第八版生物化学与分子生物学聚糖的结构与功能.ppt

目录目录生物化学与分子生物学生物化学与分子生物学目录目录第第四四章章 聚糖的结构与功能聚糖的结构与功能Stucture and Function of Glycan目录目录糖类单糖多糖糖复合物(glycoconjugates)糖蛋白(glycoprotein)蛋白聚糖(proteoglycan)糖脂(glycolipids)目录目录糖糖复复合合物物(glycoconjugate)主主要要包包括括糖糖蛋蛋白白(glycoprotein)、蛋蛋白白聚聚糖糖(proteoglycan)和和糖脂糖脂(glycolipid)。糖糖蛋蛋白白和和蛋蛋白白聚聚糖糖都都由由共共价价连连接接的的蛋蛋白白质质和和聚糖两部分组成。聚糖两部分组成。糖糖蛋蛋白白分分子子中中蛋蛋白白质质重重量量百百分分比比大大于于聚聚糖糖；而而蛋白聚糖蛋白聚糖中聚糖所占重量在一半以上。中聚糖所占重量在一半以上。概概 述述目录目录糖蛋白分子中聚糖及糖蛋白分子中聚糖及其合成过程其合成过程第一节目录目录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，表现为蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表现为蛋白质的特性。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、细胞外液n糖蛋白糖蛋白目录目录特点：特点：蛋白质含量较多；含糖量变动大；聚糖结蛋白质含量较多；含糖量变动大；聚糖结构差异显著。构差异显著。糖蛋白含糖量和聚糖结构差异显著糖蛋白含糖量和聚糖结构差异显著组成糖蛋白的分子中聚糖的单糖的种类组成糖蛋白的分子中聚糖的单糖的种类葡萄糖葡萄糖(Glc)半乳糖半乳糖(Gal)甘露糖甘露糖(Man)N-乙酰半乳糖胺乙酰半乳糖胺(GalNAc)岩藻糖岩藻糖(Fuc)N-乙酰葡糖胺乙酰葡糖胺(GlcNAc)N-乙酰神经氨酸乙酰神经氨酸(NeuAc)目录目录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 连接方式N-连接：O-连接：目录目录一、一、N-N-连接糖蛋白的糖基化位点为连接糖蛋白的糖基化位点为Asn-X-Ser/ThrAsn-X-Ser/Thr糖蛋白的糖链与蛋白部分的糖蛋白的糖链与蛋白部分的Asn-X-Ser序列的天氡酰胺氮以共价键连接称序列的天氡酰胺氮以共价键连接称N-连接糖蛋白连接糖蛋白。n定义：定义：目录目录N-N-连接糖蛋白中连接糖蛋白中Asn-X-Ser/ThrAsn-X-Ser/Thr三个氨基三个氨基酸残基的序列子称为酸残基的序列子称为糖基化位点糖基化位点。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)(glycoform)。目录目录二、二、N-连接聚糖结构有高甘露糖型、连接聚糖结构有高甘露糖型、复杂型和杂合型之分复杂型和杂合型之分 高甘露糖型高甘露糖型复杂性复杂性杂合型杂合型都有一个五糖核心都有一个五糖核心ManManManGlcNAcGlcNAcAsn目录目录目录目录三、三、N-连接寡糖的合成是以长萜醇作连接寡糖的合成是以长萜醇作为聚糖载体为聚糖载体 N-连连接接寡寡糖糖是是在在内内质质网网上上以以长长萜萜醇醇作作为为糖糖链链载载体体，先先合合成成含含14糖糖基基的的寡寡糖糖链链，然然后后转转移移至至肽肽链链的的糖糖基基化化位位点点上上，进进一一步步在在内内质质网网和和高高尔尔基基体体进行加工而成。进行加工而成。每每一一步步加加工工都都由由特特异异的的糖糖基基转转移移酶酶或或糖糖苷苷酶酶催化完成，糖基必须活化为催化完成，糖基必须活化为UDP或或UDP的衍生物的衍生物。目录目录长萜醇长萜醇-P-P聚糖的合成聚糖的合成目录目录三型三型N-聚糖的加工过程聚糖的加工过程 目录目录四、四、O-连接连接聚糖合成不需聚糖载体聚糖合成不需聚糖载体糖蛋白糖链与蛋白部分的丝糖蛋白糖链与蛋白部分的丝/苏氨酸残基的苏氨酸残基的羟基相连，称为羟基相连，称为O-连接糖蛋白。