寡糖链 转移至肽链的糖基化位点上转移至肽链的糖基化位点上 进一步在内质网和高尔基体进行加工进一步在内质网和高尔基体进行加工nN-连接聚

6、糖的合成连接聚糖的合成共翻译过程共翻译过程 细胞定位：内质网和高尔基体细胞定位：内质网和高尔基体 载体：长萜醇载体：长萜醇 过程：过程： 酶：糖基转移酶或糖苷酶催化酶：糖基转移酶或糖苷酶催化注意：糖基必须活化为注意：糖基必须活化为UDP或或GDP的衍生物的衍生物长萜醇长萜醇-P-P聚糖的合成聚糖的合成3型型N-聚糖的加工过程聚糖的加工过程 复杂型（三）（三）O-连接糖蛋白连接糖蛋白糖蛋白聚糖中的糖蛋白聚糖中的N-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺与与蛋白部分的蛋白部分的丝丝/苏氨酸残基的羟基苏氨酸残基的羟基相连，相连，称为称为O-连接糖蛋白。连接糖蛋白。 n定义定义由由N-乙酰半乳糖胺和半乳糖构成核心乙

7、酰半乳糖胺和半乳糖构成核心二糖二糖，核心二糖可重复延长及分支，再接，核心二糖可重复延长及分支，再接上岩藻糖、上岩藻糖、N-乙酰葡萄糖胺等单糖。乙酰葡萄糖胺等单糖。nO-连接聚糖结构连接聚糖结构 nO-连接聚糖合成连接聚糖合成特点：先合成多肽链，再加工糖链特点：先合成多肽链，再加工糖链不需载体不需载体过程：过程： 在在GalNAc转移酶催化下，将转移酶催化下，将UDP-GalNAc中的中的GalNAc转移至多肽链的转移至多肽链的丝丝/苏氨酸的羟基上，形成苏氨酸的羟基上，形成O-连接；连接； 在相应的糖基转移酶作用下，在相应的糖基转移酶作用下，GalNAc上逐个加上糖基，直至上逐个加上糖基，直至O

8、-连接寡糖链连接寡糖链形成形成（四）蛋白质（四）蛋白质-N-乙酰氨基葡萄糖基化乙酰氨基葡萄糖基化-N-乙酰氨基葡萄糖乙酰氨基葡萄糖(-N-acetylglucosamine， O-GlcNAc)糖基化修饰，主要发生于膜蛋白和分泌蛋糖基化修饰，主要发生于膜蛋白和分泌蛋白白; 通过通过O-GlcNAc糖基转移酶糖基转移酶(O-GlcNAc transferase, OGT)作用，将作用，将-N-乙酰氨基葡萄糖以共价键方乙酰氨基葡萄糖以共价键方式结合于蛋白质的式结合于蛋白质的Ser/Thr残基上残基上; 主要存在于细胞质或细胞核中主要存在于细胞质或细胞核中 O-GlcNAc糖基化蛋白质的解离需要特异

9、性糖基化蛋白质的解离需要特异性的的-N-乙酰氨基葡萄糖酶乙酰氨基葡萄糖酶(O-GlcNAcase)作作用，用，O-GlcNAc糖基化与去糖基化是个动态糖基化与去糖基化是个动态可逆的过程。可逆的过程。 O-GlcNAc糖基化位点常位于蛋白质糖基化位点常位于蛋白质Ser/Thr磷酸化位点处或其邻近部位。糖基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。化后即会影响磷酸化的进行，反之亦然。 二、糖蛋白分子中聚糖的功能保护糖蛋白不受蛋白酶的水解，延长其半衰期；保护糖蛋白不受蛋白酶的水解，延长其半衰期；起屏障作用，影响糖蛋白的作用起屏障作用，影响糖蛋白的作用；聚糖还可以避免蛋白质中抗

