糖复合物与神经节苷脂

第三章 糖复合物糖以共价键与蛋白质或脂类结合，形成糖复合物〔glycoconjugate，包括糖蛋白glycoprotein、蛋白聚糖proteoglycan〕和糖脂glycolipid语中常以前缀glyco-或后缀-glycan-saccharide〔见第六章，有些则构成糖复合物中的聚糖。象核酸和蛋白质一样，聚糖及糖复合〔glycobiology〕是争论推动了糖生物学的快速进展。糖组学〔glycomics〕是人类后基因组打算的重要用及其机制将逐步被提醒出来，并促进糖在生物医学中的应用。第一节聚糖的构造上的聚糖存在于糖复合物中。聚糖一般含2～30一、聚糖的分子构造〔一〕除岩藻糖(fucose，Fuc)和艾杜糖醛酸〔iduronicacid,IdoUA〕为L-构型外，哺乳类动物中的单糖都是以D-构型存在，而绝大多数参与糖链合成和分解代谢的酶类具有对D-构型的糖的立体异构专一性。单糖通过氧化、复原、乙酰化和N-乙酰化、硫酸化、磷酸化、甲基化及氨基取代反响等生成相应的糖衍生物。例如，葡萄糖〔glucose, Glc〕的衍生物有葡糖胺(GlcN)、N-乙酰葡糖胺N-acetylglucosamineGlcNA〔glucuronicacid,GlcUAIdoUA。半乳糖(galactose，Gal)也可衍乙酰半乳糖胺〔N-acetylgalactosamine,GalNAc〕和岩藻糖。糖核苷二磷UDP-GlcNAc,是糖链合成时单糖供体的活性形式，它在特异的GlcNAc作用下，转移到糖链的非复原端。各单糖组分的修饰性变化可增加聚糖构造的多样性，并使其具有更广泛的生物功能。构成不同糖复合物分子糖链的单糖种类不同。例如，构成糖蛋白分子糖链8种：葡萄糖、半乳糖、甘露糖、N-乙酰葡糖胺、N-乙酰半乳糖胺、岩藻糖、木糖(xylose，Xyl)和唾液酸(sialicacid，SA)。参与蛋白聚糖分子N-乙酰葡糖胺、N-乙酰半乳糖胺、葡糖醛酸及艾杜糖醛酸〔见本章第三节。参与糖复合物糖链构成的常见的单糖构造如下，单糖的代表符号也在括号中标明。-D-葡萄糖-D-半乳糖D-甘露糖D-木糖〔Glc，▲〕(Gal，●)(Man，○)(Xyl，)-D-N-乙酰葡糖胺 -D-葡糖醛酸 -L-艾杜糖醛酸 -D-葡糖胺〔GlcNAc，■) 〔GlcUA， 〕 (IdoUA， ) 〔GlcN〕 -D-N-乙酰半乳糖胺-L-岩藻糖唾液酸-D-N-乙酰葡糖胺-尿苷二磷酸〔GalNAc，□)(Fuc，△)(SA，◆)GlcNAc-UDP〔二〕单糖的连接方式构成聚糖的根本构造单位——单糖之间的连接键为O-糖苷键。由于以环状异头体anomeO-糖苷键可有1→2，1→3，1→4，1→6等多种连接方式。唾液酸一般位于糖链的末端，以2→3，2→6或2→8以储存大量信息的构造根底〔3-。表3-1 三种生物大分子一些构造特点的比较生物大分子核酸蛋白质聚糖构造单位核苷酸氨基酸单糖连接键寡聚体数*〔n=3〕磷酸二酯键5’磷酸，3’羟基5’→3’6肽键氨基端，羧基端N→C6糖苷键非复原端→复原端＞1056所组成的寡聚体数目〕〔三〕等非糖基团及蛋白质和脂类的结合位置也在聚糖的一级构造中赐予描述。聚糖的二级构造涉及糖环构象、糖苷键旋转角度及各原子之间的相互作用格外重要的。聚糖一级构造的测定可选择质谱MS〔NMR〕和HPLC是聚糖一级构造测定中常用的工具酶。糖苷酶包括内糖苷酶〔endoglycosidase〕和外糖苷酶两种。两种聚糖水解酶作用的位点不同，内糖苷酶将糖链从内部特异的切开，而外糖苷酶则从糖链的非复原端特异的水解糖基。图3-1示应用基质关心激光离子解吸时间飞行/质谱〔matrix-assistedlaserdesorptionN-连接聚糖经不同种外糖苷酶〔1.