连接糖蛋白。O-O-连接寡糖有连接寡糖有N-N-乙酰半乳糖与半乳糖构乙酰半乳糖与半乳糖构成核心二糖，核心二糖可重复延长及分支，再成核心二糖，核心二糖可重复延长及分支，再接上岩藻糖、接上岩藻糖、N-N-乙酰葡萄糖胺等单糖。乙酰葡萄糖胺等单糖。n定义定义nO-连接寡糖结构连接寡糖结构目录目录 O-连连接接寡寡糖糖在在N-乙乙酰酰半半乳乳糖糖基基转转移移酶酶的的作作用用下下，在在多多肽肽链链的的丝丝/苏苏氨氨酸酸的的羟羟基基上上连连接接上上N-乙乙酰酰半半乳乳基基，然然后后逐逐个个加加上上糖糖基基直直至至O-连接寡糖链的形成。连接寡糖链的形成。nO-连接寡糖合成连接寡糖合成目录目录五、蛋白质五、蛋白质-N-乙酰氨基葡萄糖基化是乙酰氨基葡萄糖基化是可逆的单糖基修饰可逆的单糖基修饰-N-乙乙酰酰氨氨基基葡葡萄萄糖糖(-N-acetylglucosamine，O-GlcNAc)糖糖基基化化修修饰饰，主主要要发发生生于于膜膜蛋蛋白白和和分泌蛋白。分泌蛋白。O-GlcNAc糖糖基基化化修修饰饰是是通通过过O-GlcNAc糖糖基基转转移移酶酶(O-GlcNAc transferase,OGT)作作用用，将将-N-乙乙酰酰氨氨基基葡葡萄萄糖糖以以共共价价键键方方式式结结合合于于蛋蛋白白质质的的Ser/Thr残基上残基上。目录目录O-GlcNAc糖糖基基化化蛋蛋白白质质的的解解离离需需要要特特异异性性的的-N-乙乙酰酰氨氨基基葡葡萄萄糖糖酶酶(O-GlcNAcase)作作用用，O-GlcNAc糖糖基基化化与与去去糖糖基基化化是是个个动动态态可逆的过程。可逆的过程。O-GlcNAc糖糖 基基 化化 位位 点点 常常 位位 于于 蛋蛋 白白 质质Ser/Thr磷磷酸酸化化位位点点处处或或其其邻邻近近部部位位。糖糖基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。目录目录六、六、糖蛋白分子中聚糖影响蛋白糖蛋白分子中聚糖影响蛋白质的半衰期、结构与功能质的半衰期、结构与功能 糖糖蛋蛋白白的的聚聚糖糖通通常常存存在在于于蛋蛋白白质质表表面面环环或或转转角角的的序序列列处处，并并突突出出于于蛋蛋白白质质的的表表面面。有有些些糖糖链链可可能能通通过过限限制制与与它它们们连连接接的的多多肽肽链链的的构构象象自自由由度度而而起起结结构构性性作作用用。O-O-连连接接型型聚聚糖糖常常成成簇簇地地分分布布在在蛋蛋白白质质高高度度糖糖基基化化的的区区段段上上，有有助助于于稳稳固固多多肽肽链链的的结结构构。一一般般来来说说，去去除除聚聚糖糖的的糖糖蛋蛋白白，容容易易受受蛋蛋白白酶酶水水解解，说说明明聚聚糖糖可可保保护护肽肽链链，延延长长半半寿寿期期。有有些些酶酶的的活活性性依依赖赖其其聚聚糖，脂蛋白脂肪酶糖，脂蛋白脂肪酶N-N-连接型聚糖的核心五糖为酶活性所必需。连接型聚糖的核心五糖为酶活性所必需。（一）（一）聚糖可聚糖可 稳固多肽链的结构及延长半衰期稳固多肽链的结构及延长半衰期目录目录（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 。目录目录（三）（三）聚糖可影响糖蛋白在细胞内的靶向运输聚糖可影响糖蛋白在细胞内的靶向运输糖蛋白的聚糖可影响糖蛋白在细胞内的靶向糖蛋白的聚糖可影响糖蛋白在细胞内的靶向运输的典型例子是溶酶体酶合成后向溶酶体的靶运输的典型例子是溶酶体酶合成后向溶酶体的靶向运输。向运输。溶酶体酶在内质网合成后，其聚糖末端的甘溶酶体酶在内质网合成后，其聚糖末端的甘露糖在高尔基体被磷酸化成露糖在高尔基体被磷酸化成甘露糖甘露糖-6-6-磷酸磷酸，然后，然后与溶酶体膜上的与溶酶体膜上的甘露糖甘露糖-6-6-磷酸磷酸受体识别、结合，受体识别、结合，定向转送至溶酶体内。若聚糖链末端甘露糖不被定向转送至溶酶体内。若聚糖链末端甘露糖不被磷酸化，那么溶酶体酶只能被分泌至血浆，而溶磷酸化，那么溶酶体酶只能被分泌至血浆，而溶酶体内几乎没有酶，可导致疾病产生酶体内几乎没有酶，可导致疾病产生。