糖復合物的結構和功能第一講

關于糖復合物的結構和功能第一講糖復合物研究進程50-60年代，復合物中糖鏈的化學組成70年代，復合物中糖鏈的生物功能目前，糖類不僅作為能量物糖組分的功能質和結構組分，而且擔負著重要的生物功能糖復合物中糖基或糖鏈生物功能的迅速發(fā)展，形成“糖生物學”的新興學科。第2頁,共64頁，2024年2月25日，星期天WhyCellSurfaceGlycansAreUniversaltoLivingCellsprotective,stabilizing,organizational,andbarrierfunctions;靜止移動阿利新藍（正電荷）與酸性糖反應（負電荷）(GAGsSAHA)AjitVarki第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖生物學中心法則蛋白質、DNA合成有模板2.糖鏈合成無模板糖基供體、糖基受體和糖基轉移酶三者協(xié)同組裝而成糖基轉移酶糖苷鍵糖基受體糖基供體

糖生物學中心法則：一個基因→一種糖基轉移酶→一種糖苷鍵---一種糖鏈第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖基轉移酶（GTase）--裝配線“工人”糖鏈合成的中心環(huán)節(jié)是GTase。

一條糖鏈→一組GTase→一個基因組不同生物;同一生物不同組織;同一組織的不同發(fā)育階段同一細胞株不同時相GTase表達和活性均有差別，給糖類結構與活性研究帶來了巨大挑戰(zhàn)！目前發(fā)現(xiàn)100多種GTase，且有許多（30多個）已經(jīng)被克隆，用于糖類結構研究中。第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖基轉移酶的

分布糖基轉移酶主要分布于粗面內質網(wǎng)和高爾基體。1）順式（cis）高爾基體：無糖轉移酶GTase但在G寡糖加工中有糖水解酶（Glycosidase）2）中部（medial）高爾基體：有GlcNAcT-Ⅰ，Ⅱ，

Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ；α-1,6-FucT。3）反式高爾基體網(wǎng)絡（TransGolgiNetwork,TGN）外鏈加工：GalT，α-1,2和1，3-FucT；

α-2,3;2,6;2,8-NeuAcT;GlcNAcTⅦ。第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖基受體（Receptor)通常第一個糖基的受體是肽鏈中特定位置的氨基酸。如N-糖鏈是Asn（天冬酰胺）；

O-糖鏈是Ser/Thr等。此后，糖基的受體就是新生成的糖基。糖鏈是否分支由不同的GTase決定。肽鏈（糖基受體）糖基第一個糖基的受體是肽鏈中特定位置的氨基酸糖基的受體就是新生成的糖基糖鏈是否分支由糖基轉移酶決定第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

糖基供體（Donor）游離的單糖不能作為糖基轉移酶的糖基供體，一定要經(jīng)過活化。單糖活化主要有2種形式：1）磷酸長萜醇形式;2）核苷酸形式；3）維生素A類一種單糖可有多種活化形式：Glc有5種a.UDP-Glc:動物合成糖原時的Glc供體ADP-Glc:植物合成淀粉時的Glc供體GDP-Glc:植物合成纖維素時的Glc供體Dtdp-Glc:細菌合成脂多糖中O-抗原時的Glc供體DolPP-Glc:動物合成N-糖鏈前體G寡糖時的Glc供體幾種單糖可以用同一種活化形式：以UDP活化方式的單糖:多種以GDP活化方式的單糖:ManManUAFuc以DolPP活化方式的單糖：ManGlcGlcNAc第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天動物多糖復合物的分類1.蛋白多糖：蛋白+糖類（糖鏈較長）2.糖蛋白:蛋白+糖類（糖鏈較短）3.糖脂：糖類+脂類4.GPI：糖類+脂類+蛋白質第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天蛋白多糖透明質酸糖蛋白鞘糖脂細胞膜細胞漿硫酸軟骨素硫酸乙酰肝素N-多糖O-多糖O-多糖N-多糖O-GlcNAc糖蛋白藍色部分為核心糖序列GPI第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖復合物的結構特征第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天蛋白聚糖結構蛋白聚糖(PG):是一類大分子糖復合物，核心蛋白上具有共價連接的糖胺聚糖（GAG)鏈。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核心蛋白糖胺聚糖組成第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖胺聚糖（GAG）：是由己糖胺和己糖醛酸構成的重復二糖單元。體內重要的GAG：透明質酸（HA)