唾液酸酶、β-半乳糖苷酶、β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶〕逐步水解作用后的荧光标记产物进展的测序分析。图3-1 寡糖MALDI-TOF/MS测序分析3H14Cdomain,CRD各种糖分析技术的提高及糖相关争论的深入，对聚糖构造的生疏会更加明确。其次节 糖蛋白的构造与功能大〔1％～85％。糖蛋白分布广泛，很多膜蛋白、分泌蛋白及细胞外基质〔extracellularmatrix,ECM〕中的一些构造蛋白等都是糖蛋白。糖蛋白以多种方基化〔glycosylation〕是蛋白质重要的加工和修饰步骤，糖基化的特别可导致多种疾病的发生，如肿瘤、感染和自身免疫病等。一、糖蛋白的分类与构造N-连接糖蛋白、O-连GPl-连接〔锚定〕糖蛋白，它们的构造和特点如下：〔一〕N-连接糖蛋白N-N-糖苷键，〔3-2-Asn-X-Ser)Asn才具有结合力量，序列子也被称为糖基化位点，可通过蛋白质的序列分析推测。GlcNAc Asn GalNAc Ser N-连接 O-连接1 2GPl-连接33-2糖链与多肽链连接点的构造N-连接糖链又可分为三种亚型：高甘露糖型〔high-mannosetype(complextype)和杂合型type)。他们都有一个共同的五糖核心构造〔Man3GlcNA2〔3-2～6个甘露糖。大多数简单2～5个糖链分支，分支末端常连有唾见于膜蛋白和分泌蛋白。核心构造 高甘露糖型 简单型 杂合型图3-3 N-连接糖链构造免疫球蛋白IgG在两条重链Fc段CH2的Asn297位点上各结合一条N-连接糖链。糖链可有30余种不同的构造IgG分子的空间构像起重要作用〔3-

图3-4 IgG分子铰链区糖链的空间构造糖链的N-乙酰半乳糖胺与多肽链的丝氨酸或苏氨酸的羟基连接，形成O-糖苷键，糖链即为O-连接糖链，也-O-Ser／Thr〔3-2-OGalβ-O-Lys糖链连接方式，是O-连接糖链多IgA重链铰链区糖基化位点及附近 的 氨 基 酸 序 列Pro-Ser-Thr(225)-Pro-Pro-Thr(228)-Pro-Ser

为 ：230 〕-Pro-Ser(232)-ThrPro-Pro-Thr(236)-Pro-Ser-Pro-SerIgAO6种〔3-。图3-5 分子O-连接糖链构造合的唾液酸和硫酸基带较多的负电荷，及O-连接点四周蛋白参与了一些细胞间的识别和黏附作用。1～302～30个糖基，如人促红细胞生成素〔erythropoietin,Epo〕有三Asn24，3883N-连接糖链和一个与Ser126O-连接糖链。蛋白质常有多个潜在的糖基IgA5Thr(225)和Thr(236)(glycoforms)。3．GPl-连接〔锚定〕糖蛋白糖磷脂酰肌醇(glycophosphatidylinositol,GPl)与多肽GPl-锚定糖蛋白。GPl的构造为：磷酸乙醇胺-甘露糖-甘露糖-甘露糖-葡糖胺〔3-2-GPl磷脂酰肌醇的脂酸链插入质膜。已经觉察约50余种GPl-5＇-核苷磷脂酶作用下从膜上被释放出来。二、糖蛋白的功能糖蛋白的生物功能格外广泛，包括组织构成、底物催的序列及构象中隐藏着构造信息，通过糖-糖及糖-蛋白分胞外基质间的分子识别和黏附,是糖蛋白极为重要的功对探讨糖相关性疾病的发病机制及将糖应用于生物医学具有重要意义。响蛋白质结合糖链后，其分子大小、电荷、溶解度及稳增加，IgA分子去掉局部糖链后则消灭分子聚拢现象，并易受蛋白酶的降解。糖链还参与了糖蛋白生肽链的折叠、亚基聚合及分拣和投送等过程。如转铁蛋白受体上Asn251糖基化位点经基因突变去除后，不能形成正常的N-6-磷酸甘露糖，并与溶酶体膜上的6-磷酸甘露糖特异受体结链的存在，HMG-CoA(羟甲戊二酰辅酶A)复原酶去糖链90促素促黄体素和TSH(促甲状腺素)等多种糖蛋白类激素的糖链直接影响激素与相应受体的亲和力和作用效应。