Гликан
Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( май 2012 г. ) |
Термины «гликаны» и «полисахариды» определены ИЮПАК как синонимы, означающие «соединения, состоящие из большого количества моносахаридов , связанных гликозидно». [1] Однако на практике термин «гликан» также может использоваться для обозначения углеводной части гликоконъюгата , такой как гликопротеин , гликолипид или протеогликан , даже если углевод представляет собой только олигосахарид . [2] Гликаны обычно состоят исключительно из О-гликозидных связей моносахаридов. Например, целлюлоза представляет собой гликан (или, точнее, глюкан ), состоящий из β-1,4-связанной D -глюкозы, а хитин представляет собой гликан, состоящий из β-1,4-связанной N -ацетил- D. -глюкозамин. Гликаны могут представлять собой гомо- или гетерополимеры моносахаридных остатков и могут быть линейными или разветвленными.
Гликаны и белки
[ редактировать ]Гликаны можно обнаружить прикрепленными к белкам, например, в гликопротеинах и протеогликанах. Как правило, они находятся на внешней поверхности клеток. О- и N-связанные гликаны очень распространены у эукариот , но также могут быть обнаружены, хотя и реже, у прокариот .
N- связанные гликаны
[ редактировать ]Введение
[ редактировать ]N-связанные гликаны присоединяются в эндоплазматическом ретикулуме к азоту (N) в боковой цепи аспарагина (Asn) в секвоне . Секвен представляет собой последовательность Asn-X-Ser или Asn-X-Thr, где X представляет собой любую аминокислоту, кроме пролина , а гликан может состоять из N -ацетилгалактозамина , галактозы , нейраминовой кислоты , N -ацетилглюкозамина , фукозы , маннозы и другие моносахариды.
Сборка
[ редактировать ]У эукариот N-связанные гликаны происходят из основной 14- сахарной единицы, собранной в цитоплазме и эндоплазматическом ретикулуме . Во-первых, два остатка N -ацетилглюкозамина присоединяются к долихолмонофосфату , липиду, на внешней стороне мембраны эндоплазматического ретикулума. Затем к этой структуре добавляются пять остатков маннозы. В этот момент частично законченный коровый гликан переворачивается через мембрану эндоплазматического ретикулума и теперь располагается внутри просвета ретикулярной сети. Затем сборка продолжается в эндоплазматическом ретикулуме с добавлением еще четырех остатков маннозы. Наконец, к этой структуре добавляются три остатка глюкозы. После полной сборки гликан переносится целиком гликозилтрансферазой - олигосахарилтрансферазой в формирующуюся пептидную цепь внутри ретикулярного просвета. Таким образом, эта основная структура N-связанных гликанов состоит из 14 остатков (3 глюкозы, 9 маннозы и 2 N -ацетилглюкозамина).
Изображение: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glico.figgrp.469.
Темные квадраты — N -ацетилглюкозамин; светлые кружочки — манноза; темные треугольники — глюкоза.
Обработка, модификация и разнообразие
[ редактировать ]После переноса в формирующуюся пептидную цепь N-связанные гликаны, как правило, подвергаются обширным реакциям процессинга, в результате которых удаляются три остатка глюкозы, а также несколько остатков маннозы, в зависимости от рассматриваемого N-связанного гликана. Удаление остатков глюкозы зависит от правильного сворачивания белка. Эти реакции обработки происходят в аппарате Гольджи . Реакции модификации могут включать добавление фосфатной или ацетильной группы к сахарам или добавление новых сахаров, таких как нейраминовая кислота . Процессинг и модификация N-связанных гликанов в аппарате Гольджи не идет по линейному пути. В результате возможно множество различных вариантов структуры N-связанных гликанов в зависимости от активности ферментов в аппарате Гольджи.