10、原决定簇被免疫系统聚糖还可以避免蛋白质中抗原决定簇被免疫系统识别而产生抗体识别而产生抗体。 （一）（一）聚糖可影响糖蛋白生物活性聚糖可影响糖蛋白生物活性（二）糖蛋白聚糖加工可参与新生肽链折叠（二）糖蛋白聚糖加工可参与新生肽链折叠参与新生肽链的折叠并维持蛋白质的正确参与新生肽链的折叠并维持蛋白质的正确的空间构象；的空间构象；糖蛋白的糖基化与肽链的折叠及分拣密切糖蛋白的糖基化与肽链的折叠及分拣密切相关相关 。 （三）糖蛋白聚糖可参与维系亚基聚合（三）糖蛋白聚糖可参与维系亚基聚合具有功能的糖蛋白的二聚体，往往依靠具有功能的糖蛋白的二聚体，往往依靠糖糖-蛋白或糖蛋白或糖-糖相互作用维系亚基的聚合和糖相

11、互作用维系亚基的聚合和构象。构象。 （四）聚糖对蛋白质在细胞内的分拣、投送（四）聚糖对蛋白质在细胞内的分拣、投送和分泌中的作用和分泌中的作用有些蛋白质的投送信号存在于肽链内，有些蛋白质的投送信号存在于肽链内，但有些是与其糖链有关。但有些是与其糖链有关。 （五）糖蛋白聚糖具有分子间的识别作用（五）糖蛋白聚糖具有分子间的识别作用聚糖中单糖分子连接的多样性是聚糖起到聚糖中单糖分子连接的多样性是聚糖起到分子识别作用的基础；分子识别作用的基础；受体与配体识别和结受体与配体识别和结合也需聚糖的参与；合也需聚糖的参与；细胞表面糖复合物的细胞表面糖复合物的聚糖还能介导细胞聚糖还能介导细胞-细细胞的结合。胞的结

12、合。 蛋白聚糖Proteoglycan第二节蛋白聚糖是蛋白聚糖是一条或多条糖胺聚糖以共价键与一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白形成的核心蛋白形成的大分子糖复合物大分子糖复合物糖占比例大，约一半以上，具有多糖性质。糖占比例大，约一半以上，具有多糖性质。分布于软骨、结缔组织、角膜基质、关节分布于软骨、结缔组织、角膜基质、关节滑液、粘液、眼玻璃体等组织。滑液、粘液、眼玻璃体等组织。蛋白聚糖的结构核心蛋白核心蛋白糖胺聚糖糖胺聚糖糖胺糖胺糖醛酸糖醛酸葡萄糖胺葡萄糖胺半乳糖胺半乳糖胺葡萄糖醛酸葡萄糖醛酸艾杜糖醛酸艾杜糖醛酸一、糖胺聚糖糖胺聚糖（糖胺聚糖（glycosaminoglycan, GAG）是）

13、是由己糖胺和己糖醛酸构成的重复二糖单位。由己糖胺和己糖醛酸构成的重复二糖单位。硫酸软骨素类硫酸软骨素类(chordroitin sulfates)硫酸皮肤素硫酸皮肤素(dermatan sulfate)硫酸角质素硫酸角质素(keratan sulfate)透明质酸透明质酸(hyaluronic acid)肝素肝素(heparin)和硫酸类肝素和硫酸类肝素(heparan sulfate) n体内重要的糖胺聚糖（体内重要的糖胺聚糖（6种）：种）：二、核心蛋白核心蛋白（核心蛋白（core protein）为与糖胺聚糖链）为与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质。共价结合的蛋白质。核心蛋白均含有相应的糖胺聚糖

