Гликозилиране Базата захар на работа на непълно работно време PZ - Pharmazeutische Zeitung

От Theo Dingermann и Ilse Zündorf/Никой не може да живее без захар. Това в никакъв случай не се дължи само на липсата на основен енергиен източник. Без правилните захарни молекули клетъчните мембрани и протеините не работят, имунната система се заблуждава и лигавиците изсъхват. Така че захарта има работа на пълен и непълен работен ден. Струва си да разгледаме по-отблизо някои от тези задачи.

работа

Захар - дума, която поляризира. Събужда съблазнителни асоциации и се превръща в призрак в следващия момент. Но какво всъщност се има предвид, когато говорим за захар?

  • Повечето хора мислят за дизахаридната захароза, когато говорят за захар, най-важният подсладител в хранителния сектор. В тази молекула двата монозахарида глюкоза и фруктоза са свързани чрез необичайна гликозидна връзка, която отнема монозахаридите на значителна част от тяхната реактивност.
  • Други мислят за глюкозата, захарната молекула, без която мозъкът ни не може да мисли. От друга страна, глюкозата играе централна роля в патогенезата на една от най-големите текущи епидемии, захарен диабет.
  • Вероятно малцинство свързва термина захар с уважавана група химически много подобни молекули, които могат да бъдат биохимично много специални. Представителите на тази група, които, разбира се, също включват глюкоза, фруктоза и захароза, могат да образуват съединения помежду си, но също така и с други класове молекули като липиди и протеини и в тази форма поемат физиологично много подходящи биологични функции.

"width =" 550 "height =" 121 "/>

Захарта прави разликата: в кифлите, както и в клетките, протеините и липидите.

Така че захарите в никакъв случай не са "само" източник на енергия. Те са градивните елементи на биомембраните и клетъчните стени. Те действат като компоненти на вторичните растителни съставки и им придават специално разтварящо се поведение, по-добра стабилност и понякога дори типичния им спектър на действие. Те служат като докинг точки за вируси или бактериални токсини и като точки за разпознаване на взаимодействията между клетките и клетките. Те помагат за правилното сгъване на протеини и маркират протеините за пътя им в определени клетъчни органели или в извънклетъчните отделения. Освен това, захарите предпазват редица протеини от прекалено бързото хидролитично разграждане от протеази и по този начин влияят върху тяхната фармакокинетика. И ако олигозахаридните вериги не са събрани правилно, те могат да предизвикат имунологични реакции и други неизправности. По този начин захарите наблюдават биологичната цялост.

Глюкоза: изходна молекула в метаболизма

В известен смисъл глюкозата възниква от нищо - с много опростени термини. Ако растителните семена попаднат на земята, с течение на времето от тях растат огромни количества биомаса, без да е необходимо никакво „допълнително хранене“. От въздуха (CO2), водата и светлината, както и няколко микроелемента (азот, сяра, фосфат и други), които са повсеместни в почвата, глюкозата се образува по време на фотосинтезата. Това се използва от автотрофните организми като основен материал за синтезиране на всички останали биомолекули.

Фотосинтезата произвежда 2 х 10 11 тона D-глюкоза годишно, по-голямата част от които остава под формата на моно-, олиго- и полизахариди на ниво въглехидрати. Само 5 процента участват в синтеза на други първични и вторични метаболити (1).

Фигура 1: Преглед на важните захарни структури; символите са показани до съкращенията на имената.

Графика: Стефан Спицър

Превръщането на глюкозата в други захарни молекули води до хексози фруктоза, галактоза и маноза, пентозите арабиноза, фукоза, рибоза и ксилоза, аминозахарките глюкозамин, N-ацетилглюкозамин, галактозамин, N-ацетилгалактозамин и N-ацетилнеураминова киселина Илюстрация 1). Подобно на аминокиселините в случай на протеини и нуклеотидите в случая на нуклеинови киселини, тези монозахариди служат като синтетични градивни елементи за огромен брой олиго- и полизахариди. С една важна разлика: Докато отделните мономери са много равномерно свързани в линейните протеини и нуклеинови киселини и информацията се съдържа само в броя и последователността на градивните блокове, във въглехидратите положението и конфигурацията на гликозидната връзка, както и различни клонове също водят до един изключително висока плътност на информацията. Следователно гликозилирането има огромен биологичен капацитет за съхранение, който далеч надвишава този на класическите носители на информация като нуклеинови киселини и протеини.

Всички функции на захарта трудно могат да бъдат представени в една прегледна статия. Поради това се концентрираме основно върху маркирането на биологични повърхности под формата на гликокаликс и върху функцията на захарните вериги в гликопротеините.

Гликокаликс

Външната повърхност на еукариотните клетки е „украсена“ с мрежа от полизахариди; това е известно като гликокаликс. Подробният състав на този гликокаликс е толкова силно индивидуален, че само еднояйчни близнаци имат химически идентичен гликокаликс. Това предполага, че тази сложна захарна мрежа изпълнява много важни задачи.

