第五讲糖生物学-20111209

第五

讲糖生物学糖类---第三类生物大分子糖类是自然界中广泛存在的有机分子，是一类多羟基醛或多羟基酮类化合物或聚合物；葡萄糖、淀粉和糖原是动物主要的能量来源;纤维素和甲壳质则是生物量最多的两种多糖;在生物体中，糖类还可以和其它类型的分子形成糖复合物;作为细胞识别的信息分子:参与细胞识别、免疫防护与调节、代谢控制、细胞黏附以及形态发生、发育、癌变、衰老、器官移植等糖生物学1988年，牛津大学生化系的德韦克（R.Dwek）在《生化年评》(AnnualReviewofBiochemistry)上,发表了题为“glycobiology”的综述，提出了糖生物学这一名称一、糖的结构特征组成糖类的单糖具有多个可以反应的羟基和一个羰基（醛基或酮基）单糖中存在着多个不对称碳原子，因此同样组分的单糖可以有多个异构体自然界中的单糖几乎都是以吡喃环和呋喃环的形成存在，成环时，在异头碳上又产生了α和β两种异构体（一）糖的结构与构象双糖多糖纤维素（二）糖链结构的复杂性形成糖链时，各个单糖之间可以有多种不同的连接方式：1-2，1-3，1-4和1-6等,异头体又可以以α和β两种方式连接。如纤维素和淀粉，结构和性质截然不同，因为前者是β-1-4葡萄聚糖，后者是α-1-4葡萄聚糖糖链还可以出现分支结构，糖链在生物合成后，还可能发生修饰和改变糖链结构糖链的多样性和复杂性理论上，由n个不同己糖残基构成线性糖链的数目N=n！×2nr

×2na×4n-1。由4个核苷酸组成的寡核苷酸，可能的序列仅有24种；而由4个己糖组成的寡糖链，可能的序列则多达3万多种。一个六糖的异构体数目比六肽和六聚核苷酸多26×26

×46-1倍，即4194304倍正是由于糖链结构的复杂性，使其可能包含的信息量比核酸和蛋白质大了几个数量级。糖链立体结构的多样性（三）糖类的分类根据糖类的组分可以为两大类简单糖类和复合糖类简单糖类只有糖残基，而无其它类型的组分 复合糖类除了糖残基外，还有其它组分，例如肽类、脂质等常见的复合糖类糖类与肽类形成的复合物糖蛋白、蛋白聚糖、肽聚糖糖类与脂质形成的复合物糖脂、脂多糖糖苷类糖基磷脂酰肌醇(GPI)锚的蛋白质同时存在着蛋白质、糖链和脂质的三元复合物二、糖蛋白糖蛋白是连有糖链的蛋白质，多糖以共价键形式与蛋白质连接形成的生物大分子。血浆蛋白质、膜蛋白、某些酶和一些激素都属于糖蛋白。多糖中多为糖的衍生物，如N-乙酰氨基多糖等（常见的糖是半乳糖或甘露糖）寡糖链多是分支的，一般仅含有15个以下的单糖，分子量在540-3200。但糖链数目变化很大，由1到30个糖残基组成，这些糖链有时决定了糖蛋白的结构和生物学作用。（一）糖蛋白的分布糖蛋白在病毒到人类的所有生物体中都存在，包括动物、植物和微生物主要存在于体液、细胞的表面以及与分泌有关的细胞器的腔面在细胞内部的胞液和核内没有组成型的糖蛋白，只有动态调节过程中形成的带有单个N-乙酰氨基葡萄糖修饰的蛋白质（二）糖蛋白的分类组成型糖蛋白N-糖链O-糖链可调型的糖蛋白核质内的接有单个N-乙酰氨基葡萄糖或葡萄糖或ADP-核糖糖化的蛋白质通过非酶催化的化学反应糖和蛋白质的连接1组成型糖蛋白由糖蛋白肽链中的天冬酰胺（Asn）与糖链的N-乙酰葡糖胺（GlcNAc）连接，这种糖链被称为N-糖链。在糖蛋白肽链中的多种带有羟基的氨基酸残基上也可连接糖链，这种糖链被称为O-糖链。2可调型的糖基化

