Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Не путать с глюканом .

Термины гликан и полисахарид определены IUPAC как синонимы, означающие «соединения, состоящие из большого количества моносахаридов, связанных гликозидно». [1] Однако на практике термин гликан также может использоваться для обозначения углеводной части гликоконъюгата , такого как гликопротеин , гликолипид или протеогликан , даже если углевод является только олигосахаридом . [2] Гликаны обычно состоят исключительно из О-гликозидных связей.моносахаридов. Например, целлюлоза представляет собой гликан (или, точнее, глюкан ), состоящий из β-1,4-связанной D- глюкозы, а хитин представляет собой гликан, состоящий из β-1,4-связанного N- ацетил- D -глюкозамин. Гликаны могут быть гомо- или гетерополимерами моносахаридных остатков и могут быть линейными или разветвленными.

Гликаны и белки [ править ]

Смотрите также: Взаимодействие гликанов и белков

Гликаны могут быть обнаружены прикрепленными к белкам, например, в гликопротеинах и протеогликанах. Как правило, они находятся на внешней поверхности клеток. О- и N-связанные гликаны очень распространены у эукариот, но также могут быть обнаружены, хотя и реже, у прокариот .

N- связанные гликаны [ править ]

Основная статья: N-связанное гликозилирование

Введение [ править ]

N-связанные гликаны присоединяются в эндоплазматическом ретикулуме к азоту (N) в боковой цепи аспарагина в последующем . Секвон представляет собой последовательность Asn-X-Ser или Asn-X-Thr, где X представляет собой любую аминокислоту, кроме пролина, а гликан может состоять из N- ацетилгалактозамина , галактозы , нейраминовой кислоты , N- ацетилглюкозамина , фукозы , маннозы и другие моносахариды.

Сборка [ править ]

У эукариот N-связанные гликаны происходят из ядра 14- сахара, собранного в цитоплазме и эндоплазматическом ретикулуме . Во- первых, два N -acetylglucosamine остатков прикреплены к долихола монофосфата, липид, на внешней стороне мембраны эндоплазматического ретикулума. Затем к этой структуре добавляют пять остатков маннозы. В этот момент частично законченный сердцевинный гликан переворачивается через мембрану эндоплазматического ретикулума, так что теперь он находится внутри ретикулярного просвета. Затем сборка продолжается в эндоплазматическом ретикулуме с добавлением еще четырех остатков маннозы. Наконец, к этой структуре добавляются три остатка глюкозы. После полной сборки гликан целиком переносится гликозилтрансферазной олигосахарилтрансферазой в формирующуюся пептидную цепь внутри ретикулярного просвета. Эта основная структура N-связанных гликанов, таким образом, состоит из 14 остатков (3 глюкозы, 9 маннозы и 2 N- ацетилглюкозамина).

Изображение: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.469

Темные квадраты - N- ацетилглюкозамин; светлые круги маннозные; темные треугольники - глюкоза.

Обработка, модификация и разнообразие [ править ]

После переноса в формирующуюся пептидную цепь N-связанные гликаны, как правило, подвергаются обширным реакциям процессинга, в результате чего удаляются три остатка глюкозы, а также несколько остатков маннозы, в зависимости от рассматриваемого N-связанного гликана. Удаление остатков глюкозы зависит от правильного сворачивания белка. Эти реакции обработки происходят в аппарате Гольджи . Реакции модификации могут включать добавление фосфатной или ацетильной группы к сахарам или добавление новых сахаров, таких как нейраминовая кислота . Обработка и модификация N-связанных гликанов внутри Гольджи не идет по линейному пути. В результате возможно множество различных вариантов структуры N-связанного гликана в зависимости от активности фермента в Гольджи.