14、取代结构域，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一结构锚定在细胞表面或一些蛋白聚糖通过这一结构锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子中。细胞外基质的大分子中。1. 大分子聚集型胞外基质蛋白聚糖大分子聚集型胞外基质蛋白聚糖2. 小分子富含亮氨酸胞外基质蛋白聚糖小分子富含亮氨酸胞外基质蛋白聚糖3. 跨膜胞内蛋白聚糖跨膜胞内蛋白聚糖n根据核心蛋白和糖链成分的差别，蛋白聚糖根据核心蛋白和糖链成分的差别，蛋白聚糖分为分为3类：类：细胞表面的黏结蛋白聚糖细胞表面的黏结蛋白聚糖黏结蛋白聚糖（黏结蛋白聚糖（syndecan-1）为细胞膜表面）为细胞膜表面主要蛋白聚糖成分主要蛋白聚糖成分 透明

15、质酸透明质酸连接蛋白连接蛋白核心蛋白核心蛋白硫酸角质素硫酸角质素硫酸软骨素硫酸软骨素蛋白聚糖亚基蛋白聚糖亚基骨骺软骨蛋白聚糖聚合物骨骺软骨蛋白聚糖聚合物n 蛋白聚糖聚合物三、蛋白聚糖的合成在内质网上合成核心蛋白多肽链，同时即在内质网上合成核心蛋白多肽链，同时即以以O-连接或连接或N-连接的方式进行聚糖加工；连接的方式进行聚糖加工；在高尔基体内进行糖链延长或加工修饰；在高尔基体内进行糖链延长或加工修饰；多糖链的形成是由单糖逐个加上去的，多糖链的形成是由单糖逐个加上去的，单糖要由单糖要由UDP活化；糖醛酸由活化；糖醛酸由UDPGA提提供；硫酸由供；硫酸由PAPS提供；糖胺氨基来自于提供；糖胺氨基来

16、自于Gln。四、蛋白聚糖的功能在基质中蛋白聚糖和弹性蛋白、胶原蛋白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。细胞的粘附、迁移、增殖和分化等有关。抗凝血抗凝血(肝素肝素)参与细胞识别结合与分化参与细胞识别结合与分化(细胞表面的硫酸素细胞表面的硫酸素)维持软骨机械性能维持软骨机械性能(硫酸软骨素硫酸软骨素)等等 1. 构成细胞外基质构成细胞外基质最主要功能最主要功能2. 其它功能其它功能每一聚糖都有一个独特的能被蛋白质阅读，每一聚糖都有一个独特的能被蛋白质阅读，并与蛋白质相结合的三维空间构

17、象，即并与蛋白质相结合的三维空间构象，即 糖密码糖密码(sugar code)。 n聚糖的信息分子作用聚糖的信息分子作用聚糖结构的多样性和复杂性聚糖结构的多样性和复杂性特异的聚糖结构被细胞用来编码若干重要特异的聚糖结构被细胞用来编码若干重要信息。信息。糖蛋白与蛋白聚糖的区别糖蛋白与蛋白聚糖的区别 糖蛋白糖蛋白蛋白聚糖蛋白聚糖糖链含量糖链含量 一般少于蛋白质，少数可较多一般少于蛋白质，少数可较多较蛋白质部分多较蛋白质部分多糖链组成糖链组成 不含糖醛酸，含不含糖醛酸，含N-乙酰氨基己乙酰氨基己糖、甘露糖、半乳糖，末端为糖、甘露糖、半乳糖，末端为唾液酸及岩藻糖唾液酸及岩藻糖主要为糖醛酸、主要为糖醛酸

18、、 N-乙酰氨基己糖乙酰氨基己糖 糖基排列糖基排列 大多为分支寡糖链大多为分支寡糖链二糖分子连成长链二糖分子连成长链与肽链与肽链 连接方式连接方式O-连接或连接或N-连接连接一般为一般为O-连接，连接， 有时可游离存在有时可游离存在分布分布分布广泛，细胞内外皆有分布广泛，细胞内外皆有主要在细胞外，各主要在细胞外，各种结缔组织基质中种结缔组织基质中生理功能生理功能 作用广泛，许多粘蛋白、血浆作用广泛，许多粘蛋白、血浆蛋白、膜蛋白等结构蛋白均为蛋白、膜蛋白等结构蛋白均为糖蛋白糖蛋白以维持结缔组织的以维持结缔组织的功能为主功能为主细胞外基质Extracellular Matrix, ECM第三节n细

