生物化學與分子生物學/蛋白聚糖分子中的糖胺聚糖

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聚糖的結構與功能 - 糖蛋白分子中聚糖及其合成過程 - 蛋白聚糖分子中的糖胺聚糖 - 糖脂由鞘糖脂、甘油糖脂和類固醇衍生糖脂組成 - 聚糖結構中蘊藏大量生物信息
蛋白聚糖(proteoglycan)是一類非常複雜的複合糖類,以聚糖含量為主,由糖胺聚糖(glycosamioglycan, GAG)共價連接於不同核心蛋白質形成的糖複合體。一種蛋白聚糖可含有一種或多種糖胺聚糖。糖胺聚糖是由二糖單位重複連接而成的雜多糖,不分支。二糖單位中一個是糖胺(N-乙醯葡糖胺或N-乙醯半乳糖胺),另一個是糖醋酸(葡糖醛酸或艾杜糖醛酸)。由於糖胺聚糖的二糖單位含有糖胺故而得名。除糖胺聚糖外,蛋白聚糖還含有一些N-或0-連接型聚糖。核心蛋白質種類頗多,加之核心蛋白質相連的糖胺聚糖的種類、長度以及硫酸化程度等複雜因素,使蛋白聚糖的種類更為繁多。

糖胺聚糖是由己糖酵酸和已糖胺組成的重複二糖單位[編輯]

體內重要的糖胺聚糖有6種:硫酸軟骨素(chondroitin sulfate)、硫酸皮膚素(dermatan sulfate)、硫酸角質素(keratan sulfate)、透明質酸(hyaluronic acid)、肝素(heparin)和硫酸類肝素(heparan sulfate)。這些糖胺聚糖都是由重複的二糖單位組成。除透明質酸外,其他的糖胺聚糖都帶有硫酸。
硫酸軟骨素的二糖單位由N-乙醯半乳糖胺和葡糖醛酸組成,最常見的硫酸化部位是N-乙醯半乳糖胺殘基的C4和C6位。單個聚糖約有250個二糖單位,許多這樣的聚糖與核心蛋白質以0-連接方式相連,形成蛋白聚糖。
硫酸角質素的二糖單位由半乳糖和N-乙醯葡糖胺組成。它所形成的蛋白聚糖可分布於角膜中,也可與硫酸軟骨素共同組成蛋白聚糖聚合物,分布於軟骨和結締組織中。
硫酸皮膚素分布廣泛,其二糖單位與硫酸軟骨素很相似,僅一部分葡糖醛酸為艾杜糖醛酸所取代,所以硫酸皮膚素含有兩種糖醛酸。葡糖醛酸轉變為艾杜糖醛酸是在聚糖合成後進行,由差向異構酶催化。
肝素的二糖單位為葡糖胺和艾杜糖醛酸(iduronic acid), 葡糖胺的氨基氮和C6位均帶有硫酸。肝素合成時都是葡糖醛酸,然後差向異構化為艾杜糖酸酸,並隨之進行C2位硫酸化。肝素所連接的核心蛋白質幾乎僅由絲氨酸和甘氨酸組成。肝素分布於肥大細胞內,有抗凝作用。硫酸類肝素是細胞膜成分,突出於細胞外。
透明質酸的二糖單位為葡糖醋酸和N-乙醯葡糖胺。一分子透明質酸可由50000個二糖單位組成,但它所連的蛋白質部分很小。透明質酸分布於關節滑液、眼的玻璃體及疏鬆的結締組織中。

核心蛋白質均含有結合糖胺聚糖的結構域[編輯]

與糖胺聚糖鏈共價結合的蛋白質稱為核心蛋白質。核心蛋白質均含有相應的糖胺聚糖取代結構域,一些蛋白聚糖通過核心蛋白質特殊結構域錨定在細胞表面或細胞外基質的大分子中。
核心蛋白質最小的蛋白聚糖稱為絲甘蛋白聚糖(serglycan), 含有肝素,主要存在於造血細胞和肥大細胞的貯存顆粒中,是一種典型的細胞內蛋白聚糖。
飾膠蛋白聚糖(decorin)的核心蛋白質分子質量為3.6萬,富含亮氨酸重複序列的模體,它能與膠原相互作用,調節膠原纖維的形成和細胞外基質的組裝。
黏結蛋白聚糖(syndecan)的核心蛋白質分子質量為3.2萬,含有胞質結構域、插入質膜的疏水結構域和胞外結構域。細胞外結構域連接有硫酸肝素和硫酸軟骨素,是細胞膜表面主要蛋白聚糖之一。
蛋白聚糖聚合體(aggrecan)是細胞外基質的重要成分之一,由透明質酸長聚糖兩側經連接蛋白而結合許多蛋白聚糖而成,由於糖胺聚糖上羧基或硫酸根均帶有負電荷,彼此相斥,所以在溶液中蛋白聚糖聚合物呈瓶刷狀。

蛋白聚糖合成時在多肽鏈上逐一加上糖基[編輯]

在內質網上,蛋白聚糖先合成核心蛋白質的多肽鏈部分,多肽鏈合成的同時即以0-連接或N-連接的方式在絲氨酸或天冬醯胺殘基上進行聚糖加工。聚糖的延長和加工修飾主要是在高爾基體內進行,以單糖的UDP衍生物為供體,在多肽鏈上逐個加上單糖,而不是先合成二糖單位。每一單糖都有其特異性的糖基轉移酶,使聚糖依次延長。聚糖合成後再予以修飾,糖胺的氨基來自穀氨醯胺,硫酸則來自「活性硫酸",即3'-磷酸腺苷-5'-磷醯硫酸。差向異構酶可將葡糖醛酸轉變為艾杜糖醛酸。

蛋白聚糖是細胞間基質重要成分[編輯]

蛋白聚糖最主要的功能是構成細胞間基質[編輯]

在細胞基質中各種蛋白聚糖以特異的方式與彈性蛋白、膠原蛋白相連,賦予基質特殊的結構。基質中含有大量透明質酸,可與細胞表面的透明質酸受體結合,影響細胞與細胞的黏附、細胞遷移、增殖和分化等細胞行為。由於蛋白聚糖中的糖胺聚糖是多陰離子化合物,可結合Na+、K+,從而吸收水分子;糖的羥基也是親水的,所以基質內的蛋白聚糖可以吸引、保留水而形成凝膠,容許小分子化合物自由擴散但阻止細菌通過,起保護作用。
細胞表面也有眾多類型的蛋白聚糖,大多數含有硫酸肝素,分布廣泛,在神經發育、細胞識別結合和分化等方面起重要的調節作用。有些細胞還存在絲甘蛋白聚糖,它的主要功能是與帶正電荷的蛋白酶、羧肽酶或組織胺等相互作用參與這些生物活性分子的貯存和釋放。

各種蛋白聚糖有其特殊功能[編輯]

肝素是重要的抗凝劑,能使凝血酶失活;肝素還能特異地與毛細血管壁的脂蛋白脂肪酶結合,促使後者釋放入血。在軟骨中硫酸軟骨素含量豐富,維待軟骨的機械性能。角膜的膠原纖維之間充滿硫酸角質素和硫酸皮膚素,使角膜透明。在腫瘤組織中各種蛋白聚糖的合成發生改變,可能與腫瘤增殖和轉移有關。