第19章糖蛋白、蛋白聚糖和细胞外基质.ppt
第 十 九 章,糖蛋白、蛋白聚糖和细胞外基质,糖被通常含有两种主要的成份:糖蛋白和蛋白聚糖。这些糖蛋白和蛋白聚糖都是在细胞内合成的，然后分泌出来并附着到细胞质膜上。,第一节 糖蛋白 Glycoprotein,定义：一种或多种糖以共价键连接到蛋白质。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、溶酶体、细胞外液,糖蛋白是蛋白质和糖类的共价复合物。蛋白质肽链可在不同部位结合多个糖基或聚糖。含糖量可低至 2%，高至 50%。存在于各种组织和不同细胞中，特别在细胞表面膜上含量丰富。绝大多数血浆蛋白质也是糖蛋白。,生物体蛋白是糖蛋白或蛋白多糖，包括酶、激素、膜蛋白、血浆蛋白、结构蛋白、毒素等。生物界已发现 200 多种单糖，但只有11 种出现在糖蛋白或蛋白多糖中。,一、糖蛋白的结构,单糖的种类葡萄糖(Glu)半乳糖(Gal)甘露糖(Man)N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)岩藻糖(Fuc)N-乙酰葡萄糖胺(GlcNAc)N-乙酰神经氨酸(NeuAc),连接方式,N-连接：,O-连接：,（一）N-连接糖蛋白,1.定义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N-连接糖蛋白。,2.糖基化位点N-连接糖蛋白中Asn-X-Ser/Thr三个氨基酸残基的序列子称为糖基化位点。,3.N-连接寡糖结构（三型）,N-聚糖的结构,高甘露糖型：五糖核心以外的糖基全是 Man。复杂型(complex type)：天线连接 GlcNAc、Gal 和 SA(NeuAc)或 Fuc 组成。带 SA 为酸性糖链；缺 SA 或以 Fuc 取代 SA 为中性糖链。杂合型(hybrid type):一半分子类似复杂型，另一半分子则似高甘露糖型，故称为杂合型,4.N-聚糖的种属、组织和位点专一性,不同种属同一组织或同一种属不同组织中相同糖蛋白的 N-聚糖并不相同，即 N-聚糖结构具有种属和脏器专一性.如-谷氨酰转肽酶(GGT)，主要存在肾脏和小肠等组织，肝中的含量较少。,人和牛同属于高等哺乳动物，但肾脏GGT 的 N-聚糖结构相差甚远，区别有下列三方面：人肾 GGT 的N-聚糖全部为复杂型，而牛含 10%的高甘露糖型,人肾 GGT 含酸性聚糖仅 31%，均为C2,4C2 三天线;而牛 62%为酸性聚糖，除三天线外，尚有二天线和四天线。人肾 GGT 的天线外链中 60%以上的 GlcNAc 与 1，3Fuc 相连，且有 GalNAc 重复序列;而牛没有外 链Fuc 和重复序列.,研究表明，不论何种种属，肾 GGT 和肝脏GGT 即使其氨基酸序列完全相同，而N-聚糖的结构却有明显差别。导致以上 N-聚糖差别的原因主要是不同种属或不同组织中有关 N-聚糖合成和加工酶的活力不同。,N-聚糖的合成是一个共翻译过程，即在粗面内质网的核糖体上合成糖蛋白的肽链时，一旦形成 NXS/T 三联密码，即有可能开始糖化，随着肽链延伸进入内质网腔，N-聚糖可被位于网腔膜结构上的加工酶修剪加工至高甘露糖型，再进入高尔基体，继续被加工合成。,5.N-连接寡糖的合成,N-连接寡糖是在内质网上以长萜醇作为糖链载体，先合成含14糖基的寡糖链，然后转移至肽链的糖基化位点上，进一步在内质网和高尔基体进行加工而成。每步加工都由特异的糖基转移酶或糖苷酶催化完成，糖基必须活化为UDP或UDP的衍生物。,在长萜醇焦磷酸寡糖转移酶的催化下，这个十四糖聚糖被转移到新生肽链的三联序列子NXS/T上。此转移酶能识别十四糖中的还原端GlcNAc,以及非还原端的Glc。