19、胞外基质细胞外基质(extracellular matrix，ECM)分布在各组织细胞和细胞间的胞间隙或分布在各组织细胞和细胞间的胞间隙或胞间膜。胞间膜。细胞外由纤维状胶原、透明质酸、蛋白细胞外由纤维状胶原、透明质酸、蛋白聚糖和糖蛋白以不同比例组成的细胞间质。聚糖和糖蛋白以不同比例组成的细胞间质。 结构蛋白，如：胶原结构蛋白，如：胶原 (collagen) 专一蛋白，如：纤连蛋白专一蛋白，如：纤连蛋白 (fibronectin, Fn)、层粘蛋白层粘蛋白 (laminin, Ln) 蛋白聚糖蛋白聚糖 ECM的主要成分：的主要成分：一、胶一、胶 原原胶原胶原(collagen)是结缔组织的主要蛋

20、白质成分。是结缔组织的主要蛋白质成分。分布于骨、皮肤、血管壁、肌腱、韧带、肌肉、分布于骨、皮肤、血管壁、肌腱、韧带、肌肉、软骨、角膜等。软骨、角膜等。起支架、维持组织构型、机体运动等多项作用。起支架、维持组织构型、机体运动等多项作用。（一）胶原的分子组成和分型（一）胶原的分子组成和分型胶原经超速离心后可分得胶原经超速离心后可分得3个组分，即个组分，即、，其中，其中和和组分分别是组分分别是组分的二聚体组分的二聚体和三聚体。和三聚体。组分又分为组分又分为1, 2, 3和和4，它，它们在氨基酸组成上有所不同，但肽链长度近们在氨基酸组成上有所不同，但肽链长度近似。似。 5 5型胶原蛋白的结构及组织分布

21、型胶原蛋白的结构及组织分布类型类型肽链类型肽链类型分子形式分子形式成分成分组织分布组织分布I1(I);2(I)1(I)22(I), 1(I)3 羟赖氨酸较低羟赖氨酸较低,聚糖较少聚糖较少, 纤维较宽纤维较宽 肌腱肌腱,骨骨,皮肤皮肤,角角膜膜,韧带占体内胶韧带占体内胶原蛋白总量原蛋白总量90%1()1()3羟赖氨酸较高羟赖氨酸较高,聚糖较多聚糖较多, 纤维较窄纤维较窄软骨软骨,眼玻璃体眼玻璃体, 椎间盘椎间盘1()1()3羟赖氨酸较高羟赖氨酸较高,羟脯氨酸较高羟脯氨酸较高,聚糖较少聚糖较少血管血管,肌肉肌肉,皮肤皮肤,内脏内脏1();2(); 3();4(); 4()1()22()及及其它形式

22、其它形式 羟赖氨酸较高羟赖氨酸较高,聚糖较多聚糖较多基底膜基底膜2() 3(V) 1()3 1()22() 1()2()3()羟赖氨酸较高羟赖氨酸较高,聚糖较多聚糖较多 平滑肌细胞平滑肌细胞,胚胎胚胎组织组织,腹膜腹膜,胎盘胎盘,皮肤皮肤,骨骨（二）胶原蛋白（二）胶原蛋白C端非螺旋结构域端非螺旋结构域型胶原蛋白型胶原蛋白C端非螺旋结构域的氨基酸端非螺旋结构域的氨基酸序列含有内皮抑素序列含有内皮抑素(endostatin)的全部序列的全部序列 ，推测其会产生内皮抑素，发挥抑制内皮细胞推测其会产生内皮抑素，发挥抑制内皮细胞生长作用。生长作用。 不同胶原蛋白不同胶原蛋白C端非螺旋结构域能产生不同的端