Функции и важность
[ редактировать ]N-связанные гликаны чрезвычайно важны для правильного сворачивания белков в эукариотических клетках. Белки -шапероны эндоплазматического ретикулума, такие как кальнексин и кальретикулин , связываются с тремя остатками глюкозы, присутствующими в ядре N-связанного гликана. Эти белки-шапероны затем помогают сворачивать белок, к которому прикреплен гликан. После правильного сворачивания три остатка глюкозы удаляются, и гликан переходит к дальнейшим реакциям обработки. Если белок не сворачивается должным образом, три остатка глюкозы повторно присоединяются, позволяя белку повторно ассоциироваться с шаперонами. Этот цикл может повторяться несколько раз, пока белок не достигнет правильной конформации. Если белку неоднократно не удается правильно свернуть, он выводится из эндоплазматической сети и разрушается цитоплазматическими протеазами.
N-связанные гликаны также способствуют сворачиванию белков за счет стерических эффектов. Например, остатки цистеина в пептиде могут быть временно заблокированы от образования дисульфидных связей с другими остатками цистеина из-за размера близлежащего гликана. Следовательно, наличие N-связанного гликана позволяет клетке контролировать, какие остатки цистеина будут образовывать дисульфидные связи.
N-связанные гликаны также играют важную роль во межклеточных взаимодействиях. Например, опухолевые клетки вырабатывают аномальные N-связанные гликаны. Они распознаются рецептором CD337 на клетках естественных киллеров как признак того, что рассматриваемая клетка является раковой.
В иммунной системе N-связанные гликаны на поверхности иммунных клеток помогают определять характер миграции клетки, например, иммунные клетки, которые мигрируют в кожу, имеют специфические гликозилирования, способствующие возвращению в этот участок. [3] Паттерны гликозилирования различных иммуноглобулинов, включая IgE, IgM, IgD, IgE, IgA и IgG, наделяют их уникальными эффекторными функциями за счет изменения их сродства к Fc и другим иммунным рецепторам. [3] Гликаны также могут участвовать в различении «своих» и «чужих», что может иметь отношение к патофизиологии различных аутоиммунных заболеваний; [3] в том числе ревматоидный артрит [4] и диабет 1 типа. [5]
Нацеливание на деградирующие лизосомальные ферменты также осуществляется с помощью N-связанных гликанов. Модификация N-связанного гликана остатком маннозо-6-фосфата служит сигналом о том, что белок, к которому присоединен этот гликан, должен быть перемещен в лизосому. Это распознавание и транспортировка лизосомальных ферментов в присутствии маннозо-6-фосфата осуществляется двумя белками: CI-MPR (катион-независимый рецептор маннозо-6-фосфата ) и CD-MPR (катионозависимый рецептор маннозо-6-фосфата). ).
О- связанные гликаны
[ редактировать ]Введение
[ редактировать ]У эукариот О -связанные гликаны собираются по одному сахару на остатке серина или треонина пептидной цепи в аппарате Гольджи. В отличие от N -связанных гликанов, пока не существует известной консенсусной последовательности . Однако размещение остатка пролина в положении -1 или +3 относительно серина или треонина благоприятно для О-связанного гликозилирования.
Сборка
[ редактировать ]Первым моносахаридом, присоединяемым при синтезе О -связанных гликанов, является N-ацетилгалактозамин. После этого возможны несколько различных путей. Структура Core 1 создается за счет добавления галактозы. Структура Core 2 создается путем добавления N-ацетилглюкозамина к N-ацетилгалактозамину структуры Core 1. Структуры ядра 3 образуются путем добавления одного N-ацетилглюкозамина к исходному N-ацетилгалактозамину. Структуры Core 4 образуются путем добавления второго N-ацетилглюкозамина к структуре Core 3. Возможны и другие основные структуры, хотя и менее распространенные.
Изображения:
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=глико.figgrp.561 : поколение Core 1 и Core 2. Белый квадрат = N-ацетилгалактозамин; черный кружок = галактоза; Черный квадрат = N-ацетилглюкозамин. Примечание. На этой схеме допущена ошибка. Нижний квадрат на каждом изображении всегда должен быть белым, а не черным.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=глико.figgrp.562 : поколения Core 3 и Core 4.
Общей структурной темой О-связанных гликанов является добавление полилактозаминовых единиц к различным основным структурам. Они образуются в результате повторяющегося добавления единиц галактозы и N-ацетилглюкозамина. Цепи полилактозамина на О-связанных гликанах часто замыкаются за счет добавления остатка сиаловой кислоты (аналогично нейраминовой кислоте). Если фукозы к предпоследнему остатку также добавляется остаток сиалила-Льюиса X , образуется структура (SLex).