已转出聚糖的长萜醇焦磷酸再释放一个磷酸而恢复成长萜醇焦磷酸，完成长萜醇磷酸循环。,内则高尔基体,内则高尔基体,N-糖链的加工和成熟,糖蛋白的肽链上有较多的 N-糖基化位点，即 NXST 三联序列子，但并非所有序列子都可被 N-糖基化，说明 N-糖基化取决于很多因素 肽链的亲水区的 NXST 才能被 N-糖基化 NXST 中 X 残基影响 N-糖基化的效率 NXST 邻近的氨基酸残基可影响 N-糖基化 NXST 的局部立体结构也可影响 N-糖基化 十四糖本身的结构改变影响 N-糖基转移,6.影响 N-糖基化的因素,（二）O-连接糖蛋白,1.定义糖蛋白糖链与蛋白部分的丝/苏氨酸残基的羟基相连，称为O-连接糖蛋白。,2.O-连接寡糖结构O-连接寡糖有N-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，再接上岩藻糖、N-乙酰葡萄糖胺等单糖。,单糖基和双糖基 最简单的 O-GalNAc 只有一个 GalNAc,存在于为数不多的粘蛋白及分泌性糖蛋白中，如颔下腺粘蛋白、胃粘蛋白和 lgA 等,两个糖基组成的 O-GalNAc 聚糖有 4 种：SA2,6 GalNAc1Ser/Thr;Gal1,3 GalNAc1 Ser/Thr;GlcNAc1,3 GalNAc1 Ser/Thr;GalNAc1,3 GalNAc1 Ser/Thr,多糖基 两个以上糖基的O-GalLAc聚糖，其结构可分为核心，骨架（back-bone）和非还原性末端a.核心 与 N-聚糖的五糖核心不同，O-GalNAc 的核心至少有 8种，主要由内侧的 GalNAc 和外侧的 Gal 或/和 GalNAc 以不同的连接方式而组成，也可由两个 GalNAc 组成。,b.骨架,基本上由 核心外侧的延长部分。O-GalLAc聚糖的骨架和N-聚糖的外链相似，基本上由 连接的 Gal-GalLAc 二糖单位组成.,血型抗原的表达常是互相拮抗，即在一条糖链的末端不会同时表达两种血型抗原 末端增加一个糖基可使一种血型抗原变另一种血型抗原 O-GalNAc 聚糖可能也存在种属、组织、蛋白质和位专一性，但报道较少,3.O-连接寡糖合成,O-连接寡糖在N-乙酰半乳糖基转移酶的作用下，在多肽链的丝/苏氨酸的羟基上连接上N-乙酰半乳基，然后逐个加上糖基直至O-连接寡糖链的形成。,肽链上的很多 Ser 和 Thr 位点并非每个都能 O-GalNAc 糖基化。只有当 Ser/Thr 附近含有Pro 或另外的 Ser 或 Thr 时才易于 O-GalNAc 糖化。,O-GalNAc 糖化的位点选择性,O-GalNAc 聚糖的合成过程,核心合成：O-GalNAc 转移酶能识别肽链 Pro 附近的 Ser/Thr 糖基化部位，从而合成各类核心。延伸：O-GalNAc 糖链的延伸是在核心的基础上再逐个添加糖基。,O-GalNAc 聚糖核心和双糖基糖链的合成,A,B,O 血型抗原的合成,4.聚糖的降解,糖蛋白降解在溶酶体中进行，定位于细胞外表面或其他亚细胞组分的糖蛋白必须转运到溶酶体中，在一系列蛋白水解酶和糖苷酶的联合作用下才能彻底降解,N-聚糖：未覆盖糖的肽链的水解,核心 Fuc的水解,靠近肽连的两个GlcNAc 1,4键，糖-肽连接的水解。,O-聚糖：具聚糖的密集度决定水解先 后，先水解末端SA，再 水解非还原末端，再水解肽。,二、糖蛋白中聚糖的功能,通过糖链合成或加工抑制剂、糖化位点突变和糖基转移酶的反义(antisense）技术或基因转染（transfection）和剔除（knock out）等的应用,证明糖蛋白的聚糖不但能影响糖蛋白肽链的折叠、聚合、溶解和降解，还参与糖蛋白的分拣（sorting）和投送（transfiching）等细胞过程。