目录目录（四）聚糖（四）聚糖参与分子间的相互识别参与分子间的相互识别聚糖中单糖分子连接的多样性是聚糖中单糖分子连接的多样性是聚糖起到聚糖起到分分子识别作用的基础。子识别作用的基础。受体与配体识别和结合也需聚糖的参与。受体与配体识别和结合也需聚糖的参与。细胞表面糖复合物的聚糖还能介导细胞细胞表面糖复合物的聚糖还能介导细胞-细胞细胞的结合。的结合。目录目录蛋白聚糖蛋白聚糖分子中的糖胺聚分子中的糖胺聚糖糖第二节第二节目录目录蛋白聚糖蛋白聚糖是是一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白形成的蛋白形成的大分子糖复合物大分子糖复合物化合物。化合物。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、关节滑液、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。粘液、眼玻璃体等组织。目录目录蛋白聚糖的结构蛋白聚糖的结构组成组成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糖醛酸葡糖醛酸艾杜糖醛酸艾杜糖醛酸目录目录一、一、糖胺聚糖是含已糖醛酸和已糖胺糖胺聚糖是含已糖醛酸和已糖胺组成的重复二糖单位组成的重复二糖单位糖胺聚糖（糖胺聚糖（glycosaminoglycan,GAG）曾称为）曾称为粘多糖、氨基多糖和酸性多糖等。粘多糖、氨基多糖和酸性多糖等。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）：目录目录目录目录二、核心蛋白二、核心蛋白均含有结合糖胺聚糖均含有结合糖胺聚糖的结构域的结构域核心蛋白（核心蛋白（core protein）为与糖胺聚糖为与糖胺聚糖链共价结合的蛋白质。链共价结合的蛋白质。核心蛋白均含有相应的糖胺聚糖取代结构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域，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。胞表面或细胞外基质的大分子中。目录目录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按核心蛋白和糖链成分的差别，蛋白聚糖分类：按核心蛋白和糖链成分的差别，蛋白聚糖分类：目录目录透明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糖蛋白亚基糖蛋白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 蛋白聚糖聚合物蛋白聚糖聚合物目录目录三、核心蛋白逐一加上糖基而形成三、核心蛋白逐一加上糖基而形成蛋白聚糖蛋白聚糖在在内内质质网网上上合合成成核核心心蛋蛋白白多多肽肽链链，同同时时在在高高尔基体内进行糖链延长或加工。尔基体内进行糖链延长或加工。多多糖糖链链的的形形成成是是由由单单糖糖逐逐个个加加上上去去的的，糖糖醛醛酸酸由由UDPGA提提供供；单单糖糖要要由由UDP活活化化；硫硫酸酸由由PAPS提供；糖胺氨基来自于提供；糖胺氨基来自于Gln。目录目录四、蛋白聚糖是细胞间基质重要成分四、蛋白聚糖是细胞间基质重要成分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（肝素）抗凝血（肝素）参与细胞识别结合与分化（细胞表面的硫酸素）参与细胞识别结合与分化（细胞表面的硫酸素）维持软骨机械性能（硫酸软骨素）等维持软骨机械性能（硫酸软骨素）等 1.1.构成细胞外基质构成细胞外基质2.2.其它功能其它功能目录目录第第 三三 节节 糖糖 脂脂Glycolipid目录目录糖脂糖脂（glycolipid）是糖通过是糖通过半缩醛羟基半缩醛羟基以糖苷键与脂质以糖苷键与脂质连接的化合物。连接的化合物。鞘糖脂（鞘糖脂（sphingolipid）甘油糖脂甘油糖脂类固醇衍生糖脂。类固醇衍生糖脂。