Функции и важность
[ редактировать ]Сиалил Льюиса x важен для определения антигена крови ABO .
SLex также важен для правильного иммунного ответа. Высвобождение P- селектина из телец Вейбеля-Паладе на эндотелиальных клетках кровеносных сосудов может быть индуцировано рядом факторов. Одним из таких факторов является реакция эндотелиальной клетки на определенные бактериальные молекулы, такие как пептидогликан . P-селектин связывается со структурой SLex, которая присутствует на нейтрофилах в кровотоке , и помогает опосредовать экстравазацию этих клеток в окружающие ткани во время инфекции.
О -связанные гликаны, в частности муцин Было обнаружено, что , играют важную роль в развитии нормальной микрофлоры кишечника. Определенные штаммы кишечных бактерий специфически связываются с муцином, что позволяет им колонизировать кишечник.
Примерами O -связанных гликопротеинов являются:
- Гликофорин — белок эритроцитов. клеточных мембран
- Муцин, белок слюны, участвующий в образовании зубного налета.
- Notch , трансмембранный рецептор, участвующий в развитии и принятии решений о судьбе клеток.
- Тромбоспондин
- Фактор VII
- Фактор IX
- мочевого типа Активатор плазминогена
Гликозаминогликаны
[ редактировать ]Другим типом клеточных гликанов являются гликозаминогликаны (ГАГ). Они включают 2-аминосахара, поочередно связанные с уроновыми кислотами , и включают такие полимеры, как гепарин , гепарансульфат , хондроитин , кератан и дерматан . Некоторые гликозаминогликаны, такие как гепарансульфат, прикреплены к поверхности клетки, где они связываются через тетрасахаридный линкер через ксилозильный остаток с белком (образуя гликопротеин или протеогликан ).
Гликосаука
[ редактировать ]В докладе Национального исследовательского совета США за 2012 год содержится призыв к новому акценту на гликонауке, области, которая исследует структуры и функции гликанов и обещает большие достижения в таких разнообразных областях, как медицина, производство энергии и материаловедение. [6] До сих пор гликанам уделялось мало внимания со стороны исследовательского сообщества из-за отсутствия инструментов для исследования их зачастую сложных структур и свойств. [7] В докладе представлена дорожная карта по преобразованию гликонауки из области, в которой доминируют специалисты, в широко изучаемую и интегрированную дисциплину.
Гликаны и липиды
[ редактировать ]См. гликолипиды.
GPI-якоря
[ редактировать ]Инструменты, используемые для исследования гликанов
[ редактировать ]Ниже приведены примеры обычно используемых методов анализа гликанов: [8] [9]
Масс-спектрометрия высокого разрешения (МС) и высокоэффективная жидкостная хроматография (ВЭЖХ)
[ редактировать ]Наиболее часто применяемыми методами являются МС и ВЭЖХ , в которых гликановая часть ферментативно или химически отщепляется от мишени и подвергается анализу. [10] В случае гликолипидов их можно анализировать напрямую, без разделения липидного компонента.
N- гликаны гликопротеинов регулярно анализируются с помощью высокоэффективной жидкостной хроматографии (обратно-фазовая, нормальная фаза и ионообменная ВЭЖХ) после мечения восстанавливающего конца сахаров флуоресцентным соединением (восстановительное мечение). [11] В последние годы было введено большое количество различных меток, в том числе 2-аминобензамид (AB), антраниловая кислота (AA), 2-аминопиридин (PA), 2-аминоакридон (AMAC) и 3-(ацетиламино)-6-аминоакридин. (AA-Ac) — лишь некоторые из них. [12] Для разных режимов ESI и используемых систем MS необходимо использовать разные метки. [13]
О- гликаны обычно анализируются без каких-либо меток, поскольку условия химического высвобождения не позволяют их маркировать.
