生物化学糖复合物.ppt

第十八章 糖复合物(Glycoconjugates 与细胞外基质 and Extracellular Matrix),本章教学要求,聚糖的基本结构单糖的结构及连接方式糖蛋白的种类、结构和主要功能蛋白聚糖的分子组成、种类及主要功能糖脂的结构及主要功能,Reverse transcription,中心法则(Central Dogma),Replication,DNA RNA 蛋白质 细胞 生物,DNA RNA 蛋白质 酶 糖 细胞-糖复合物 生物体 脂类,DNA RNA 蛋白质 细胞 生物,几个有关名词聚糖 任何游离的或与另一类分子结合 的糖或糖类组合的通称糖复合物 由单糖、寡糖或多糖与蛋白质或 脂类结合而成。包括糖蛋白、糖脂和 蛋白聚糖凝集素 糖识别蛋白，聚糖一般必需与 蛋白质受体相互作用而发挥其功能。,一、什么是糖复合物(glycoconjugates)糖以共价键与蛋白质或脂类结合，形成糖复合物(糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂),糖复合物主要有三种类型糖蛋白、糖脂和 蛋白聚糖与脂类相连；与蛋白质相连，这又分为：N-连接型：聚糖通过N原子与蛋白质或脂类连接 O-连接型：聚糖通过O原子与蛋白质或脂类连接糖复合物功能多样,二、什么是糖生物学（glycobiology）研究与蛋白质或脂类连接的糖（糖链）的分子结构、合成及生物功能的新兴学科核酸和蛋白质研究成就,极大推动了糖生物学发展。,第一节 糖复合物的结构与功能,单糖 是 聚糖 的 基本结构单位,第一节 单糖（2-30）-聚糖的结构,糖是多羟醛或多羟酮，碳水化合物,单糖:是一种不能再被水解,单糖:是一种不能再被水解,一、聚糖分子中单糖的种类及结构,单糖结构(*单糖的英文缩写及代表符号在括号标明),-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、聚糖中单糖间连接方式-O-糖苷键 催化糖苷键生成的酶：特异的糖基转移酶,-糖苷键,-糖苷键,糖苷键形成：需要能量，由特异的酶催化。酶-糖基转移酶催化,生物大分子 核酸 蛋白质 聚糖 结构单位 核苷酸 氨基酸 单糖 连接键 3,5-磷酸二酯键 肽键 糖苷键 游离末端 5磷酸，3羟基 氨基端，羧基端 非还原端，还原端 多聚体方向 53 NC 还原端非还原端 寡聚体数*6 6 1056(n=3),2.三种生物大分子结构特点,（*由3个不同的氨基酸、核苷酸和已糖分别通过肽键、磷酸二酯键所组成的寡聚体数目）,（三）聚糖的一级结构及空间结构*聚糖的一级结构 指单糖的排列顺序及糖苷键的性质。*聚糖的二级结构 涉及糖环构象、糖苷键旋转角度及 各原子间相互作用等。,二 糖蛋白的结构与功能,定义 糖蛋白由糖与蛋白质通过共价键连接形成。特点 蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表 现为蛋白质的特性。分布 细胞膜、细胞浆、溶酶体及细胞外液 糖基化:蛋白质加工修饰步骤,异常可致多种疾病,一、糖蛋白的分类与结构,糖蛋白分子中聚糖（糖链）与蛋白质的连接形式有：N连接糖链O连接糖链GPI（糖磷脂酰肌醇）连接糖链据此将糖蛋白分为：N连接糖蛋白O连接糖蛋白GPI连接糖蛋白,一、糖蛋白的分类与结构,N-连接：,O-连接：,GPI-连接：,GlcNAc 天冬酰胺,GalNAc 丝氨酸,连接方式,（一）N-连接糖蛋白 定义 糖链N-乙酰葡糖胺与多肽链的天冬酰胺的酰胺氮连接，形成N-糖苷键，此种糖链为N-连接糖链。连接点的结构 GlcNAc-N-Asn 糖基化位点 N-连接聚糖中Asn-X-SerThr三个氨基酸残基序列子(其中X是除脯氨酸外的任一氨基酸)。