〔二〕糖蛋白在分子识别和黏附中的作用糖蛋白在细胞间分子识别和黏附中的作用ZP2、ZP3三种糖蛋白。ZP3是与精子结合并引发顶体反响的主要糖蛋白。ZP3含有O-连接聚OUDP-半乳糖也可以阻断精卵结合。炎症浸润是循环中的白细胞被招募到炎症部位的血管内皮细胞上，滚动〔rollin、黏附和透出血管的过程，(selectin)和白细胞上的特异糖〔CRD〕L-、E-P-选凝素三种，主要分布于白细胞〔L-选凝素、内皮细胞〔E-选凝素〕和血小板〔P-选凝素。与选凝素特异结合的糖配体是唾液酸Lewis〔SLx,SLaE选凝素CRDSLexSLea种细胞间参与较强的黏附。淋巴细胞归巢〔homing〕是淋体-选凝素识别和结合过程与炎症浸润过程相像。3-6白细胞与内皮细胞的分子识别用细胞外基质中和细胞外表含有多种细胞黏附分子〔celladhesionmolecules,CAMs，它们几乎都是糖蛋白。ECM是细胞黏着并进展细胞内外代谢交换和信息传递的〔层连蛋白〕、蛋白聚糖和透亮质酸等构成，纤连蛋白和层连蛋白(laminin，Ln)ECM中的黏附分子。细胞外表的黏附分子为跨膜受体，包括整合蛋白(integrin)、钙粘蛋白和免疫球蛋白超家族等。以下仅简要FnLn及整合蛋白的分子构造和功能。〔1〕纤连蛋白ECM成二聚体，以羧基末端的两个二硫键连成“V”形构造。7ECM中的多种成分和细胞结合〔3-，构造域序列，RGDFnFn的含糖量为5～与胶原蛋白结合的构造域内，其影响Fn与胶原蛋白的结合ECM中或细胞外表的Fn形式。不同组织来源的Fn糖链构造有差异。Fn与肝素、Fn的组织分布和构造特点打算了Fn是具有多种生物学功能的糖蛋白，参与细胞的增殖分化和迁移、血液凝固、炎性浸润等多种过程。图3-7 纤连蛋白的构造域示意图层连蛋白ECM的Ln外，还包括巢蛋白(entactin，nidogen)、硫酸肝素蛋白聚糖和IV型胶原等。Ln的分子量为850～900K。Ln3个不同的亚基〔α，β，γ，通过70nm〔3-3～5Ln分子。LnLnRGD序列，这类Ln受体也为整合蛋白家族成员。Ln还有巢蛋白、硫酸肝素〔perlecaIV型胶原及Ln相互交织，构成基底膜的网状构造；Ln与上皮细胞及内皮细胞的结合，有助于将这些细胞粘着和固定于基底膜上。Ln对肾小球基底膜的构造及滤过功能起重要作用。Ln含糖为12％—15％，主要为N-连接糖链。用N-连接糖链合成抑制剂衣霉素处经觉察，Ln有促进多种肿瘤细胞生长、浸润和转移的作Ln结合的还有膜外表的α1，4-半乳糖基转移酶。整合蛋白

图3-8 层连蛋白的分子构造示意图α和β两个α和β90～整合蛋白家族是依据β亚基分类的，如最大的β1整合蛋白家族有α1β1，α2β1，及α3β112种。整合蛋白结构分为胞外、跨膜和胞内三局部〔图3-β二价阳离子(Ca2+,Mg2+)的结合部位，并有一个链内二硫α和β亚基的胞外局部形成的特异结合α1β1Ln和6β1与Ln间的特异结合等。整N-连接聚糖，对维持分子空间构象等有作用。如α5β1整合蛋白可分别用α5或β1亚基单克隆抗体以二聚体的形单抗只能沉淀各自的α5或β1单体。当β1亚基糖基化降FnLn导途径引起细胞的多种生物学功能变化。