硫酸軟骨素(CS)和硫酸皮膚素(DS)

硫酸角質素(KS)

硫酸乙酰肝素（HS)和肝素（HP)第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天GAG的核心糖鏈和重復單元GlcU-Gal-Gal-Xyl-Ser硫酸軟骨素硫酸乙酰肝素CSHSGAGs：1.根據(jù)二糖重復單元的結構可分為四類2.SO42-具有重要作用3.負電荷，酸性糖核心蛋白第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天123456組成：葡萄糖醛酸/艾杜糖醛酸—葡萄糖胺（GlcUA/IdoUA-GlcNAc)結構修飾(主要是硫酸化）：N-乙?；某?，并磺化成N-硫酸基(少數(shù)情況下存在自由氨基）葡萄糖胺C6位和C3位的硫酸化艾杜糖醛酸的C2發(fā)生硫酸化，阻止差向異構化逆轉HS/HP第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天HS和HP的差別特征HSHPMw10-70kDa10-12kDaSO42-0.8-1.81.8-2.4GlcNN-硫酸基40-60%>85%IdoA%30-50%>70%與AT結合<0.3%30%合成部位基本所有細胞肥大細胞硫酸化程度最高的HS,稱為HP第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天HAGlcUAGlcNAc特點：不含硫酸根游離形式存在

分子量較大，可達1000萬（約25000個重復二糖）組成：葡萄糖醛酸-乙酰葡萄糖胺(不含SO42-的HS)聚HA是最簡單的糖胺聚糖第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天123456CS(DS)硫酸化位點：GalNAc的C4和C6位、IdoUA的C2位組成：葡萄糖醛酸/艾杜糖醛酸—半乳糖胺第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天組成：半乳糖-乙酰葡萄糖胺

硫酸化位點：Gal或GlcNAc的C6位KS第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天GAG結構總結GAGs二糖重復單元硫酸化位點HAGlcUA-GlcNAc無HS/HPIdoUA/GlcUA-GlcNAcGlcNAc：C3或C6位N-乙酰基的除去，并磺化成N-硫酸基IdoUA:C2位CSIdoUA/GlcUA-GalNAcGalNAc：C4，C6，C4和C6同時IdoUA：C2位KSGal-GlcNAcGal:C6位GlcNAc：C6位第20頁,共64頁，2024年2月25日，星期天蛋白聚糖的分類1.與HA特異作用的胞外CSPG2.胞外基質/基膜的HSPG，以及由腫瘤合成的大分子HSPG3.與粘連蛋白聚糖有關的膜表面蛋白聚糖4.具小的同源核心蛋白及1-2條GAG鏈的蛋白聚糖5.細胞內蛋白聚糖，如絲甘蛋白聚糖第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天蛋白聚糖的合成1.在內質網(wǎng)上合成核心蛋白多肽鏈，同時以O-連接和N-連接的方式進行聚糖加工2.在高爾基體中進行糖鏈延長或加工修飾3.多糖鏈的形式是由單糖逐個加上去，單糖由UDP活化，糖醛酸由UDPGA提供，硫酸由PAPS提供，糖胺氨基來自Gln第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天Ser4S/6SNS/3S/6SC4STSC6STSNDAC/NSTH3STSH6STSH2STSβ3GlcATβ4GalNAcTβ3GlcATαGlcNAcTser(1)XylT-1(2)β4GalT-1(3)β3GalT-2(4)β3GlcAT-1β4GalNAcT-1α4GlcNAcT-12SCSHSXylT-1：木糖轉移酶1β4GalT-1：β1,4半乳糖轉移酶1β3GalT-2：β1,3半乳糖轉移酶2β3GlcAT-1：β1,3葡糖糖醛酸轉移酶1β4GalNAcT-1：β1,4乙酰半乳糖胺轉移酶1a4GlcNAcT-1：α1,4乙酰葡糖糖胺轉移酶1β3GlcAT：β1,3葡糖糖醛酸轉移酶C4STS：4-O-硫酸基轉移酶C6STS：6-O-硫酸基轉移酶NDAC/NST：N-脫乙酰基/N-硫酸基轉移酶H3STS：HS3-O-硫酸基轉移酶H6STS：HS6-O-硫酸基轉移酶H2STS：HS2-O-硫酸基轉移酶XyloseN-acetylglucosamineN-acetylgalactosamineGalactoseGlucosamineGlucuronicacidAGAGs的生物合成途徑（高爾基體中進行）核心蛋白木半半葡酸半乳糖胺葡萄糖胺異構化異構化第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天serser(1)IdoA-2-S(2)α-IdoA(3)HS-N-S(4)AC-COA:N-ACTNS/3S/6S2S6S(1)α-GlcN(2)β-GlcA(3)GlcN-6S(4)α-GlcNser(1)IdoA-2-S(2)α-IdoA(3)GalNAc-4-S(1)β-GalNAc(AorB)(2)β-GlcA(3)