,（一）N-连接糖蛋白,N-连接糖蛋白的糖基化位点（序列子）AsnXSer/Thr,连接点的结构GlcNAc-N-Asn,2.N连接糖链的三种亚型,核心结构,高甘露糖型,杂合型,复杂型,都有一个五糖核心结构,.,3.N-连接糖链的合成,细胞内场所-粗面内质网和高尔基体。糖链的载体-长帖醇催化糖链生成的酶（各种）糖基转移酶糖基供体UDP/GDP-糖基衍生物糖链的合成与肽链的合成同时进行,长帖醇和磷酸长帖醇的结构,IgG分子铰链区聚糖的空间结构,（二）O-连接糖蛋白 定义 糖链的N-乙酰半乳糖胺与多肽链丝氨酸或苏氨酸羟基连接，形成O-糖苷键。连接点的结构 GalNAc-O-SerThr,（二）O-连接糖蛋白,1.O-连接糖蛋白的合成,细胞内场所-粗面内质网和高尔基体。不需糖链载体催化糖链生成的酶（各种）糖基转移酶糖基供体UDP/GDP-糖基衍生物糖链的合成在肽链合成后进行,多数糖蛋白是膜结合蛋白，故O-连接多肽和其他糖蛋白由m-RNA编码。O-糖苷型寡糖链糖基由核苷酸糖提供，糖基转移酶催化每一特异糖苷键合成均需相应特异糖基转移酶的作用催化糖链内部糖基的酶位于内质网，。,两类糖蛋白,黏蛋白(mucins)蛋白多糖（proteoglycans)均含有大量的O-连接聚糖，这两类蛋白质的高度糖基化，赋予其特殊的物理性质,和其功能密切相关,黏蛋白的特性（以人黏蛋白为例）：1 分子量巨大 多肽链含1万个氨基酸残基，8个编码基因，有成串的重复序列，其中含Ser及Thr。可以是膜结合或分泌型的分子形成以二硫键连接的寡聚体2 高度粘稠-多种润滑功能所必需3 通过二硫键可形成分支结构，水化后形成胶状4 抗菌性能-黏蛋白及末端结构对细菌有特异的亲和力5 膜型细胞表面黏蛋白还具有调节细胞间黏附作用,IgA分子的O-连接糖链有6种,(三)GPI-连接（锚定）糖蛋白 定义 糖磷脂酰肌醇(GPI)与多肽链连接,此类蛋白质称为GPI-连接糖蛋白,细胞膜的膜蛋白是含有特定寡糖的糖蛋白，其寡糖带有识别信号，决定着细胞间相互作用时的行为，例如对肿瘤学、免疫学的研究具有重大意义。,二、糖蛋白的功能（一）糖链对糖蛋白理化性质、空间结构和 生物活性的影响 对糖蛋白新生肽链影响:参与新生肽链 折叠并维持蛋白质正确的空间构象;影响亚基聚合,（二）糖蛋白在分子识别和黏附中的作用 1.糖蛋白在细胞-细胞分子识别和黏附 中的作用 2.糖蛋白在细胞-细胞外基质分子识别和 黏附中的作用,4.微生物感染早期，致病微生物的凝集素样物质-黏 附素（adhesin）对识别宿主细胞表面糖结构（配体）,5.免疫球蛋白糖基化与自身免疫病,6.糖类药物和疫苗,糖蛋白糖链的功能 3.糖链与酶类的催化活性有关,1.糖蛋白在细胞间分子识别和黏附中的作用,白细胞与内皮细胞的分子识别,三、糖蛋白在医学中的应用,去除小鼠卵细胞透明带中ZP3糖蛋白的糖链，精卵结合受抑制。,许多疾病的发生与糖蛋白糖链的合成和降解，及结构和功能的异常密切相关。如糖蛋白糖链的降解：,内切糖苷酶F（天冬酰胺-N-乙酰葡糖胺糖苷酶）内切糖苷酶H（-N-乙酰葡糖胺糖苷酶）唾液酸酶-半乳糖苷酶-N-乙酰氨基己糖糖苷酶、-甘露糖苷酶-甘露糖苷酶,R,R,R,O,A,B,ABO血型的糖抗原结构,1,3,1,3,1,2,1,2,1,3,1,3,1,3,1,3,1,3,1,2,1,3,糖识别结构域（CRD）,Lewis抗原,选择素的结构,Lewis 抗原结构,*整合蛋白 定义 是由和两个亚基构成的异二聚 体糖蛋白,和亚基的分子量为 90-180KD。分布 各种细胞膜 功能 是细胞内外双向交流的桥梁，通过其 所介导的多种信号转导途径引起细胞 的多种生物学功能改变。,整合蛋白（integrin)整合蛋白是由和两个亚基构成的异二聚 体糖蛋白,和亚基的分子量为90-180KD。分布:各种细胞膜功能;:细胞内外双向交流的桥梁，通过其所介导的多种信号转导途径引起细胞的多种生物学功能改变。