,例 1.疱疹口炎病毒（VSV）的 G 蛋白经基因突变去除糖化位点后，不能形成正确的链内二硫键而错配成链间二硫键。,1.聚糖对糖蛋白空间结构的影响,糖蛋白肽链的正确折叠和亚基聚合都与 N-糖化有密切关系。,例2.整联蛋白家族是和亚基组成的杂二聚体，其中51 是纤连蛋白（Fn）主要受体；用5 或1的单抗均可将51以二聚体形式沉淀下来，如用内切糖苷酶去除亚基的聚糖，则两种单抗只各沉淀5 或1单体。,2.聚糖对蛋白质部分的屏蔽作用,聚糖覆盖于糖蛋白的表面，一个单糖可覆盖 0.6nm 长度的表面积，对防止糖蛋白受蛋白酶水解具有重要意义。例:运铁蛋白（TF）受体在 251、317 和 727 位的 Asn上有三条 N-聚糖，当 251 位 Asn 突变而去糖基化后，受体不能形成正常的二聚体，而且在组胞内迅速被蛋白酶水解。,3.对糖蛋白分拣、投送和分泌的作用,如 N-聚糖中的甘露糖-6-磷酸结构是糖蛋白分拣到溶酶体中的标志，用衣霉素处理细胞阻止 N-糖化，可使很多定位于细胞膜上的糖蛋白减少。,4.聚糖和活性糖蛋白的生物活性,大多数糖蛋白酶类去除聚糖后不影响酶活力，但部分酶去糖化后丧失或降低酶活力；聚糖对激素的亲和力也有影响。,例1:衣霉素处理细胞或细菌后表达的溶酶体葡萄糖苷酶只有免疫原性而没有酶活力。例2：带硫酸的LH与受体亲和力高于带SA 的LH，但生物半寿期缩短，在血中清除加快。,受体配体互相识别凝集素对单糖和聚糖的识别(亲和层析)病原体对细胞膜上糖基的识别和侵袭精卵识别，细胞粘附。,5.聚糖与分子识别和细胞识别,定义一条或多条糖胺聚糖以共价键与核心蛋白形成的化合物。,特点糖占比例大，约一半以上，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。,第二节 蛋白聚糖Proteoglycan,1.核心蛋白2.糖胺聚糖,蛋白聚糖组成,蛋白聚糖的结构,一、重要的糖胺聚糖,糖胺聚糖由二糖单位重复连接而成，不分支。,硫酸软骨素类硫酸皮肤素硫酸角质素透明质酸肝素硫酸类肝素,体内重要的糖胺聚糖（6种）：,透明质酸是糖胺聚糖中结构最简单的一种，它的结构中含有重复的二糖结构单位如下：,透明质酸(hyaluronic acid,HA),功能,在高等动物组织中发现的粘多糖唯有透明质酸同时存在于某些细菌中，如A型链球菌。其主要功能是在组织中吸着水，具有润滑剂的作用。它广泛分布于哺乳动物体内，特别是滑液、玻璃样体液中，也存在于关节液、疏松结缔组织、脐带、皮肤、动脉管壁心脏瓣膜、角膜以及雄鸡冠中。,分为软骨素-4-硫酸与软骨素-6-硫酸两类。两者间，除硫酸基位置不同，红外光谱差别较明显外，其他许多物理、化学性质都较接近。硫酸软骨素也含有重复的二糖单位。,软骨素4-或6-硫酸(chondroitin 4-or 6-sulfate),硫酸皮肤素最初是从猪皮中分离出来，后发现它存在于许多动物组织，如胃粘膜、脐带、肌腱、脾、脑、心瓣膜、巩膜、肠粘膜、关节囊、纤维性软骨等中。它的结构与性质都与硫酸软骨素的相似。,硫酸皮肤素(dermatan sulfate),首先从角膜的蛋白水解液中分离出来，主要存在于人的主动脉和人、牛的髓核中。婴儿几乎不合硫酸角质索，随着年龄的增大逐渐增加，直到2030岁时，它的含量约占肋软骨中粘多糖总量的50%。,硫酸角质素(keratan suIfate),肝中肝素含量最为丰富，因此得名。实际上，它广泛分布于哺乳动物组织和体液中。胃粘膜中含量十分丰富，肺、脾、肌肉和动脉壁肥大细胞中肝素含量也很高。肝索的二糖结构单位如下。除二糖重复单位外还含有糖醛酸分子。肝素的生物意义在于它具有阻止血液凝固的特性。目前输血时，广泛以肝素为抗凝剂，临床上也常用于防止血栓形成。