根据脂质部分不同，糖脂可分为：根据脂质部分不同，糖脂可分为：目录目录一、鞘糖脂是神经酰胺被糖基化的一、鞘糖脂是神经酰胺被糖基化的糖苷化合物糖苷化合物鞘糖脂是以鞘糖脂是以神经酰胺神经酰胺为母体的化合物。其分子中为母体的化合物。其分子中的神经酰胺的神经酰胺1-位羟基被糖基化。位羟基被糖基化。鞘糖脂分子中的单糖鞘糖脂分子中的单糖主要为：主要为：葡萄糖、半乳糖、葡萄糖、半乳糖、N-乙酰葡萄糖胺、乙酰葡萄糖胺、N-乙乙酰半乳糖胺、岩藻糖酰半乳糖胺、岩藻糖和唾液酸和唾液酸 目录目录（一一）脑脑苷苷脂脂(cerebroside)是是不不含含唾唾液液酸酸的的中中性性 鞘糖脂鞘糖脂（二二）硫硫苷苷脂脂(sulfatide)是是指指糖糖基基部部分分被被硫硫酸酸化化的的酸性鞘糖脂酸性鞘糖脂（三三）神神经经节节苷苷脂脂(ganglioside)是是含含唾唾液液酸酸的的酸酸性性鞘糖脂鞘糖脂根据分子中是否含有唾液酸或硫酸基成根据分子中是否含有唾液酸或硫酸基成分，鞘糖脂可分为：分，鞘糖脂可分为：中性鞘糖脂和酸性鞘糖脂中性鞘糖脂和酸性鞘糖脂 目录目录几种鞘糖脂的化学结构几种鞘糖脂的化学结构目录目录二、髓磷脂中含有甘油糖脂二、髓磷脂中含有甘油糖脂甘油糖脂（甘油糖脂（glyceroglycolipid）也称糖基甘油脂，）也称糖基甘油脂，由二酰甘油分子由二酰甘油分子3位上的羟基与糖基连接而成。位上的羟基与糖基连接而成。单半乳糖基二酰甘油单半乳糖基二酰甘油 二半乳糖基二酰甘油二半乳糖基二酰甘油目目 录录目录目录聚糖结构中蕴含大量生物信息聚糖结构中蕴含大量生物信息第四节第四节目录目录每每一一聚聚糖糖都都有有一一个个独独特特的的能能被被蛋蛋白白质质阅阅读读，并并与与蛋蛋白白质质相相结结合合的的三三维维空空间间构构象象，即即糖糖密密码码(sugar code)。n聚糖作为信息分子作用聚糖作为信息分子作用特特异异的的聚聚糖糖结结构构被被细细胞胞用用来来编编码码若若干干重重要要信信息息，诸诸如如糖糖蛋蛋白白的的胞胞内内定定向向转转运运、细细胞胞与与细细胞胞的的相相互互作作用用、组组织织与与器器官官发发育育以以及及细细胞胞外外信号转导等。信号转导等。目录目录一、一、聚糖组分是糖蛋白执行功能所必需聚糖组分是糖蛋白执行功能所必需各类多糖或聚糖的生物合成并没有类似核酸、蛋白质各类多糖或聚糖的生物合成并没有类似核酸、蛋白质合成所需模板的指导，而聚糖中的糖基序列或不同糖合成所需模板的指导，而聚糖中的糖基序列或不同糖苷键的形成，主要取决于糖基转移酶的特异性识别糖苷键的形成，主要取决于糖基转移酶的特异性识别糖底物和催化作用。依靠多种糖基转移酶特异性地、有底物和催化作用。依靠多种糖基转移酶特异性地、有序地将供体分子中糖基转运至接受体上，在不同位点序地将供体分子中糖基转运至接受体上，在不同位点以不同糖苷键的方式，形成有序的聚糖结构以不同糖苷键的方式，形成有序的聚糖结构。鉴于糖基转移酶（一类蛋白质）由基因编码，所以糖鉴于糖基转移酶（一类蛋白质）由基因编码，所以糖基转移酶继续了基因至蛋白质信息流，将信息传递至基转移酶继续了基因至蛋白质信息流，将信息传递至聚糖分子；另外，聚糖（如血型物质）作为某些蛋白聚糖分子；另外，聚糖（如血型物质）作为某些蛋白质组分与生物表型密切相关，体现生物信息。质组分与生物表型密切相关，体现生物信息。目录目录二、二、结构多样性的聚糖蕴含生物信息结构多样性的聚糖蕴含生物信息聚糖结构的多样性和复杂性很可能赋予其聚糖结构的多样性和复杂性很可能赋予其携带大量生物信息的能力携带大量生物信息的能力。（一）聚糖空间结构多样性是其携带信息的基础（一）聚糖空间结构多样性是其携带信息的基础（二）聚糖空间结构多样性受基因编码的糖基转移酶（二）聚糖空间结构多样性受基因编码的糖基转移酶和糖苷酶调控和糖苷酶调控目录目录思考题思考题1.简述糖蛋白的简述糖蛋白的N-连接寡糖链的结构及合成过程。连接寡糖链的结构及合成过程。2.简述蛋白质简述蛋白质O-GlcNAc糖基化修饰的糖基化位点、所糖基化修饰的糖基化位点、所需的酶以及基本过程。需的酶以及基本过程。3.常见的糖胺聚糖有哪几种常见的糖胺聚糖有哪几种?各有何结构特征各有何结构特征?4.简述说明糖蛋白寡糖链的主要功能简述说明糖蛋白寡糖链的主要功能。