Функции и важность [ править ]

N-связанные гликаны чрезвычайно важны для правильного сворачивания белков в эукариотических клетках. Белки- шапероны в эндоплазматическом ретикулуме, такие как калнексин и кальретикулин., связываются с тремя остатками глюкозы, присутствующими в ядре N-связанного гликана. Эти белки-шапероны затем служат для помощи в сворачивании белка, к которому прикреплен гликан. После правильного сворачивания три остатка глюкозы удаляются, и гликан переходит к дальнейшим реакциям обработки. Если белок не складывается должным образом, три остатка глюкозы снова присоединяются, позволяя белку повторно связываться с шаперонами. Этот цикл может повторяться несколько раз, пока белок не достигнет правильной конформации. Если белок повторно не укладывается должным образом, он выводится из эндоплазматического ретикулума и разрушается цитоплазматическими протеазами.

N-связанные гликаны также вносят вклад в сворачивание белков за счет стерических эффектов. Например, остатки цистеина в пептиде могут быть временно заблокированы от образования дисульфидных связей с другими остатками цистеина из-за размера ближайшего гликана. Следовательно, присутствие N-связанного гликана позволяет клетке контролировать, какие остатки цистеина будут образовывать дисульфидные связи.

N-связанные гликаны также играют важную роль во взаимодействиях между клетками. Например, опухолевые клетки производят аномальные N-связанные гликаны. Они распознаются рецептором CD337 на клетках Natural Killer как признак того, что данная клетка является злокачественной.

Внутри иммунной системы N-связанные гликаны на поверхности иммунной клетки будут способствовать определению того характера миграции клетки, например, иммунные клетки, которые мигрируют в кожу, имеют специфические гликозилирования, которые способствуют перемещению к этому участку. [3] Паттерны гликозилирования различных иммуноглобулинов, включая IgE, IgM, IgD, IgE, IgA и IgG, наделяют их уникальными эффекторными функциями, изменяя их сродство к Fc и другим иммунным рецепторам. [3] Гликаны могут также участвовать в «само» и «несамо» дискриминации, что может иметь отношение к патофизиологии различных аутоиммунных заболеваний; [3], включая ревматоидный артрит [4] и диабет 1 типа. [5]

Нацеливание на разрушающиеся лизосомальные ферменты также осуществляется с помощью N-связанных гликанов. Модификация N-связанного гликана маннозо-6-фосфатным остатком служит сигналом о том, что белок, к которому присоединен этот гликан, должен быть перемещен в лизосому. Это распознавание и транспортировка лизосомных ферментов за счет присутствия маннозо-6-фосфата осуществляется двумя белками: CI-MPR (катионнезависимый маннозо-6-фосфатный рецептор ) и CD-MPR (катион-зависимый маннозо-6-фосфатный рецептор). ).

О- связанные гликаны [ править ]

Основная статья: О-связанное гликозилирование

Введение [ править ]

У эукариот О- связанные гликаны собираются по одному сахару за раз на сериновом или треониновом остатке пептидной цепи в аппарате Гольджи. В отличие от N- связанных гликанов, пока нет известной консенсусной последовательности. Однако размещение остатка пролина на уровне -1 или +3 относительно серина или треонина является благоприятным для О-связанного гликозилирования.

Сборка [ править ]

Первым моносахаридом, присоединенным при синтезе O- связанных гликанов, является N-ацетилгалактозамин. После этого возможны несколько различных путей. Структура Core 1 создается добавлением галактозы. Структура Core 2 создается добавлением N-ацетилглюкозамина к N-ацетилгалактозаминам структуры Core 1. Структуры ядра 3 генерируются добавлением одного N-ацетилглюкозамина к исходному N-ацетилгалактозамина. Структуры Core 4 генерируются добавлением второго N-ацетилглюкозамина к структуре Core 3. Возможны другие основные структуры, хотя и менее распространенные.

Изображений:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.561 : поколения Core 1 и Core 2. Белый квадрат = N-ацетилгалактозамин; черный кружок = галактоза; Черный квадрат = N-ацетилглюкозамин. Примечание: на этой диаграмме есть ошибка. Нижний квадрат на каждом изображении всегда должен быть белым, а не черным.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.562 : поколения Core 3 и Core 4.