Фракционированные гликаны из приборов высокоэффективной жидкостной хроматографии (ВЭЖХ) можно дополнительно проанализировать с помощью MALDI -TOF-MS(MS) для получения дополнительной информации о структуре и чистоте. Иногда пулы гликанов анализируют непосредственно с помощью масс-спектрометрии без предварительного фракционирования, хотя различение изобарных гликановых структур является более сложным или даже не всегда возможным. В любом случае, прямой анализ MALDI -TOF-MS может привести к быстрой и простой иллюстрации пула гликанов. [14]
В последние годы очень популярной стала онлайн-высокоэффективная жидкостная хроматография в сочетании с масс-спектрометрией. Выбрав пористый графитовый углерод в качестве неподвижной фазы для жидкостной хроматографии, можно анализировать даже непроизводные гликаны. Обнаружение здесь осуществляется с помощью масс-спектрометрии, но вместо MALDI ионизация электрораспылением ( ESI ). -MS чаще используется [15] [16] [17]
Мониторинг множественных реакций (MRM)
[ редактировать ]Хотя MRM широко используется в метаболомике и протеомике, ее высокая чувствительность и линейный отклик в широком динамическом диапазоне делают ее особенно подходящей для исследований и открытий гликановых биомаркеров. MRM выполняется на приборе тройного квадруполя (QqQ), который настроен на обнаружение заранее определенного иона-предшественника в первом квадруполе, фрагментированного при столкновении квадруполе и заранее определенного фрагментного иона в третьем квадруполе. Это метод без сканирования, в котором каждый переход обнаруживается индивидуально, а обнаружение нескольких переходов происходит одновременно в рабочих циклах. Этот метод используется для характеристики иммунного гликома. [3] [18]
Таблица 1 : Преимущества и недостатки масс-спектрометрии при анализе гликанов
Преимущества | Недостатки |
---|---|
|
|
Массивы
[ редактировать ]Массивы лектинов и антител обеспечивают высокопроизводительный скрининг многих образцов, содержащих гликаны. В этом методе используются либо природные лектины , либо искусственные моноклональные антитела , причем оба они иммобилизуются на определенном чипе и инкубируются с образцом флуоресцентного гликопротеина.
Гликановые массивы, подобные предложенным Консорциумом функциональной гликомики и Z Biotech LLC , содержат углеводные соединения, которые можно проверять с помощью лектинов или антител для определения специфичности углеводов и идентификации лигандов.
Метаболическое и ковалентное мечение гликанов
[ редактировать ]Метаболическое мечение гликанов можно использовать как способ обнаружения гликановых структур. Хорошо известная стратегия предполагает использование меченных азидом сахаров, которые можно вводить в реакцию с помощью лигирования Штаудингера . Этот метод использовался для визуализации гликанов in vitro и in vivo.
Инструменты для гликопротеинов
[ редактировать ]Рентгеновская кристаллография и спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для полного структурного анализа сложных гликанов - трудная и сложная область. Однако структура сайта связывания многочисленных лектинов , ферментов и других углеводсвязывающих белков выявила широкое разнообразие структурных основ функции гликомов. Чистота тестируемых образцов была получена с помощью хроматографии ( аффинная хроматография и т. д.) и аналитического электрофореза ( ПААГ (электрофорез полиакриламида) , капиллярный электрофорез , аффинный электрофорез и т. д.).
См. также
[ редактировать ]Ресурсы
[ редактировать ]- Национальный центр функциональной гликомики (NCFG) В центре внимания NCFG находятся разработки в области гликонауки с упором на изучение молекулярных механизмов распознавания гликанов белками, важными для биологии человека и болезней. У них есть ряд ресурсов для анализа гликанов, а также обучение гликомике и протоколам анализа гликанов.
- GlyTouCan , хранилище структур Glycan
- Glycosciences.DE. Архивировано 11 февраля 2021 г. в Wayback Machine , немецкой базе данных гликанов.
- База данных структуры углеводов , Российская база данных гликанов
- UniCarbKB , австралийская база данных гликанов
- GlycoSuiteDB , база данных гликанов Швейцарского института биоинформатики.
- GlyGen , ресурс по гликоинформатике, финансируемый Национальными институтами здравоохранения (NIH).