GalNAc-4-SIdoA-2-S：艾杜糖醛酸-2-硫酸酯酶a-IdoA：

a艾杜糖醛酸酶GalNAc-4-S：N-乙酰半乳糖胺-4-硫酸酯酶b-GalNAc(AorB)：

b-N-乙酰半乳糖胺酶A或Bb-GlcA：b葡萄糖醛酸酶HS-N-S：

類肝素-N-硫酸酯酶AC-COA:N-ACT：乙酰-COA:N-乙酰轉移酶GlcN-6S：N-乙酰葡萄糖胺-6-硫酸酯酶a-GlcN：

a-N-乙酰葡萄糖胺酶serserXyloseGaloctoseN-acetylglucosamineN-acetylgalactosamineGlucosamineGlucuronicacidCSHSBGAGs的生物代謝途徑第24頁,共64頁，2024年2月25日，星期天GAGs結合蛋白Morphogens

Activin

BMP-2,-4

Chordin

Sonichedgehog Frizzled-related peptides

Sproutypeptides

Wnt(1-13)Growthfactorbinding

proteins(BP)

Follistatin

IGFBP-3,-5

TGF-bBP NogginGrowthfactors

EGFfamily

Amphiregulin

Betacellulin

Heparin-binding-EGF

Neuregulin

FGFs(1-23) FGFR(1-4)

PDGF-AA

TGF?1,-2

VEGF-165,-189ECMcomponents

Fibrin

Fibronectin

Interstitialcollagens

Laminins

Pleiotropin(HB-GAM)