图3-9 整合蛋白的分子构造示意图和降解，及构造和功能的特别亲热相关。糖苷酶和内切糖苷酶逐步水解的过程〔3-1。糖苷酶过多症。图3-10糖苷酶对N-糖链的降解作用1．内切糖苷酶F 2.内切糖苷酶H 3.唾液酸酶β-半乳糖苷酶β-N-乙酰葡糖胺糖苷酶 6.α-甘露糖苷酶 7.β-甘露糖苷酶ABOA、B〔，是连接A和B抗原比O抗原的糖链末端各多一个GalNAc或Gal〔3-1GalNAcGalGalNAcGal9A等位基B类型的分子根底。血型不同的输血可引起溶血反响。O A B图3-11 ABO血型的糖抗原构造-黏附素〔adhesin〕〔配体〕的识别和结合，是引起感染的必要因素。例如，肺炎球菌主要识别细胞外表的GlcNAcIgA肾病有相像IgG和IgA分子糖链末端唾液IgG或IgA关节腔或肾系膜沉积，进而造成病理性损伤。N-聚糖中基转移酶的特别所致。目前，在人类已经觉察了300余种糖基转移酶。依据糖的功能及作用机制所研制的糖类药物和疫苗Epo、粒细胞-巨噬细胞集落刺激因子及组织纤溶酶原激活剂等的优化来延长药物在血液中的半寿期及实现特异组织的EpoN-糖链为唾液酸化的,Epo在体嗜血流感杆菌〔Haemophilusinfluena的聚糖和蛋白质载体偶联所制备的细菌疫苗Hib，可使易感幼儿的发病95%景。第三节蛋白聚糖蛋白聚糖(proteoglycan) 是由糖胺聚糖〔glycosaminoglycan，GAG〕和核心蛋白通过共价键连接所形成的糖复合物。蛋白聚糖分子中含大量的糖〔＞85%，因此，整个分子主要表现聚糖的性质。糖胺聚糖组织分布及功能等各异。一、蛋白聚糖的构造〔一〕糖胺聚糖糖胺聚糖是己糖胺和己糖醛酸二糖重复单位的聚合物，它无分支。己糖胺〔糖胺聚糖由此命名〕为GlcNAcGalNAc，己糖醛酸为GlcUAIdoUA。糖胺聚糖主要有6(hyaluronicacid，HA)、硫酸软骨素(chondroitinsulfate，CS)、硫酸皮肤素(dermatansulfate，和硫酸类肝素(heparansulfate，HS)GAG的构造及3-2。3-2糖胺聚糖的构造和分布特点糖胺聚糖 二糖单位 硫酸化位置 组织分布 透明质酸(HA) GlcUA, GlcNAc 关节滑液，玻璃体，结缔组织硫酸软骨素(CS) GlcUA,GalNAc C4, C6骨，软骨，角膜硫酸皮肤素(DS) IdoUA,GalNAc, C2,C4，C6 肤，血管硫酸角质素 (KS)I/ II Gal, C6 角膜，结缔组织肝素(Hp) IdoUA，GlcN C2,C6,C2-N肥大细胞硫酸类肝〔HS〕 GlcUA，GlcN C2,C6,C2-N 皮 肤，成纤维细胞，血管 各种GAGGlcUA/IdoUAHAKS除外，GAGIdoUA3-2中仅列出主要的糖醛酸类型。KS不含糖醛酸，二糖单位为GalGlcNAc，由于此GlcNAc代替了Glc，IdoUA。GAGC4C6C〔N硫酸化，但透亮质酸是个例外，为非硫酸GAG。KSI/IIGAG与蛋白多肽链的连接方式，分别为N-O-连接。肝素在C2-NC6上IdoUAC2-N硫酸化程度均高于硫酸类肝素，是区分肝素与硫酸类肝素的重要标志。GAG的30～100次，2.5万次。D-GlcUAD-GlcNAcL-IdoUA〔硫酸化〕D-GlcN〔硫酸化〕透明质酸肝素〔二〕核心蛋白与糖胺聚糖共价结合的多肽链称核心蛋白。核心蛋白过核心蛋白的特别构造域锚定在细胞外表或细胞外基质的大分子中。丝甘蛋白聚糖(serglycin)的核心蛋白主要含丝氨酸和(Ser-Gly序列)2/3Ser结合有肝素，主要存〔三)糖胺聚糖和核心蛋白的连接N-O-糖链的方式。GAG中，CS、DS、Hp和HS与核心蛋白连接点的结构为：GlcUA-Gal-Gal-Xyl-Ser，为蛋白聚糖型〔Xylβ-O-Ser〕IIIN-O-糖链与核心蛋白相连。有些蛋白聚糖含一条GAG链，如饰胶蛋白聚糖〔decoriGAG〔下。蛋白聚糖分子中除含糖胺聚糖链外，也可结合少量N-O-连接糖链。软骨中主要含可聚蛋白聚糖〔aggrecan,又称大分子软骨蛋白聚糖，它是以透亮质酸分子为主干形成的蛋白聚糖亚基的聚拢体(proteoglycanaggregate〔3-1HAm，蛋40nmKS〔50个糖基〕100CS链〔100个糖基O-连接糖链和N-连接糖链，分布在核心蛋白的不同区域。