- Консорциум функциональной гликомики (CFG) — это некоммерческая исследовательская инициатива, включающая восемь основных учреждений и более 500 участвующих исследователей , которые работают вместе над разработкой ресурсов и услуг и бесплатно предоставляют их научному сообществу. Данные, генерируемые этими ресурсами, фиксируются в базах данных, доступных через Functional Glycomics Gateway , веб-ресурс, поддерживаемый благодаря партнерству между CFG и Nature Publishing Group .
- Преобразование гликонауки: дорожная карта будущего. Архивировано 20 октября 2014 г. в Wayback Machine Национальным исследовательским советом США . На этом сайте представлена информация об отчетах и семинарах Национального исследовательского совета США по гликонауке.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Гликаны» . Золотая книга ИЮПАК – Гликаны . 2009. doi : 10.1351/goldbook.G02645 . ISBN 978-0-9678550-9-7 .
- ^ Двек, Раймонд А. (1996). «Гликобиология: к пониманию функции сахаров». хим. Преподобный . 96 (2): 683–720. дои : 10.1021/cr940283b . ПМИД 11848770 .
- ^ Jump up to: а б с д Маверакис Э., Ким К., Шимода М., Гершвин М., Патель Ф., Уилкен Р., Райчаудхури С., Рухаак Л.Р., Лебрилла CB (2015). «Гликаны в иммунной системе и теория аутоиммунитета с измененными гликанами» . Дж. Аутоиммун . 57 (6): 1–13. дои : 10.1016/j.jaut.2014.12.002 . ПМЦ 4340844 . ПМИД 25578468 .
- ^ Накагава, С; Хато, М; Такегава, Ю; Дегучи, К; Ито, Х; Такахата, М; Ивасаки, Н.; Минами, А; Нисимура, С.И. (2007). «Обнаружение измененных профилей N-гликанов в цельной сыворотке пациентов с ревматоидным артритом». Дж. Хроматогр. Б. 853 (1–2): 133–137. дои : 10.1016/j.jchromb.2007.03.003 . hdl : 2115/28276 . ПМИД 17392038 .
- ^ Бермингем, ML; Коломбо, М; МакГурнаган, SJ; Блэкборн, Лос-Анджелес; Вучкович, Ф; Пучич Бакович, М; Трбоевич-Акмачич, И; Лаук, Г; Агаков Ф; Агакова А.С.; Хейворд, К; Кларич, Л; Палмер, CNA; Петри, младший; Чалмерс, Дж; Кольер, А; Грин, Ф; Линдси, RS; Макрури, С; Макнайт, Дж.А.; Патрик, AW; Теккепат, С; Горник, О; Маккейг, премьер-министр; Колхун, HM (2018). «Профиль N-гликанов и заболевания почек при диабете 1 типа» . Уход при диабете . 41 (1): 79–87. дои : 10.2337/dc17-1042 . hdl : 20.500.11820/413dce5a-e852-4787-aac9-62c2c6d4389f . ПМИД 29146600 .
- ^ «Отчет Национального исследовательского совета США: Преобразование гликонауки: дорожная карта на будущее » . Архивировано из оригинала 20 октября 2014 г. Проверено 3 октября 2012 г.
- ^ «Краткий отчет Национального исследовательского совета США: Преобразование гликонауки: дорожная карта на будущее » . Архивировано из оригинала 23 сентября 2015 г. Проверено 3 октября 2012 г.
- ^ Основы гликобиологии (2-е изд.). Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. 2009. ISBN 978-087969770-9 .
- ^ Айзпуруа-Олайзола, О.; Тораньо, Дж. Састре; Фалькон-Перес, Дж. М.; Уильямс, К.; Райхардт, Н.; Бунс, Г.-Ж. (2018). «Масс-спектрометрия для открытия биомаркеров гликанов». TrAC Тенденции в аналитической химии . 100 : 7–14. дои : 10.1016/j.trac.2017.12.015 . hdl : 1874/364403 .
- ^ Вада И., Азади П., Костелло С.Э. и др. (апрель 2007 г.). «Сравнение методов определения профиля гликопротеингликанов — многоинституциональное исследование HUPO Human Disease Glycomics/Proteome Initiative» . Гликобиология . 17 (4): 411–22. дои : 10.1093/гликоб/cwl086 . ПМИД 17223647 .