Общей структурной темой в O-связанных гликанах является добавление полилактозаминных единиц к различным структурам ядра. Они образуются в результате повторяющегося добавления звеньев галактозы и N-ацетилглюкозамина. Цепи полилактозамина на O-связанных гликанах часто блокируются добавлением остатка сиаловой кислоты (аналогично нейраминовой кислоте). Если также добавить остаток фукозы , к следующему за предпоследним остатком, образуется структура Сиалил-Льюиса X (SLex).

Функции и важность [ править ]

Sialyl lewis x важен для определения антигена в крови ABO .

SLex также важен для правильного иммунного ответа. Р- селектина освобождение от Вейбел-Palade органов , кровеносных сосудов на эндотелиальных клетках, могут быть вызваны целым рядом факторов. Одним из таких факторов является реакция эндотелиальной клетки на определенные бактериальные молекулы, такие как пептидогликан . Р-селектин связывается со структурой SLex, которая присутствует на нейтрофилах в кровотоке, и помогает опосредовать экстравазацию этих клеток в окружающие ткани во время инфекции.

Было обнаружено, что О- связанные гликаны, в частности муцин , играют важную роль в развитии нормальной микрофлоры кишечника. Некоторые штаммы кишечных бактерий специфически связываются с муцином, что позволяет им колонизировать кишечник.

Примеры гликопротеинов с О- связью :

  • Гликофорин , белок клеточных мембран эритроцитов.
  • Муцин, белок слюны, участвующий в образовании зубного налета.
  • Notch , трансмембранный рецептор, участвующий в развитии и решениях клеточной судьбы
  • Тромбоспондин
  • Фактор VII
  • Фактор IX
  • Активатор плазминогена мочевого типа

Гликозаминогликаны [ править ]

Основная статья: гликозаминогликан

Другой тип клеточного гликана - это гликозаминогликаны (ГАГ). Они включают 2-аминосахара, попеременно связанные с уроновыми кислотами , и включают полимеры, такие как гепарин , гепарансульфат , хондроитин , кератан и дерматан . Некоторые гликозаминогликаны, такие как гепарансульфат, обнаруживаются прикрепленными к поверхности клетки, где они связаны через тетрасахаридный линкер через ксилозильный остаток с белком (образуя гликопротеин или протеогликан ).

Гликонаука [ править ]

В отчете Национального исследовательского совета США за 2012 год содержится призыв к новому вниманию к гликологии, области, которая исследует структуры и функции гликанов и обещает большие успехи в таких разнообразных областях, как медицина, производство энергии и материаловедение. [6] До сих пор гликаны не привлекали особого внимания со стороны исследовательского сообщества из-за отсутствия инструментов для исследования их зачастую сложных структур и свойств. [7] В отчете представлена ​​дорожная карта для преобразования гликологии из области, в которой доминируют специалисты, в широко изучаемую и интегрированную дисциплину.

Гликаны и липиды [ править ]

См. Гликолипиды

GPI-Anchors [ править ]

См. Гликофосфатидилинозитол

См. Также [ править ]

  • Гликозилирование
  • Гликозид
  • Гликозид гидролаза
  • Гликозилтрансфераза

Инструменты, используемые для исследования гликанов [ править ]

Ниже приведены примеры обычно используемых методов анализа гликанов: [8] [9]

Масс-спектрометрия высокого разрешения (МС) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ) [ править ]

Наиболее часто применяемыми методами являются МС и ВЭЖХ , в которых гликановая часть отщепляется ферментативно или химически от мишени и подвергается анализу. [10] В случае гликолипидов их можно анализировать напрямую, без разделения липидного компонента.

N- гликаны из гликопротеинов обычно анализируются с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (обращенно-фазовая, нормальная фаза и ионообменная ВЭЖХ) после мечения восстанавливающего конца сахаров флуоресцентным соединением (восстановительное мечение). [11] В последние годы было введено большое количество различных меток, среди которых 2-аминобензамид (AB), антраниловая кислота (AA), 2-аминопиридин (PA), 2-аминоакридон (AMAC) и 3- (ацетиламино) - 6-аминоакридин (AA-Ac) - лишь некоторые из них. [12]

О- гликаны обычно анализируются без каких-либо меток из-за условий выделения химических веществ, которые не позволяют их маркировать.