,肝素(heparin),二、核心蛋白,定义与糖胺聚糖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。,2.蛋白聚糖聚合物,三、蛋白聚糖的生物合成,在内质网上合成核心蛋白多肽链，同时在高尔基体内进行糖链延长或加工。,多糖链的形成是由单糖逐个加上去的，糖醛酸由UDPGA提供；单糖要由UDP活化；硫酸由PAPS提供；糖胺氨基来自于Gln。,四、蛋白聚糖的功能,1.构成细胞外基质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。这与细胞的粘附、迁移、增殖和分化等有关。,2.其它功能抗凝血（肝素）参与细胞识别与分化（细胞表面的硫酸素）维持软骨机械性能（硫酸软骨素）等,第 三 节 细胞外基质Extracellular Matrix,ECM,定义细胞外由纤维状胶原、透明质酸、蛋白聚糖和糖蛋白以不同比例组成的细胞间质。,分布各组织细胞和细胞之间的胞间隙或胞间膜。,主要成分胶原(collagen)纤连蛋白(fibronectin,Fn)层粘蛋白(laminin,Ln),概 述,细胞外基质的主要功能,1.对细胞的形态和细胞活性的维持其重要作用；2.帮助某些细胞完成特有的功能；3.同一些生长因子和激素结合进行信号传导；4.此外，某些特殊的细胞外基质也是细胞分化所必需的。胚胎发育的最后阶段-形态建成(morphogenesis)也需要某些细胞外基质的成份。,一、胶 原,1.定义由结缔组织细胞成纤维细胞所分泌的结缔组织胶原蛋白和某些上皮细胞分泌的某些类型的胶原蛋白。,2.分布骨、皮肤、血管壁、肌腱、韧带、肌肉、软骨、角膜等。,3.功能起着支架、维持组织构型、机体运动等多项作用。,4.胶原的结构特点,胶原蛋白由3条肽链以右手螺旋形成棒状结构。,富含甘氨酸（占1/3）和脯氨酸（占1/4），特含有羟赖氨酸和羟脯氨酸，缺色氨酸和半胱氨酸，甚少酪氨酸。,5.胶原蛋白病,病因：转录、翻译过程缺陷;翻译后各种修饰酶缺陷,(1)爱当综合征（Ehlers-Danlos EDS)临床表现：皮肤及关节过度伸展，组织易于损伤，创伤不易愈合病因：胶原氨基端延长或没有切去前肽，使胶原结构改变,（2）蜘蛛指（趾)综合征,（3）成骨不全（OI),临床表现:一种全身性结缔组织病，眼部、心血管系统、骨骼系统病因：15q21.1原纤蛋白基因（FBN）突变所致,由于型胶原C端延长，患者四肢细长.,临床表现：骨质疏松、骨脆、易骨折，蓝色巩膜，耳聋病因17号或7号染色体上基因，使型胶原合成降低，或产生无功能的胶原,二、纤连蛋白(Fn),1.定义广泛存在于细胞外基质、基底膜和各种体液中的一种多功能糖蛋白。多为二聚体形式，也有以多聚体形式存在。,2.分布各种体液（血浆、组织间液、淋巴液、关节腔滑液、羊水）、细胞外基质和细胞中。,3.功能参与许多生理活动，例如：细胞的形态、增殖、分化及个体发育、生殖、信息传递、凝血、组织修复等。,4.结构由分子量为25万的单体组成的二聚体。它的一级结构由3种不同类型的内在序列同源结构重复出现而构成。,1.定义由三条多肽链组成的多结构域构成的糖蛋白，即型胶原基质。,2.分布在所有组织的基膜上。,三、层粘连蛋白(Ln),3.Ln 的功能,Ln 介导上皮细胞及内皮细胞粘着于基膜，从而影响细胞的生长、分化和运动Ln 可能与某些疾病，如糖尿病、肾病、类风湿性关节炎、感染等有关，也和抗感染有关，尤其对于肿瘤细胞的浸润、转移可能有重要作用Ln 的聚糖参与细胞的粘附和铺展，与凝集素样受体结合，鸡神经干细胞的移动等细胞事件,4.结构,由三条多肽链（1条A链和2条B链）通过二硫键构成，3条链排列成十字架形。,原生殖细胞（绿色）沿着肠系膜背侧移动然后发育成性腺。红色是 Ln,