- ^ Хасэ С., Икенака Т., Мацусима Ю. (ноябрь 1978 г.). «Анализ структуры олигосахаридов путем мечения редуцирующих концевых сахаров флуоресцентным соединением». Биохим. Биофиз. Рез. Коммун . 85 (1): 257–63. дои : 10.1016/S0006-291X(78)80037-0 . ПМИД 743278 .
- ^ Пабст М., Коларих Д., Пёлтль Г. и др. (январь 2009 г.). «Сравнение флуоресцентных меток олигосахаридов и внедрение нового метода очистки после мечения». Анальный. Биохим . 384 (2): 263–73. дои : 10.1016/j.ab.2008.09.041 . ПМИД 18940176 .
- ^ Шойч, Динко; Млинарич, Звонимир; Лаук, Гордан; Горник, Ольга; Новокмет, Мислав; Кесер, Тома (2022). «В поисках оптимальной гликановой флуоресцентной метки для отрицательного режима МС для высокопроизводительного анализа N-гликанов» . Границы в химии . 10 : 999770. дои : 10.3389/fchem.2022.999770 . ISSN 2296-2646 . ПМК 9574008 . ПМИД 36262345 .
- ^ Харви DJ, Бейтман Р.Х., Бордоли Р.С., Тилдесли Р. (2000). «Ионизация и фрагментация сложных гликанов с помощью квадрупольного времяпролетного масс-спектрометра, оснащенного источником ионов с матричной лазерной десорбцией/ионизацией». Быстрая коммуникация. Масс-спектр . 14 (22): 2135–42. Бибкод : 2000RCMS...14.2135H . doi : 10.1002/1097-0231(20001130)14:22<2135::AID-RCM143>3.0.CO;2-# . ПМИД 11114021 .
- ^ Шульц, БЛ; Пакер Нью-Хэмпшир, Нью-Хэмпшир; Карлссон, Н.Г. (декабрь 2002 г.). «Маломасштабный анализ O-связанных олигосахаридов из гликопротеинов и муцинов, разделенных гель-электрофорезом». Анальный. Хим . 74 (23): 6088–97. дои : 10.1021/ac025890a . ПМИД 12498206 .
- ^ Пабст М., Бондили Дж.С., Стадлманн Дж., Мах Л., Альтманн Ф. (июль 2007 г.). «Масса плюс время удерживания равно структуре: стратегия анализа N-гликанов с помощью углеродной ЖХ-ESI-MS и ее применение к N-гликанам фибрина». Анальный. Хим . 79 (13): 5051–7. дои : 10.1021/ac070363i . ПМИД 17539604 .
- ^ Рухаак Л.Р., Дилдер А.М., Вурер М. (май 2009 г.). «Анализ олигосахаридов методом жидкостной хроматографии-масс-спектрометрии на графитированном угле» . Анальная биоанальная химия . 394 (1): 163–74. дои : 10.1007/s00216-009-2664-5 . ПМИД 19247642 .
- ^ Цветы, Сара А.; Али, Лиакат; Лейн, Кэтрин С.; Олин, Магнус; Карлссон, Никлас Г. (01 апреля 2013 г.). «Мониторинг выбранных реакций для дифференциации и сравнительного количественного определения изомеров сульфатированных и несульфатированных основных 1 O-гликанов белка MUC7 слюны при ревматоидном артрите» . Молекулярная и клеточная протеомика . 12 (4): 921–931. дои : 10.1074/mcp.M113.028878 . ISSN 1535-9484 . ПМЦ 3617339 . ПМИД 23457413 .
- Варки, Аджит; Каммингс, Ричард; Эско, Джеффри; Замри, Хадсон; Харт, Джеральд; Март, Джейми, ред. (1999). Основы гликобиологии . Колд-Спринг-Харбор, штат Нью-Йорк: Лабораторное издательство Колд-Спринг-Харбор. ISBN 978-0-87969-559-0 . НБК20709.
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Эмануал Маверакис; и др. (2015). «Гликаны в иммунной системе и теория аутоиммунитета с измененными гликанами» . Журнал аутоиммунитета . 57 : 1–13. дои : 10.1016/j.jaut.2014.12.002 . ПМЦ 4340844 . ПМИД 25578468 .