,整合蛋白的分子结构示意图,三 蛋白聚糖(proteoglycan),定义 由糖胺聚糖和核心蛋白通过共价键连接所形成的糖复合物。特点 高度O-糖基化的蛋白质糖占比例大，占85%以上。具有多糖性质。分布 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。使细胞外基质具有极高的强度；具有特殊的 重复性双糖序列,细胞表面的蛋白多糖可与 生长因子相互作用,一、蛋白聚糖的结构,核心蛋白,糖胺聚糖,糖胺,糖醛酸,葡萄糖胺半乳糖胺,葡萄糖醛酸艾杜糖醛酸,组成,1.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。6种重要糖胺聚糖：,透明质酸硫酸软骨素硫酸皮肤素硫酸角质素肝素硫酸类肝素,D-GlcUA D-GlcNAc 透明质酸,L-IdoUA（硫酸化）D-GlcN（硫酸化）肝素,2.核心蛋白 定义 与糖胺聚糖共价结合的多肽链。结构 蛋白聚糖通过核心蛋白的特殊结构域，锚定在细胞表面或细胞外基质的大分子中。,（3)糖胺聚糖和核心蛋白的连接,软骨可聚蛋白聚糖的结构,蛋白聚糖的功能1.作为细胞外基质的结构组分2.作为各种组织的赋型剂与充盈剂3.与离子结合，吸引大量的水分及电解质4.赋予负重软骨以可压缩性（透明质酸与硫酸软骨素）5.赋予角膜以透明性（硫酸胶质素与硫酸皮肤素）6.抗凝血（肝素）7.作为细胞膜成分、参与细胞粘着、细胞识别以及受体起作用,第四节 糖脂,糖类以糖苷键与脂类连接形成的糖复合物。分类：鞘糖脂、甘油糖脂、胆固醇衍生的糖脂、GPI,一、鞘糖脂的分类与结构组成 由糖和神经酰胺构成分类 中性鞘糖脂：含葡萄糖和半乳糖，GalNAc,GlcNAc和 岩藻糖等中性糖 酸性鞘糖脂：含唾液酸或硫酸化的单糖,GM1,2,3 1,4 1-1Cer,GM2,GM3,神经节苷脂的结构简图,2,3 1,4 1-1Cer 1,4,2,3 1,4 1-1Cer,2,82,3 1,4 1-1Cer,GD2,2,82,3 1,4 1-1Cer,1,4,1,3,GD3,二、糖脂的功能 1.细胞膜的结构组份 2.参与细胞的识别、分化及信号转导等,第二节 细胞外基质（ECM）构成 细胞外基质由胶原蛋白、纤连蛋白、层连蛋白等糖蛋白，及蛋白聚糖和透明质酸等多种组分构成。分布 各种组织的细胞间隙中。,2.糖蛋白在细胞-细胞外基质分子识别和黏附中的作用纤连蛋白（fibronectin，FN）多功能糖蛋白。由两个相似的亚基组成的二聚体。分布在细胞外基质、基底膜和各种体液。功能：参与许多生理活动，如：细胞形态、增殖、分化及个体发育、生殖、信息传递、凝血、组织修复等。,纤连蛋白（fibronectin，FN）,结构 由两个相似的亚基组成二聚体，以羧基末端的两个二硫键连成“V”形结构，有7个球状的结构域。,纤连蛋白的结构域示意图,肝素A纤维蛋白A,胶原蛋白,DNA,细胞 A,肝素B,细胞B,纤维蛋白B,Reference:Minireview on Adhesive Recognition Sequences on Vol.266,No.20,Issue of July 15,pp.12809-12812,1991THE JOURNAL OF BIOLOGICAL CHEMISTRY,RGD,*胶原蛋白（Collagen),定义 简称胶原，为纤维状蛋白质，构成组织框架。分布 体内含量最多的蛋白质，约占人体蛋白总量的2530%。功能 增强组织的强度和韧性,纤连蛋白的结构域示意图,*层连蛋白（Ln）定义 由三条多肽链组成的多结构域构成的 糖蛋白。分布 主要存在于基底膜中。功能 主要介导上皮细胞及内皮细胞糖粘 附，而影响细胞的生长、分化和运动。Ln可能与某些疾病（糖尿病、类风 湿性关节炎等）和肿瘤细胞的浸润、转 移有重要关系。