Гликокаликсът предпазва плазмената мембрана, наред с други неща, от неконтролирано сливане с други мембрани и ограничава клетката отвън. Но съдържа и компонентите, чрез които може да бъде разпознат от други телесни клетки, както и от бактерии, вируси и токсини; това е основата за процесите на адхезия на клетките. Някои примери за биологичните функции на гликокайкса:

  • Разпознаване на клетъчни клетки чрез мембранни антигени,
  • Рецепторни и „улавящи функции“ в услуга на поглъщане на вещества чрез ендоцитоза,
  • Свързване на антитела с антигени на кръвна група върху еритроцитите,
  • Адхезия и последваща екстравазация на левкоцити върху ендотелните клетки на съдовете,
  • Оплождане на яйца от сперматозоиди или
  • Свързване на хемаглутинините на грипните вируси със сиаловите киселини на гликокаликса.

Вътреклетъчните мембрани също могат да носят гликокаликс, който е насочен към лумена на органелите. Гликокаликсът на лизозомите е богат на трудно разградими захарни структури, които предотвратяват разрушаването на лизозомните мембрани от множеството агресивни лизозомни молекули.

Захарните структури са закотвени в мембраните от интегрални мембранни липиди (гликолипиди) и мембранни протеини (гликопротеини).

Гликолипиди

Фигура 2: Структура на ганглиозид GM3. Този гликосфинголипид се състои от керамид, който е съставен от амино алкохола сфингозин със свързана мастна киселина. Ако захарен остатък е прикрепен към хидроксилната група на сфингозина, се образува цереброзид, тук глюкоцереброзид. За GM3 се добавят галактоза и остатък от N-ацетилнеураминова киселина (за захарни символи вижте фигура 1).

Графика: Стефан Спицър

Гликолипидите са важни компоненти на клетъчната мембрана и имат значителен принос за гликокаликса. Липофилната част се образува от сфингозин, към чиято аминогрупа е прикрепена мастна киселина; това устройство е известно още като керамид (Фигура 2). Вече различни захари могат да бъдат свързани с хидроксилната група като моно- или олигозахариди. В най-простата форма с глюкоза се образува глюкозилцерамид.

По принцип керамид, към който е свързана само една хексоза, се нарича цереброзид; съответно могат да се разграничат галактоцереброзиди и глюкоцереброзиди, които имат свързана галактоза или глюкоза. От друга страна, ганглиозидите са гликосфинголипиди, в които няколко молекули захар са свързани с керамида, съдържат се поне една кисела сиалова киселина и един или обикновено няколко остатъка от ацетилнеураминова киселина (Neu5Ac).

Въпреки голямото разнообразие и сложност на структурите, има някои видни примери, най-известните от които със сигурност са детерминантите на кръвните групи А и В. Те са тясно свързани и имат общ предшественик: кърмачетата изразяват само това, което е известно като Н антиген на своите червени кръвни клетки, последователност, състояща се от пет захарни молекули, която е свързана с липид или протеин (Фигура 3). Антигените на кръвната група за възрастни се развиват от този предшественик, като използват специфични гликозилтрансферази, за да прикачат или N-ацетилглюкозаминов остатък (кръвна група А), или друг галактозен компонент (кръвна група В) към галактозната единица на Н антигена. Носителите на кръвна група 0 не произвеждат нито ензима, специфичен за кръвна група А, нито ензима, специфичен за кръвна група В, така че към H антигена не е прикрепен допълнителен градивен елемент.

Интересно е, че гликозилирането на кръвните клетки е свързано с различна чувствителност към патогени и очевидно е било изключително важно за еволюционното развитие на хората. Например, хората с кръвна група 0 показват статистически по-леки курсове на заболяването с маларийна инфекция (2). В райони близо до екватора със субтропичен климат, т.е. местообитанието на комара Anopheles, тази кръвна група доминира с 40 до 90 процента. В по-хладните райони обаче, където маларията не се наблюдава, кръвната група 0 е представена много по-рядко с максимум 40 процента.

"width =" 191 "height =" 212 "/>

Фигура 3: Схематично представяне на антигените на кръвната група AB0 (за символите на захарта вижте фигура 1)

Графика: Стефан Спицър

Значението на гликолипидите може да се види и във факта, че променените структури често са свързани с рак или автоимунни заболявания. Например, IgA нефропатията и ревматоидният артрит са резултат от патологична неизправност в натрупването на гликанови детерминанти, което води до възпалителен имунен отговор.

Видни примери за заболявания, при които гликолипидите са критично засегнати, са също лизозомни болести за съхранение като болест на Гоше, болест на Помпе или болест на Фабри. Тук е засегнат лизозомният разпад на структурите, тъй като пациентите не могат да експресират определени гликозидази.

Гликопротеини

Гликопротеините също могат да бъдат намерени в изключително разнообразие, в което могат да се разграничат три по-големи групи:

  • N-гликопротеини,
  • О-гликопротеини и
  • GPI-закотвени гликопротеини (3).

Докато гликопротеините, закотвени чрез гликозилфосфатидилинозитолова молекула (GPI), винаги са свързани с мембрана и също помагат за оформянето на гликокаликса, N- и O-гликопротеините се срещат както в разтворима, така и в мембранно свързана форма.