Tenascin

Thrombospondin

VitronectinFibrillinTissueremodeling

Tissueplasminogen

activator

Plasminogenactivator

inhibitor-1

ProteasenexinI TIMP-3ComplementproteinsCoagulation

AntithrombinIII

HeparincofactorII

Leuserpin

Tissuefactor

pathwayinhibitor

ThrombinProteinases

Neutrophilelastase

CathepsinG MCP-4,-5 CarboxypeptidaseAUnclassified

Acetylcholinesterase HIP Thyroglobulin CyclophilinASuperoxidasedismutase

EnergybalanceAgoutisignalingpeptideAgouti-relatedproteinApoB,ELipoproteinlipase

Triglyceridelipases

Celladhesionmolecules

E,L,P-selectins

MAC-1

N-CAM

PECAMChemokines

C-C,e.g.MIP-1a, RANTES

CXC,e.g.IP-10,IL-8Cytokines

GM-CSF IL-2,-3,-4,-5,-7,-12

Interferong Kininogen TNF-aAnti-angiogenicfactors

Angiostatin

Endostatin PF4CollectinsSPA,DMBPAntimicrobialpeptidesPR-39Bac5,7defensinViralandparasiteCoatproteinsHIV-1tatHIV-1gp41,120HSVgB,gC,gDHHV-6gp65HHV-8gK8.1ACircumsprorozoite

第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天GAGs的生物學功能1.蛋白聚糖和GAGs是細胞表面和胞外基質的基本成分2.蛋白聚糖與多種配體相互作用，幾乎參與所有生命過程第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)糖蛋白糖蛋白：是以蛋白為主，在蛋白質多肽鏈骨架上共價連接著寡糖鏈形式的大分子。它的分布很廣泛：血漿蛋白細胞膜上許多蛋白激素酶第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天分類和結構根據(jù)多肽鏈和寡糖鏈連接方式不同：1.N-連接糖基2.O-連接糖基第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天N-連接糖基或糖鏈（N-linked)結構特點：以天冬酰胺(Asn)和GlcNAc脫水，形成N-糖苷鍵糖蛋白中包含的N-linked類型：

復雜型、雜合型、高甘露糖型第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天N-連接糖基特點：1.三種類型，復雜型、雜合型、高甘露糖型

2.核心五糖

3.具有不同的分支，被稱為天線

4.血液循環(huán)和膜上的糖蛋白常為N-糖鏈

5.復雜型天線數(shù)為1-5條，其中二天線多見兩種單糖五種單糖糖鏈復雜第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天N-聚糖的種屬、組織、位點專一性

1.N-聚糖結構具有種屬和臟器專一性。同一種屬相同組織或同一種屬不同組織中相同糖蛋白的N-聚糖并不相同，即N-聚糖具有種屬和器官專一性。

2.同一種蛋白，其不同位點的N-聚糖結構也不相同，這種聚糖結構的不均一性稱為糖型(glycoform)，即不同位點有不同糖型。

3.肽鏈中所有Asn上不一定都能N-糖基化如t-PAI型Asn117、184、488II型Asn117、488第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天N-糖鏈的合成N-糖鏈均有核心五糖，主要是外鏈的結構變化較多。1）首先是前體寡糖（G寡糖）的合成2）然后G寡糖整體轉到糖蛋白的糖基化位點(Asn-X-Thr/Ser)上（X是脯氨酸以外的任何殘基）3）接著在各種糖苷水解酶和糖轉移酶作用下進行加工；4）加工后的糖蛋白分別被投放到機體特定部位，行使各種功能。第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天N-糖鏈的糖基化位點AA特定氨基酸序列：Asn-X-Scr/Thr(X為脯氨酸以外的任何殘基）第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天N-糖鏈的生物合成場所：粗面內質網(wǎng)和高爾基體新生肽鏈、G寡糖合成G寡糖早期加工G寡糖后期加工N-糖鏈的成熟順、中反伴翻譯過程：N-糖鏈的生物合成和蛋白質肽鏈的生物合成同時進行N-糖鏈的成熟：外周糖鏈的產(chǎn)生。這些結構與糖蛋白的分揀、投送和定位密切相關第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天G寡糖的結構(14個單糖）核心五糖a,b,c,d,e,f,g,h,I分別表示寡糖鏈的糖基位置外鏈內鏈二磷酸長萜醇第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天游離的單糖不能作為糖基轉移酶的糖基供體，需經(jīng)過磷酸長萜醇活化磷酸長萜醇（Dol)：是聚異戊二烯衍生物，結構如下：DolGlc細菌Dol具有11個異戊二烯不飽和動物Dol具有21個異戊二烯飽和PP第36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（G寡糖）（單糖運載體）（起始點）（結束點）（游離循環(huán)利用）新生肽鏈伴翻譯過程第37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天N-糖鏈的加工和成熟第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天O-連接糖基或糖鏈結構特點：共同特點：由一個或幾個單糖與某些含羥基氨基酸（絲氨酸、蘇氨酸、羥賴氨酸）的羥基脫水，形成O-糖