,结构 由3个不同的亚基（,）通过二硫 键连接形成长约70nm的十字型结构。,细胞膜的膜蛋白是含有特定寡糖的糖蛋白，其寡糖带有识别信号，决定着细胞间相互作用时的行为，例如对肿瘤学、免疫学的研究具有重大意义。,聚糖的分离及分析基本过程(以糖蛋白为例）1糖蛋白的分离纯化 2糖链的释放及获得寡糖片段 3糖链及寡糖片段的分离纯化 4聚糖一级结构的测定,某些研究糖蛋白的重要方法 方 法 观 察 内 容 和 应 用 Periodic acid-Schiff试剂 电泳分离后糖蛋白条带染深粉红色放射活性糖与细胞共培养测 电泳分离后的糖蛋白的放射性条带Sepharose-lectin柱层析 纯化与特殊slectin连接的糖蛋糖肽酸水解后的组成分析 鉴定糖蛋白含有的糖基及其含量质谱分析 可提供分子组成，多糖的糖基排列顺 序以及糖链的分枝等信息 NMR谱分析确 确定特异糖基及其排列顺序和糖苷键(核磁共振)接键的位置及异头性 甲基化分析 确定糖基的连接键 氨基酸或DNA序列分析 测定蛋白质的氨基酸排列,凝集素及其应用,凝集素 一类通过分子中的糖识别结构域，专一识别和结合特定糖基和糖链结构(使细胞凝集或糖复合物沉淀)的糖蛋白。凝集素至少含两个糖基结合位点，蛋白质如只含一个糖基 结合位点则不能使细胞凝集或沉淀糖复合物。三种常用的植物凝集素及其糖基特异性 凝集素 简 称 特 异 性 结 合 的 糖 基 Concanavalin A Con A Man 与 Glco Soybean lectinSB SBA Gal 与 GalNAc Wheat germ agglutinin WGA GlcNAc 与 NeuAc,凝集素检测糖链结构在恶性肿瘤研究和诊断中的应用,（1）N-糖链结构测定和恶性肿瘤诊断原发性肝癌：诊断指标为甲胎蛋白AFP和肝型碱性磷酸酶L-ALP都是糖蛋白。AFP和L-ALP蛋白一级结构在胎儿和正常肝无区别，而其糖链部分确明显不同，可用凝集素来分辨。肾细胞癌 其GGT的糖链变化，有和ConA的结合增强等变化。滋养层细胞恶性肿瘤（2）O-GalNAc糖链结构测定和恶性肿瘤的诊断,功 能 有 关 糖 蛋 白 结构分子 胶原 润滑及保护剂 粘蛋白 运输分子 运铁蛋白，铜蓝蛋白 免疫分子 免疫球蛋白，组织相容抗原 激素 绒毛膜促性腺激素，促甲状腺激素 酶 各种酶，如碱性磷酸酶 细胞接触及 参与细胞-细胞（精子与卵细胞）识别位点 病毒-细胞以及 激素-细胞相互作用的各种蛋白质 抗冻剂 冷水鱼的某些血浆蛋白 与糖相互反应 某些凝集素,L-Selectin(Selectin,Se凝集素)为归巢受体使血液中的淋巴细胞分流回到淋巴系统中,在淋巴节上的配体为SLex/Lea E-Selectin 存在于内皮细胞表面,使白细胞滚动有助于白细胞与内皮细胞表面受体结合,向炎症部位集中.其配体亦为SLex/Lea。P-Selectin 存在于血小板表面,使白细胞滚动,有助于白细胞与血小板表面的有关受体结合成簇,及白细胞与内皮细胞粘着.配体为SLex/Lea。,寡糖链与病原体感染,病毒 流感病毒通过对细胞膜上复合糖分子的末端SA识别和结合而感染机体：不同型的病毒识别不同的抗原A病毒识别5-乙酰神经氨酸(Neu5Ac);B病毒识别5-羟神经氨酸(Neu5Gc),C病毒识别Neu5,0Ac2 流感病毒有SA酶,可特异水解其相应受体的SA,有利于病毒从细胞上脱落,而受体的破坏使同一型病毒的入侵受阻,但不能阻止另一型病毒的侵袭,这可能是人们易反复患流感的原因之一。,寡糖链与病原体感染,细菌 细菌通过与宿主细胞的识别和粘附而致感染.如肺炎球菌主要识别肺和脑细胞表面的GlcNAc;嗜腐球菌主要识别泌尿道细胞表面的GlcNAc和GalNAc,这说明其组织特异性.这些单糖或含此单糖的寡糖在体外能抑制上述细菌对组织的粘着。