Фракционированные гликаны из приборов для высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) могут быть дополнительно проанализированы с помощью MALDI- TOF-MS (MS) для получения дополнительной информации о структуре и чистоте. Иногда гликановые пулы анализируются непосредственно с помощью масс-спектрометрии без предварительного фракционирования, хотя различение изобарных гликановых структур более сложно или даже не всегда возможно. В любом случае, прямой анализ MALDI -TOF-MS может привести к быстрой и простой иллюстрации пула гликанов. [13]

В последние годы очень популярной стала онлайн-высокоэффективная жидкостная хроматография в сочетании с масс-спектрометрией. Выбирая пористый графитовый углерод в качестве стационарной фазы для жидкостной хроматографии, можно анализировать даже недериватизированные гликаны. Обнаружение здесь осуществляется с помощью масс-спектрометрии, но вместо MALDI- MS чаще используется ионизация электрораспылением ( ESI ). [14] [15] [16]

Мониторинг множественных реакций (MRM) [ править ]

Хотя MRM широко используется в метаболомике и протеомике, его высокая чувствительность и линейный ответ в широком динамическом диапазоне делают его особенно подходящим для исследования и открытия гликановых биомаркеров. MRM выполняется на приборе с тройным квадруполем (QqQ), который настроен на обнаружение заранее определенного иона-предшественника в первом квадруполе, фрагментированного в квадруполе столкновений и заранее определенного фрагментированного иона в третьем квадруполе. Это метод без сканирования, в котором каждый переход обнаруживается индивидуально, а обнаружение множества переходов происходит одновременно в рабочих циклах. Этот метод используется для характеристики иммунного гликома. [3] [17]

Таблица 1 : Преимущества и недостатки масс-спектрометрии в анализе гликанов

ПреимуществаНедостатки
  • Применимо для небольших количеств пробы (нижний диапазон фмоль)
  • Полезно для сложных смесей гликанов (создание дополнительных параметров анализа).
  • Стороны прикрепления могут быть проанализированы с помощью тандемных MS-экспериментов (анализ гликанов, специфичных для сторон).
  • Секвенирование гликанов с помощью тандемных MS-экспериментов.
  • Разрушительный метод.
  • Необходимость правильного экспериментального дизайна.

Массивы [ править ]

Массивы лектина и антител обеспечивают высокопроизводительный скрининг многих образцов, содержащих гликаны. В этом методе используются либо встречающиеся в природе лектины, либо искусственные моноклональные антитела , где оба иммобилизуются на определенном чипе и инкубируются с образцом флуоресцентного гликопротеина.

Массивы гликанов, подобные тем, которые предлагаются Консорциумом функциональной гликомики и Z Biotech LLC , содержат углеводные соединения, которые можно проверять с помощью лектинов или антител для определения специфичности углеводов и идентификации лигандов.

Метаболическая и ковалентная маркировка гликанов [ править ]

Метаболическое мечение гликанов можно использовать как способ обнаружения гликановых структур. Хорошо известная стратегия включает использование сахаров, меченных азидом, которые могут реагировать с использованием лигирования по Штаудингеру . Этот метод использовался для визуализации гликанов in vitro и in vivo.

Инструменты для гликопротеинов [ править ]

Рентгеновская кристаллография и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для полного структурного анализа сложных гликанов - сложная и сложная область. Однако структура сайта связывания многочисленных лектинов , ферментов и других белков, связывающих углеводы, выявила большое разнообразие структурных основ для функции гликома. Чистота исследуемых образцов была определена с помощью хроматографии ( аффинная хроматография и т. Д.) И аналитического электрофореза ( PAGE (полиакриламидный электрофорез) , капиллярный электрофорез , аффинный электрофорез и т. Д.).