蛋白聚糖亚基通过核心蛋白及小分子连接蛋白的HA结合区与HA结合。整个分子为一个“瓶刷”样构造。图3-12 软骨可聚蛋白聚糖的电镜照片及结构示意图三、蛋白聚糖的功能ECM、细胞膜及分泌颗粒中。蛋白聚糖的主要功能是构成ECM。例如，蛋白聚糖,而带大量的负电荷，所结合的Na+K+底膜的主要构造成分,其伸展的核心蛋白由5～7个相连ISer-Gly连接序2～15条硫酸类肝素链，另外还有10～12条N-并与基底膜的其它成分如Fn和Ⅳ胶原分子等相互作用，中的硫酸类肝素链切除，从而使基底膜的构造遭到破坏，易化肿瘤细胞集中和转移。膜蛋白聚糖,或膜结合型的蛋颗粒中存在高度浓缩的蛋白聚糖，可调整分泌蛋白的活性。一些蛋白聚糖可与ECM中的胶原蛋白、Fn、Ln及成间的相互作用，并影响细胞增殖、分化、黏附和迁移等。GAG也可单独发挥作用。例如，透亮质酸使软骨、肌腱等结缔组织具有抗压和弹性，因此，可作润滑剂和保护剂。在组织发生和重建中，常伴有HA最初大量合成，然后被透亮质酸酶降解，这种变化有利于细胞增殖、迁移HA的降解，HA与细胞外表透亮质酸受体CD44的结合，可介导多种细胞生物学行为。肝素存在于肥大细胞中，临床上常用作抗凝剂。肝素的抗凝作用是通聚糖与蛋白相互作用的争论。肝素还可用于防治血栓。糖是一组由于溶酶体内参与糖引起的溶酶体贮积病。第四节 糖脂是亲水和亲脂的兼性分子，为膜脂的重要组成成分。糖脂〔glycosphingolipi〔glycerolipiGPI。甘油糖脂〔第八章第四节〕主衰竭的强心苷类药物等。GPI的觉察较晚，是对蛋白质起1940年首先从富含脂类的组200鞘糖脂。鞘糖脂由糖和神经酰胺〔ceramide,Cer〕构成，神经酰胺是鞘氨醇〔sphingosine〕的氨基被脂酰化后所生成的化合物,鞘糖脂因神经酰胺中的两条脂酸链所含双键的数通过复原末端的半缩醛羟基通过-1-羟基以β-糖苷键相连，X代表各种不同的糖链。最简洁的鞘糖脂只连接一个糖基，最常见的是葡萄糖，其次为半乳糖。参与糖链构成的其它单糖包括GlcNAc、GalNAc、岩藻糖及唾液酸等。依据糖的性质，糖鞘脂可分为两类：中性鞘糖脂含葡萄糖GlcNAcGalNAc和岩藻糖等中性糖。例如，半乳糖神经酰胺，又酸性鞘糖脂含唾液酸或硫酸化的单糖。其中，含唾液酸的鞘糖脂又称神经节苷脂gangliosid，主1～4个唾液酸，用M,D,T,Q代表，其字母右下角的数字表示唾液酸〔多用5减去糖基数表示GM3代表一、GM2、GM3、GD2GD3等。糖链末端的唾液酸可通过α2→3与半乳糖基及α2→8与唾液酸基结合〔3-1。含硫酸化糖的鞘糖脂，称为硫苷脂。二、鞘糖脂的功能

图3-13 神经节苷脂的构造简图的生物功能。3%，28%〔microdomains〔lipidraf70nm,GM3与作用，能与细胞因子、毒素和病毒等特异结合。如霍乱弧1个A5个B〔B亚基与小肠粘膜上皮细胞外表的受体GM1结合〔图3-1AcAMPCl-等电解质平衡紊乱，病人进而消灭严峻的腹泻和脱水病症。图3-14 霍乱弧菌毒素与糖脂受体GM1结合对小鼠神经酰胺半乳糖基转移酶基因功能的争论发的缺陷，造成葡萄糖神经酰胺在巨噬细胞内积存所引起6-磷酸甘露糖的重组葡萄糖神经酰胺酶可与巨噬细6-GM2GD2含量的明显上升，GM2和GD2不仅可直接促进肿瘤的生长，并可加速肿瘤血管生成。从肿瘤细胞膜上“脱落〔shedding〕的糖脂增加，可针对糖脂糖链打算簇〔carbohydrateepitope〕的，因此，以糖脂为抗原制备的抗体可用于肿瘤的诊断和治疗。