,寡糖链与病原体感染,寄生虫 疟原虫裂殖子表面富含能育RBC表面跨膜的血型糖蛋白(Glycophorin A)结合的组分,而血型糖蛋白A在RBC表面成簇分布,有利于裂殖子的识别、结合与侵入.此结合主要是与膜外糖链的SA起主要作用,如血型糖蛋白A去糖或去SA则均阻止疟原虫裂殖子与它的结合。,糖链与精卵识别,糖链和胚胎着床,Lewis 抗原结构,糖链和肿瘤（癌瘤细胞中常见糖链结构的变化）,肿瘤细胞中，最初发现它们对植物凝集素（如ConA及WGA）结合的增强。其后发现在体外的转化细胞中普遍伴有代谢标记糖肽分子增大。在70年代晚期借助单克隆抗体技术的特点，研究者们在寻求抗肿瘤的“魔弹”中，发现了许多“肿瘤-特异性”抗体是针对糖抗原决定簇（carbohydrate epitopes）的，特别是针对那些由神经鞘糖脂携带的糖抗原决定簇。在大多数情况下，进一步研究表明这些糖抗原决定簇是“癌-胚抗原”（onco-fetal antigens），即它们也在胚胎组织、肿瘤细胞及少数某些类型的正常成人细胞表达。某些糖基化改变的类型与带瘤动物及病人的实际预后有相关意义，这使得人们对这些变化更加重视。有的体外细胞试验进一步说明了这些变化的确对一些肿瘤细胞的行为至关重要。,某些结构的缺损或过度表达；持续表达不完全的或截短的结构；前体的堆积；较少出现新的结构。在正常生物合成途径中改变糖基化过程中早期的分支点可明显影响（降低）一种类型结构相对量，从而使得另一种结构成为主要成分。这并不是由简单的随机的肿瘤细胞中的生物学紊乱所造成。已有的更多证据说明只有在生物合成途径中有限的部分常和细胞的恶性转化及肿瘤的发展有关,恶性肿瘤中糖蛋白 N-糖链改变的类型,类 型 举 例天线数增加 人肝癌GGT和Tf，消化道癌AFP，恶性 葡萄胎或绒毛膜上皮癌的hCGN-乙酰氨基乳糖重复 人肝癌GGT顺序出现或增加c-Fuc增多 人肝癌Tf，人癌性AFP，绒毛膜上皮癌 的hCG出现偏二天线 人肝癌Tf，绒毛膜上皮癌的hCGbis-GlcNAc增加 AH66肝癌GGT，人癌性或卵黄囊性AFP外端Fuc增加 人肝癌Tf 末端NeuAc变化 AH66肝癌（增多），绒毛膜上皮癌的 hCG（减少）NeuAc连接键改变 人肝癌Tf和AFP高甘露糖型出现或增加 人肝癌和大鼠AH66肝癌GGT,在肿瘤中上皮细胞的正常拓扑学与极化排列的丧失造成粘蛋白分泌入血流。侵入组织以及血流的肿瘤细胞表面也有这种粘蛋白呈现。,人的聚糖代谢紊乱,代谢紊乱 缺 陷 降解受影响的 临床症状 糖蛋白 糖脂I及II型甘露糖-甘露糖酶 较多 无 I型：幼儿发病，进行性精神 堆积症 迟钝，肝肿大，在3-12岁死亡 II型：儿童/成人发展缓慢甘露糖堆积症-甘露糖酶 较多 无 严重的四肢麻痹，重症15个月 内死亡，轻症精神迟钝，血管 角质瘤，颜面畸形Aspartylglucos-Aspartyl-gluco-Aminuria saminidase 较多 无 进行性的颜面粗糙，精神迟钝唾液酸堆积症 唾液酸酶 较多 较多 进行性、严重的粘多糖堆积症粘多糖堆积症I 样表现，精神迟钝I及IISchndler症-N-Acetyl-Galac-tosaminidase 是？I型：婴儿发病，神经轴退化，严重的精神性运动及精神迟钝，皮质盲，神经坏死 II型：轻型智力损伤，弥漫性血 管角质瘤Galatosidosis 半乳糖苷酶 较多 较多 颜面粗糙，骨骼发育不良，早 年死亡Fucosidosis-岩藻糖酶 较多 见到 有精神性运动迟钝、颜面粗糙 生长滞后等各种严重的病征GM1-半乳糖酶 见到 较多 进行性神经系统疾病及严重的Gangliosidosis 幼儿型骨骼发育不良GM2-己糖胺酶 见到 较多 重型：神经退化大约在4年内死亡Gangliosidosis 较重：症状出现缓慢且有各种不同 均与神经系统不同部位有关,