苷鍵。不存在共有的核心結構。糖蛋白中的O-Linked類型：分布最廣，研究最多第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天O-糖鏈（O-GalNAc)的生物合成1.糖基化位點：無特定序列。肽鏈中Ser或Thr側鏈上的羥基氧原子2.合成場所：無固定場所。因細胞或組織而異3.合成途徑：無G寡糖前體，無伴翻譯過程O-GalNAc聚糖合成無前體，多數(shù)情況下不像N-糖鏈是伴翻譯過程，而是在已折疊蛋白質肽鏈的適當Ser/Thr位點逐個加上糖基。一般認為O-GalNAc糖基化是在N-GalNAc糖基化之后。第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天O-GalNAc寡糖鏈種類:1.最簡單O-GalNAc只有一個GalNAc2.兩個糖基組成的O-GalNAc聚糖有4種：SA-GalNAc-Ser/ThrGal-GalNAc-Ser/ThrGlcNAc-GalNAc-Ser/ThrGalNAc-GalNAc-Ser/Thr3.多糖基：核心、骨架、非還原末端第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天O-GalNAc糖鏈多糖基核心結構Core1:Galβ1-3GalNAc-[α-Ser/Thr]Core2:GlcNAcβ1-6(Galβ1-3)GalNAc-[α-Ser/Thr]Core3:GlcNAcβ1-3GalNAc-[a-Ser/Thr]Core4:GlcNAcβ1-6(GlcNAcβ1-3)GalNAc-[α-Ser/Thr]Core5:GalNAcα1-3GalNAc-[α-Ser/Thr]Core6:GalNAcβ1-6GalNAc-[α-Ser/Thr]Core7:GalNAcα1-6GalNAc-[α-Ser/Thr]Core8:Galα1-3GalNAc-[α-Ser/Thr]第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天兩種連接方式的差別前體糖基化位點1th連接的糖合成場所結構特點N-糖鏈G-寡糖前體Asn-X-Thr/SerGlcNAc內質網(wǎng)和高爾基體O-糖鏈無Ser或ThrGalNAc不定結構簡單，但種類較多第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖鏈的生物學功能1.參與糖蛋白新生肽鏈折疊和締合2.影響糖蛋白的分泌和穩(wěn)定性3.糖鏈參與分子識別和細胞識別4.糖鏈與糖蛋白的生物活性

1）與酶的活性t-PA2）與激素活性EPO3）與IgG活性5.糖蛋白類藥物開發(fā)第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖蛋白和蛋白聚糖的區(qū)別糖蛋白蛋白聚糖糖鏈含量一般少于蛋白質較蛋白質部分多糖鏈組成不含糖醛酸，含有N-乙酰氨基已糖、半乳糖、甘露糖、末端為唾液酸及巖藻糖主要為糖醛酸和N-乙酰氨基己糖糖基排列分支寡糖鏈二糖分子連成糖鏈與肽鏈連接方式O-連接或N-連接一般為O-連接，有時可游離分布分布廣泛，細胞內外皆有主要在細胞外，各種結締組織基質中生理功能作用廣泛，許多粘蛋白、血漿蛋白、膜蛋白等結構蛋白均為糖蛋白以維持結締組織的功能為主第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)糖脂糖類通過其還原末端以糖苷鍵與脂類連接起來的化合物。在細胞中主要作為膜的組分存在，其脂質包埋在脂雙層內，而糖鏈則伸在膜外。根據(jù)脂質部分不同可分為：1.分子中含有鞘氨醇的鞘糖脂（哺乳動物）2.分子中含有甘油脂的甘油糖脂（植物和微生物）3.由磷酸多萜醇衍生的糖脂4.由類固醇衍生的糖脂親水親脂第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天鞘糖脂(Glycosphingolipids，GLS)的分布1.廣泛存在于神經(jīng)系統(tǒng)、尤其是大腦2.廣泛存在于哺乳動物各組織細胞的細胞膜外層和各種細胞器膜結構，占質膜總脂的5%（紅細胞中）到30%（神經(jīng)細胞質膜），結構具有時空特異性第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天鞘糖脂的分類根據(jù)所含單糖的性質分為：1.中性鞘糖脂：糖鏈中只含中性糖2.酸性鞘糖脂:含有中性糖、唾液酸、硫酸化單糖