Ресурсы [ править ]

  • Национальный центр функциональной гликомики (NCFG) В центре внимания NCFG - развитие гликонаук с акцентом на изучение молекулярных механизмов распознавания гликанов белками, важными для биологии человека и болезней. У них есть ряд ресурсов для анализа гликанов, а также обучение гликомике и протоколам для анализа гликанов.
  • GlyTouCan , Репозиторий структур гликанов
  • Glycosciences.DE , Немецкая база данных гликанов
  • База данных структуры углеводов , Российская база данных гликанов
  • UniCarbKB , австралийская база данных гликанов
  • GlycoSuiteDB , база данных гликанов Швейцарского института биоинформатики
  • Консорциум функциональных Glycomics (CFG) является исследовательской инициативой некоммерческой , содержащей восемь основных объектов и 500+ участвующих исследователей , которые работают вместе , чтобы развивать ресурсы и услуги и сделать их доступными для научного сообщества бесплатно. Данные, генерируемые этими ресурсами, фиксируются в базах данных, доступных через Functional Glycomics Gateway , веб-ресурс, поддерживаемый посредством партнерства между CFG и Nature Publishing Group .
  • Трансформирующий Glycoscience: Дорожная карта для будущего от Национального исследовательского совета США . Этот сайт предоставляет информацию об отчетах и ​​семинарах Национального исследовательского совета США по гликонауке.