核质内的接有单个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协调

(Pr)—Ser/Thr-O-PO4

↓↑

(Pr)—Ser/Thr

↓↑

(Pr)—Ser/Thr-O-GN/Glc3蛋白质的糖化通过非酶催化的化学反应糖和蛋白质的连接，如胶原上的羟赖氨酸的糖化一些在体液中的糖蛋白也可能被糖化核酸内碱基上的氨基也能发生糖化反应糖化和疾病血红蛋白和血清白蛋白均可被糖化。特别是一些在体内周转速度很慢、乃致终生不代谢的蛋白质，如眼睛中的晶体蛋白。晶体蛋白经葡萄糖糖化的产物，不被降解，长期的累积可导致老年人的白内障糖尿病患者，血糖升高，使得糖化的几率明显增大。糖化是导致糖尿病人产生并发症的一个原因。如年轻的糖尿病患者经常并发白内障。糖化的过程是渐进性的，在这过程中还能产生自由基，其机制十分复杂。目前认为渐进性糖化终极产物(advancedglycationendproduct，age)和一些老年化过程有关（三）蛋白聚糖当糖蛋白中的糖链为杂多糖且杂多糖所占比例超过蛋白质时，此类糖缀合物常称为蛋白聚糖(proteoglycan)。软骨中的主要蛋白聚糖是由透明质酸、硫酸软骨素、硫酸角质素、特殊的核心蛋白和连接蛋白组成的。蛋白聚糖具有一种瓶刷样的分子结构，“刷毛”以非共价键结合在丝状透明质酸骨架上。“刷毛”由核心蛋白组成，硫酸角质素和硫酸软骨素以O-连接与其共价相连，而较小的寡糖在核心蛋白的透明质酸结合位点附近以N-连接与其相连。许多蛋白聚糖的相对分子量可高达千百万道尔顿。（五）肽聚糖是细菌细胞壁的的主要成分，肽聚糖的聚糖成分是重复的二糖聚合物，这个二糖单位是由N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸通过β-（1→4）键连接组成的。溶菌酶的作用就是切断N-乙酰葡萄糖胺和N-乙酰胞壁酸之间的键，使聚糖成分解聚，破坏细菌细胞壁。为什么青霉素是长久不衰的抗菌素？青霉素有两个特点：一是它作用的靶点是细菌特有的肽聚糖；二是这个靶点存在于细菌的表面基于类似的原理，2001年，在美国Science杂志上有两片文章，介绍了如何根据肽聚糖的特点设计和开发新型抗菌素，包括针对耐受万古霉素的细菌青霉素作用原理示意图三、糖脂1糖脂的分布糖脂是构成双层脂膜的结构物质，主要分布在细胞膜外侧的单分子层中。细菌和植物的细胞膜中糖脂含量较多。这类糖脂结构比较复杂，主要为甘油的衍生物。动物细胞膜所含的糖脂主要是脑苷脂。半乳糖脂多糖2脂质筏（lipidraft）脂质筏是质膜中的一些微区，其主要组分是鞘糖脂和胆固醇在形态学上观察到小窝（caveolae）就是由脂质筏和小窝蛋白构成的。小窝蛋白直接与信号转导相关分子之间存在着相互作用而且与疾病有关细胞骨架相关蛋白：肌动蛋白，微管蛋白，波纹蛋白等转录因子：锯齿蛋白(engrailed)等其它蛋白质：血小板糖蛋白，磷脂酶D，酪氨酸酶CD45，羧肽酶E等脂质：神经酰胺，PI(4)P,PI(4,5)P2等脂质筏和疾病病毒感染：流感，HIV-1，EB病毒，细菌：大肠杆菌，结核杆菌，幽门螺旋杆菌，炭疽杆菌等寄生虫：疟疾，锥虫等其它疾病：高血压，糖尿病，早老性痴呆，克-雅氏病等四