SummaryTherearethreeclassesofglycoconjugates:glycoproteins,glycolipidsandproteoglycans.Likeotherbiomolecules,glycoconjugatesplayimportantrolesinthebody.Glycobiologydealswiththestudyofthestructure,biosynthesisandfunctionoftheglycansandglyconjugates.Many kinds of glycans show variations in monosaccharidecomposition,structureandfunction.Monosaccharides,thestructureunitsoftheglycans,arecommonlyjoinedby1→2，1→3，1→4，or1→6glycosidicbondswitheither-or-anomericconfiguration.Thelinkageinoligosaccharidechainismuchmorecomplexcomparedwiththatofthepolypeptidechainandpolynucleotidechain.Thecombinationofglycanandproteinmakesglycoprotein.Glycoproteinsaredividedintothreecategoriesaccordingtothestructureofthelinkagebetweentheglycanandpeptidechain:N-linked,O-linkedandGPI-linkedones.Glycoproteinsarewidelydistributedandexertmanycrucialfunctionsinthebody.Theoligosaccharidechainofglycoproteiniscrucialinmaintainingtheproperty,structureandthefunctionofthemostglycoproteins.Moreover,itisconsideredasamessengermoleculemediatingtherecognitionandadhesionincell-cellandcell-ECMinteraction.Theabnormalitiesofglycosylationsmayresultincertaindiseases,suchastumorandautoimmunediseases.Celladhesionmolecules(CAMs)locatedbothinECMandonthecellsurfacearemostlyglycoproteins,e.g.,fibronectinsandlamininswithRGDmotifsinECM,aswellasintegrinsonthecellsurface.Integrinsactasbridgesfortheinter-andintra-cellularcommunications.TheoligosaccharidechainsofCAMsareimportantfortheactionsofCAMs.Proteoglycansarecomposedofglycosaminoglycans(GAGs)andcoreproteins.Thecharacteristicsofeachkindofproteoglycans,suchasdisacchariderepeatunitcomposition,tissuespecificity,iscloselyrelatedtoitsfunctions.Manymembraneboundpro