23、非螺旋结构域能产生不同的内源性血管生成抑制剂，它们都有显著的抑制内源性血管生成抑制剂，它们都有显著的抑制血管内皮细胞生长和迁移、抑制肿瘤细胞增殖血管内皮细胞生长和迁移、抑制肿瘤细胞增殖和迁移等作用。和迁移等作用。内源性血管生成抑制剂内源性血管生成抑制剂来源及分子大小来源及分子大小内皮抑素内皮抑素(endostatin)型胶原型胶原C端非螺旋结构域端非螺旋结构域(184aa)休眠蛋白休眠蛋白(restin)型胶原型胶原C端非螺旋结构域端非螺旋结构域(180aa)内皮生长抑制蛋白内皮生长抑制蛋白(vastatin) 型胶原型胶原C端非螺旋结构域端非螺旋结构域(164aa)阻碍蛋白阻碍蛋白(arre

24、stin)型胶原型胶原1链链NC1区区 (180aa)肿瘤抑素肿瘤抑素(tumstatin)型胶原型胶原3链链NC1区区 (180aa)血管能抑素血管能抑素(canstatin)型胶原型胶原2链链NC1区区(227aa)内源性血管生成抑制剂种类和来源内源性血管生成抑制剂种类和来源 由由3条条肽链以肽链以右手螺旋形成绳索样结构，右手螺旋形成绳索样结构，称为原胶原（称为原胶原（tropocollagen）（三）胶原的氨基酸组成和空间构象特点（三）胶原的氨基酸组成和空间构象特点 富含甘氨酸（占富含甘氨酸（占1/3）和脯氨酸（占）和脯氨酸（占1/4），），特含有特含有羟赖氨酸和羟脯氨酸羟赖氨酸和羟脯氨

25、酸，缺色氨酸和半胱氨，缺色氨酸和半胱氨酸，甚少酪氨酸。酸，甚少酪氨酸。 多显示为重复的多显示为重复的Gly-Pro-X氨基酸序列。氨基酸序列。3-肽链肽链原胶原原胶原（tropocollagen）原胶原首尾相随原胶原首尾相随成直线成直线各直线聚体相互交错平行聚集，各直线聚体相互交错平行聚集，彼此形成醛醇共价交联彼此形成醛醇共价交联胶原微纤维胶原微纤维(collagen fibril)胶原纤维胶原纤维(collagen fiber)纤维束纤维束I型胶原型胶原胶原纤维的组装型胶原蛋白聚合形成带横纹的型胶原蛋白聚合形成带横纹的微纤维、胶原纤维和纤维束微纤维、胶原纤维和纤维束胶原微纤维胶原微纤维 原胶

26、原分子的共价交联原胶原分子的共价交联醛醇交联反应醛醇交联反应(CH2)2HCHNCOCH2CH2NH3+赖氨酸赖氨酸(CH2)2CHNHC OCH2CH2+H3N赖氨酸赖氨酸 (CH2)2HCHNCOCH2OCH醛衍生物醛衍生物(CH2)2CHNHC OCH2CHO醛衍生物醛衍生物赖氨酰氧化酶赖氨酰氧化酶O2(CH2)2CHNHC OCH OHCHNC(CH2)3CHOHCOH醛醇缩和醛醇缩和去去H2O(CH2)2CHNHC OCCHO OHCHNC(CH2)3CH二、纤连蛋白纤连蛋白纤连蛋白(fibronectin, Fn)是广泛存在于是广泛存在于细胞外基质、基底膜和各种体液（血浆、细胞外基质、基底膜和各种体液（血浆、组织间液、淋巴液、关节腔滑液、羊水）组织间液、淋巴液、关节腔滑液、羊水）中的一种多功能糖蛋白。中的一种多功能糖蛋白。多为二聚体形式，也有以多聚体形式存在。多为二聚体形式，也有以