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Гликаны" . Золотая книга ИЮПАК - Гликаны. 2009. DOI : 10,1351 / goldbook.G02645 . ISBN 978-0-9678550-9-7.
  2. ^ Dwek, Raymond A. (1996). «Гликобиология: к пониманию функции сахаров». Chem. Ред . 96 (2): 683–720. DOI : 10.1021 / cr940283b . PMID 11848770 . 
  3. ^ a b c d Маверакис Э., Ким К., Шимода М., Гершвин М., Патель Ф., Уилкен Р., Райчаудхури С., Рухак Л. Р., Лебрилла CB (2015). «Гликаны в иммунной системе и измененная теория аутоиммунитета гликанов» . J Autoimmun . 57 (6): 1–13. DOI : 10.1016 / j.jaut.2014.12.002 . PMC 4340844 . PMID 25578468 .  
  4. ^ Накагава, S; Хато, М; Такегава, Y; Дегучи, К; Ито, H; Такахата, М. Ивасаки, штат Нью-Йорк; Минами, А; Нисимура, SI (2007). «Обнаружение измененных профилей N-гликанов в цельной сыворотке от пациентов с ревматоидным артритом». J. Chromatogr. B . 853 (1–2): 133–137. DOI : 10.1016 / j.jchromb.2007.03.003 . hdl : 2115/28276 . PMID 17392038 . 
  5. ^ Бермингем, ML; Коломбо, М; McGurnaghan, SJ; Блэкборн, ЛАК; Вучкович, Ф; Пучич Бакович, М; Трбоевич-Акмачич, I; Lauc, G; Агаков, Ф; Агакова А.С.; Hayward, C; Кларич, Л; Палмер, CNA; Петри, младший; Чалмерс, Дж; Кольер, А; Зеленый, F; Линдси, РС; Макрури, S; McKnight, JA; Патрик, AW; Теккепат, S; Горник, О; МакКейг, премьер-министр; Колхун, HM (2018). «Профиль N-гликанов и заболевание почек при диабете 1 типа» . Уход за диабетом . 41 (1): 79–87. DOI : 10.2337 / dc17-1042 . PMID 29146600 . 
  6. ^ «Отчет Национального исследовательского совета США, Преобразование гликонауки: дорожная карта на будущее » .
  7. ^ «Краткий отчет Национального исследовательского совета США, Преобразование гликонауки: дорожная карта на будущее » .
  8. ^ Основы гликобиологии (2-е изд.). Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. 2009. ISBN. 978-087969770-9.
  9. ^ Aizpurua-Olaizola, O .; Тораньо, Х. Састре; Фалькон-Перес, JM; Уильямс, С .; Reichardt, N .; Бунс, Г.-Дж. (2018). «Масс-спектрометрия для открытия гликановых биомаркеров». Тенденции TrAC в аналитической химии . 100 : 7–14. DOI : 10.1016 / j.trac.2017.12.015 .
  10. ^ Wada Y, Azadi P, Costello CE и др. (Апрель 2007 г.). «Сравнение методов профилирования гликопротеиновых гликанов - мультиинституциональное исследование HUPO Human Disease Glycomics / Proteome Initiative» . Гликобиология . 17 (4): 411–22. DOI : 10.1093 / glycob / cwl086 . PMID 17223647 . 
  11. ^ Hase S, Ikenaka Т, Matsushima , Y (ноябрь 1978). «Структурный анализ олигосахаридов путем мечения концевых редуцирующих сахаров флуоресцентным соединением». Биохим. Биофиз. Res. Commun . 85 (1): 257–63. DOI : 10.1016 / S0006-291X (78) 80037-0 . PMID 743278 . 
  12. ^ Пабст М, Kolarich D, Pöltl G, и др. (Январь 2009 г.). «Сравнение флуоресцентных меток для олигосахаридов и внедрение нового метода очистки после метки». Анальный. Биохим . 384 (2): 263–73. DOI : 10.1016 / j.ab.2008.09.041 . PMID 18940176 . 
  13. ^ Harvey DJ, Bateman RH, Bordoli RS, Tyldesley R (2000). «Ионизация и фрагментация сложных гликанов с помощью квадрупольного времяпролетного масс-спектрометра, оснащенного матричным источником ионов для лазерной десорбции / ионизации». Rapid Commun. Масс-спектрометрия . 14 (22): 2135–42. Bibcode : 2000RCMS ... 14.2135H . DOI : 10.1002 / 1097-0231 (20001130) 14:22 <2135 :: АИД-RCM143> 3.0.CO; 2- # . PMID 11114021 . 
  14. ^ Шульц, BL; Пакер NH, NH; Карлссон, Н.Г. (декабрь 2002 г.). «Мелкомасштабный анализ O-связанных олигосахаридов из гликопротеинов и муцинов, разделенных гель-электрофорезом». Анальный. Chem . 74 (23): 6088–97. DOI : 10.1021 / ac025890a . PMID 12498206 . 
  15. ^ Пабст М, Bondili JS, Stadlmann Дж, Мах л, Альтман F (июль 2007 г.). «Масса + время удерживания» структура: стратегия анализа N-гликанов с помощью углеродной LC-ESI-MS и ее применение к N-гликанам фибрина ». Анальный. Chem . 79 (13): 5051–7. DOI : 10.1021 / ac070363i . PMID 17539604 . 
  16. ^ Ruhaak LR, Deelder AM, Wührer M (май 2009). «Анализ олигосахаридов методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии с графитированным углем» . Anal Bioanal Chem . 394 (1): 163–74. DOI : 10.1007 / s00216-009-2664-5 . PMID 19247642 . 
  17. ^ Цветы, Сара А.; Али, Лиакат; Пер., Екатерина С .; Олин, Магнус; Карлссон, Никлас Г. (1 апреля 2013 г.). «Мониторинг выбранных реакций для дифференциации и сравнительного количественного определения изомеров сульфатированных и несульфатированных ядер 1O-гликанов из белка MUC7 слюны при ревматоидном артрите» . Молекулярная и клеточная протеомика . 12 (4): 921–931. DOI : 10.1074 / mcp.M113.028878 . ISSN 1535-9484 . PMC 3617339 . PMID 23457413 .   
  • Варки, Аджит; Каммингс, Ричард; Эско, Джеффри; Фриз, Хадсон; Харт, Джеральд; Март, Джейми, ред. (1999). Основы гликобиологии . Колд-Спринг-Харбор, Нью-Йорк: Лаборатория Колд-Спринг-Харбор. ISBN 978-0-87969-559-0. NBK20709.

Внешние ссылки [ править ]

  • Эмануал Маверакис; и другие. (2015). «Гликаны в иммунной системе и измененная теория аутоиммунитета гликанов» . Журнал аутоиммунитета . 57 : 1–13. DOI : 10.1016 / j.jaut.2014.12.002 . PMC  4340844 . PMID  25578468 .