复合糖类中糖链的生物学功能为机体和细胞提供亲水性亲水和疏水的平衡和互补，在生命现象和生理过程中具有重要意义。糖链为糖复合物提供了有效的亲水性

为细胞提供保护层细菌细胞的细胞壁—刚性结构植物细胞的细胞壁—刚性结构（纤维素，半纤维素和果胶类）动物细胞的细胞基质—柔性结构（蛋白聚糖，结构糖蛋白，纤维粘连蛋白和层粘连蛋白）参与肽链的折叠和缔和参与糖蛋白的转运和分泌参与分子识别和细胞识别（一）糖链与抗原性血液-组织型ABO血液组织型路易斯血型MN血型抗原决定簇存在于血型糖蛋白(glycophorin)上一个肽链穿越红细胞质膜的糖蛋白，由131肽质膜外的N-末端的5个氨基酸残基呈现多态性，不同的序列分别和M或N血型对应肽链的N-末端的15个氨基酸残基上携带着9条O-糖链和一条N糖链，其中O-糖链上的唾液酸的存在与否也和抗原性有关

与糖链有关的抗原还有Ii血型抗原，P血型抗原，福斯曼抗原，T和Tn抗原等ABO血型的抗原决定簇A型细胞个体在其细胞表面具有A抗原，在血液中有抗B抗体；B型个体具有B抗原，携带抗A抗体；AB型个体同时具有A和B抗原，不携带抗A抗体和抗B抗体；O型个体不具有A和B抗原（但称为H抗原），但携带抗A抗体和抗B抗体。ABO血型与糖基转移酶在合成ABO血型有关的抗原决定簇时，糖基转移酶对糖基供体呈现高度的专一性，合成A型抗原决定簇的A酶以UDP-GalNAc为供体，合成B型抗原决定簇的B酶以UDP-Gal为供体，而A酶和B酶利用同样的接受体。A酶和B酶由等位基因编码，它们cDNA仅4处不同：

A酶B酶

残基（密码子）176R（cgc）G（ggc）235G（ggc）S（agc）266K（ctg）M（atg）268G（ggg）A（gcg）O型血的个体此等位基因的258位碱基缺失，导致读码框移位，成为无酶活性的表达产物机体内很多糖链的改变都有可能引发自身免疫疾病，如免疫球蛋白的糖形中某些糖形相对比例的升高，会使之成为抗原决定簇，从而引发自身免疫疾病—类风湿关节炎有一种特定的糖链结构和动物器官向人体的移植有关其结构为Galα1-3Gal这类型结构的糖链仅存在于比猿猴低级的动物中，例如猪和牛体内；比猿猴高级的动物，如人和猩猩等则没有这样的糖链结构，反而存在有抗这样结构二糖的抗体流行性脑膜炎球菌的表面存在有人类特有的糖链结构，α2-8连接的多聚唾液酸，脑膜炎球菌借助了这种方式逃避宿主免疫系统对它们的攻击

糖蛋白抗原和糖脂抗原与免疫应答各种病原体，不论它们是细菌，病毒还是原虫，在感染过程中首先是和宿主细胞的黏着，然后才能入侵。它们的黏着是利用病原体表面的糖结合蛋白，靶分子是宿主细胞表面的糖链，而且这种结合呈现高度的种属专一性和组织特异性。它们的糖结合蛋白所结合的糖链，可以是糖蛋白上的糖链，也可以是糖脂上的糖链，甚至是蛋白聚糖上的糖胺聚糖。病原体感染的种属特异性和组织特异性的分子基础是病原体糖结合蛋白的糖结合特异性和宿主组织表面不同糖链结构之间的对应性（二）糖链与定位和靶向在糖生物学的发展史上，一个重要的里程碑是在肝脏表面分离鉴定到去唾液酸糖蛋白受体,它专一地和非还原端为半乳糖的糖链和糖复合物、乃至于细胞结合，并将它们从血液循环中清除，摄入到肝脏实质细胞中在这以后，在其它多种类型的细胞(例如巨噬细胞)表面均发现了一系列能靶向回收不同类型糖链(糖蛋白)的糖结合蛋白

在垂体中合成了多种糖蛋白激素，例如促黄体激素(LH)和促卵泡激素(FSH)，它们共用相同的α亚基，各自的β亚基也十分相似尽管LH和FSH在同一种细胞中合成的，它们的糖链结构也属于二分支复杂型N-糖链，但是，处于非还原端的外周糖链却不同LH具有的外周糖链为SO4-4GalNAcβ1-4GlcNAcFSH相当位置的结构为Neu5Acα2-3Galβ1-4GlcNAc糖链结构的差异有可能决定了它们作用于不