1）含唾液酸：神經(jīng)節(jié)苷脂

2）含硫酸化單糖：硫苷脂

3）含巖藻糖：巖藻糖脂(具血型活性）脊椎動物糖鞘脂中的單糖：GlcGalGlcNAcGalNAcFucNeuAc無脊椎動物糖鞘脂中的單糖：GlcGalGlcNAcGalNAcFucNeuAc，Man，Xyl及糖醛酸

第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天鞘糖脂的結構脂肪酸長鏈堿基神經(jīng)酰胺糖鏈:少則一個糖基，多者20-30個，絕大多數(shù)<10長鏈堿基:18個C、不飽和的4-烯鞘氨醇最常見脂肪酸鏈:14-26C第49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天各種系列中性鞘糖脂的核心糖鏈巖藻糖脂（ABO血型抗原活性）神經(jīng)節(jié)苷脂第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天OABAB喉癌2537.2330.327.45胃癌2830.931.629.41胃潰瘍29.727.7631.1711.31腸癌29.6825.8133.8710.64肝硬化27.6331.5833.337.46乳癌30.1926.4231.4611.94肺癌26.0027.0037.0010.00子宮瘤35.0927.1929.837.89對照30.6226.8531.1411.39ABO血型抗原新乳糖系列第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天酸性鞘糖脂的核心糖鏈硫苷脂：糖鏈部分含有硫酸酯的鞘糖脂，

硫苷脂鍵：Gal和GalNAc的C3位GlcNAc的C6位

2.神經(jīng)節(jié)苷脂：糖鏈中含有唾液酸的鞘糖脂，唾液酸位置：中性糖系列的任何位置唾液酸類型：N-乙酰神經(jīng)氨酸

N-羥乙酰神經(jīng)氨酸分布：主要分布在神經(jīng)系統(tǒng)中第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天神經(jīng)酰胺葡糖神經(jīng)酰胺葡萄糖神經(jīng)酰胺的合成第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天糖脂的功能：1.細胞質膜外層的重要組分，提供了結構上的穩(wěn)定和強度2.細胞表面標記和抗原及免疫學功能3.參與細胞-細胞間相互作用和識別4.分化標志5.參與細胞生長調節(jié)、癌變和信息傳遞6.與生物活性因子相互作用，作為細胞毒素、糖蛋白激素、病毒的受體7.影響細胞質膜蛋白的功能8.參與細胞粘附第54頁,共64頁，2024年2月25日，星期天第四節(jié)糖基磷脂酰肌醇（GPI）化蛋白糖鏈肌醇磷酸長鏈脂肪酸蛋白（位于最外側）(Man-Man-Man-GlcN)（磷酸乙醇胺）GPI:一類由蛋白質、脂類和糖鏈三者共價結合的復雜糖復合物第55頁,共64頁，2024年2月25日，星期天GPI錨定蛋白的多樣性種類舉例分布酶類堿性磷酸酶胎盤、腸乙酰膽堿酯酶人及羊紅細胞5′-核苷酸酶哺乳動物組織