"width =" 191 "height =" 151 "/>

Фигура 4: Схематично представяне на N-гликани върху протеини (примери). В зависимост от това кои и колко захарни молекули са прикрепени към основната структура (подчертана в бяло), се прави разлика между високоманозни, сложни и хибридни гликозилирания. Възможен остатък от фукоза върху първия N-ацетилглюкозамин има важна функция (за символите на захарта вижте фигура 1).

Графика: Стефан Спицър

При хората в процесите на гликозилиране участват над 100 гликозилтрансферази, гликозидази и транспортери. Тези ензими са разположени в цитозола, в ендоплазмения ретикулум (ER), в апарата на Голджи и в лизозомите. Основните дейности на гликозилирането на протеини се извършват в ER и апарата на Голджи. При така наречената обработка на N-гликан, олигозахаридните структури са структурирани по пътя си към клетъчната повърхност или в определени органели, например лизозомите, но са моделирани по много сложен начин.

N-гликозилирането винаги се извършва в протеин при консенсусна последователност, състояща се от аспарагин, всяка аминокиселина и серин или треонин (Asn-X-Ser/Thr). В амидната странична група на L-аспарагин (Asn) въглехидратният компонент обикновено е свързан с пептидната верига чрез N-ацетил-D-глюкозамин (GlcNAc) (4-6).

Общо за всички типове N-гликан е изключителната ядрена структура Man3GlcNAc2 („Trimannosyl-chitobiosyl-core“, Фигура 4). С N-ацетилглюкозаминил трансферазите (GnT) I до VI, до пет N-ацетилглюкозамини (GlcNAc) могат да бъдат специфично свързани. Според броя на прикрепените GlcNAc се прави разлика между би-, три-, тетра- и пента-антенни комплексни N-гликани. Крайните сиалови киселини са изключително важни за конформацията и функционирането на протеина поради техния размер, позиция и отрицателен заряд. В допълнение, сиаловите киселини са важна последователност за разпознаване на рецепторите.

"width =" 293 "height =" 151 "/>

Фигура 5: Схематично представяне на O-гликани върху протеини (примери). Не може да се види основна структура.

Графика: Стефан Спицър

Комплексните N-гликани могат също да бъдат фукозилирани в основата на N-ацетил-D-глюкозамина. Това основно фукозилиране на IgG антитела е изключително важно за степента на медиирана от антитела клетъчна цитотоксичност (ADCC), която днес се определя за всяко антитяло, използвано в онкологията.

О-гликозилирането модифицира остатъци от серин или треонин. Те са по-сложни и по-малко изследвани от N-гликозилиранията. Засега не е известна фиксирана аминокиселинна последователност за О-гликозидно свързаните въглехидрати. Първият въглехидрат, свързан с аминокиселината, е или N-ацетилгалактозамин (GalNAc), N-ацетилглюкозамин (GlcNAc), маноза (Man), фукоза (Fuc) или глюкоза (Glc) (Фигура 5). Специален вид О-гликозилиране се намира в клетката и тук дори в клетъчното ядро. Модификацията на хистони с O-GlcNAc остатъци е вариант на хистоновия код, който помага за регулиране на генната експресия.

Гликозилирането като граница и протеазна защита

В повечето случаи извънклетъчните протеини са гликозилирани. Хидрофилните гликани, които са предимно киселинни поради отрицателно заредените сиалови киселини, допринасят значително за разтворимостта на водата в протеините. Вероятно само чрез тези модификации стават възможни забележително високите протеинови концентрации в човешката кръвна плазма от около 50 до 70 mg/ml. В допълнение, отрицателно заредените сиалови киселини на гликоконюгатите и сулфатните и карбоксилатните остатъци на гликозаминогликаните придават на клетките отрицателния повърхностен заряд и определят критични дифузионни бариери.

Плътният слой муцини, който се отлага върху много епители, например в дихателните пътища и червата, функционира като критична бариера и предпазва организма от инвазия от микроорганизми. Ако тези слоеве бъдат прекъснати, например поради генетични дефекти, това може да има много сериозни последици като повтарящо се възпаление и повишен риск от рак.

Бариерната функция се подкрепя от факта, че муцините, които са гъсто натъпкани с О-гликани, са ясно защитени срещу разцепване от протеази. Всъщност обширни сегменти на някои муцини дори не могат да бъдат разцепени от експериментално използваната протеиназа К. Защитата, която силното гликозилиране предлага срещу протеази, се използва и специално за лекарствени вещества, например производното на еритропоетин дарбепоетин алфа.

Освен това модификациите на захарта придават на муцините важната им смазваща функция. Важността на това свойство става ясно, когато възникнат повреди. Пациентите, чиято функция на слюнчените жлези е нарушена чрез лъчетерапия или синдром на Sjogren, страдат от значителни функционални проблеми в областта на главата и шията и проблеми с храненето поради затруднено преглъщане. Също така се мисли за критичната смазваща функция на хиалуронан, високомолекулен полизахарид в съединителната тъкан, в телесните течности като синовиалната течност в ставните кухини и в слъзната течност на окото. Тук дефицитите трябва да бъдат заменени терапевтично.

Неправилно гликозилиране: причина за заболяване