Глікозилювання Цукровий фонд на підробітку PZ - Pharmazeutische Zeitung

Тео Дінгерманн та Ільзе Цюндорф/Ніхто не може жити без цукру. Це аж ніяк не лише через відсутність основного джерела енергії. Без правильних молекул цукру клітинні мембрани та білки не працюють, імунна система збивається з шляху, а слизові пересихають. Тож цукор має повну та неповну зайнятість. Варто уважніше розглянути деякі з цих завдань.

цукровий

Цукор - слово, яке поляризує. Це викликає спокусливі асоціації і стає примарою в наступний момент. Але що насправді мається на увазі, коли ми говоримо про цукор?

  • Більшість людей думають про дисахаридну сахарозу, коли говорять про цукор - найважливіший підсолоджувач у харчовій галузі. У цій молекулі два моносахариди глюкоза і фруктоза пов'язані незвичайним глікозидним зв'язком, який позбавляє моносахариди значної частини їх реакційної здатності.
  • Інші думають про глюкозу, молекулу цукру, без якої наш мозок не може мислити. З іншого боку, глюкоза відіграє центральну роль у патогенезі однієї з найбільших сучасних епідемій, цукрового діабету.
  • Ймовірно, меншість пов’язує термін цукор з гідною групою хімічно дуже подібних молекул, які можуть бути біохімічно дуже особливими. Представники цієї групи, до яких, звичайно, також входять глюкоза, фруктоза та сахароза, можуть утворювати сполуки між собою, але також з іншими класами молекул, такими як ліпіди та білки, і в цій формі виконують фізіологічно дуже відповідні біологічні функції.

"width =" 550 "height =" 121 "/>

Цукор має різницю: у булочках, а також клітинах, білках та ліпідах.

Отже, цукор - це далеко не «просто» джерело енергії. Вони є будівельними елементами біомембран і клітинних стінок. Вони діють як компоненти вторинних рослинних складових і надають їм особливої ​​поведінки розчину, кращої стабільності та інколи навіть типового спектру активності. Вони служать місцями стикування вірусів або бактеріальних токсинів і точками розпізнавання взаємодій клітин-клітин. Вони допомагають у правильному згортанні білків і позначають білки на шляху їх проникнення в певні клітинні органели або в позаклітинні відділи. Крім того, цукри захищають низку білків від надто швидкої гідролітичної деградації протеазами і тим самим впливають на їх фармакокінетику. І якщо олігосахаридні ланцюги неправильно складені, вони можуть викликати імунологічні реакції та інші збої. Таким чином, цукри стежать за біологічною цілісністю.

Глюкоза: вихідна молекула в метаболізмі

У певному сенсі глюкоза виникає з нічого - дуже спрощеними термінами. Якщо насіння рослин падають на землю, з часом із них виростає величезна кількість біомаси, без необхідності будь-якого «додаткового підживлення». Глюкоза утворюється під час фотосинтезу з повітря (CO2), води та світла, а також кількох мікроелементів (азот, сірка, фосфат та інші), які є всюдисущими в грунті. Це використовується автотрофними організмами як основний матеріал для синтезу всіх інших біомолекул.

Фотосинтез виробляє 2 х 10 11 тонн D-глюкози на рік, більша частина якої залишається у вигляді моно-, оліго- та полісахаридів на рівні вуглеводів. Лише 5 відсотків беруть участь у синтезі інших первинних та вторинних метаболітів (1).

Рисунок 1: Огляд важливих цукрових структур; символи відображаються поруч із абревіатурами назв.

Графіка: Стефан Спітцер

Перетворення глюкози в інші молекули цукру призводить до гексоз фруктози, галактози та манози, пентоз арабінози, фукози, рибози та ксилози, аміноцукрів глюкозаміну, N-ацетилглюкозаміну, галактозаміну, N-ацетилгалактозаміну та N-ацетилнейрамінової кислоти Ілюстрація 1). Подібно до амінокислот у випадку білків та нуклеотидів у випадку нуклеїнових кислот, ці моносахариди служать синтетичними будівельними блоками для величезної кількості оліго- та полісахаридів. З однією важливою відмінністю: Хоча окремі мономери дуже рівномірно пов’язані між собою в лінійних білках та нуклеїнових кислотах, а інформація міститься лише у кількості та послідовності будівельних блоків, у вуглеводах положення та конфігурація глікозидного зв’язку, а також різні гілки також ведуть до одного надзвичайно висока щільність інформації. Отже, глікозилювання має величезну біологічну ємність зберігання, що значно перевищує здатність класичних носіїв інформації, таких як нуклеїнові кислоти та білки.

Всі функції цукру навряд чи можна представити в одній оглядовій статті. Тому ми в основному концентруємося на маркуванні біологічних поверхонь у вигляді глікокаліксу та на функції цукрових ланцюгів у глікопротеїнах.

Глікокалікс

Повернена назовні поверхня еукаріотичних клітин «прикрашена» мережею полісахаридів; це відомо як глікокалікс. Детальний склад цього глікокаліксу настільки індивідуальний, що лише однояйцеві близнюки мають хімічно ідентичний глікокалікс. Це говорить про те, що ця складна мережа цукру виконує дуже важливі завдання.

Глікокалікс захищає плазматичну мембрану, серед іншого, від неконтрольованого злиття з іншими мембранами та обмежує клітину зовні. Але він також містить компоненти, за допомогою яких його можуть розпізнати інші клітини організму, а також бактерії, віруси та токсини; це основа для процесів адгезії клітин. Кілька прикладів біологічних функцій глікокайксу:

  • Розпізнавання клітинних клітин за допомогою мембранних антигенів,
  • Рецепторні та «вловлюючі функції» у службі поглинання речовини через ендоцитоз,
  • Зв’язування антитіл з антигенами групи крові на еритроцитах,
  • Адгезія і подальша екстравазація лейкоцитів на ендотеліальних клітинах судин,
  • Запліднення яєць спермою або
  • Зв’язування гемаглютинінів вірусів грипу із сіаловими кислотами глікокаліксу.

Внутрішньоклітинні мембрани також можуть нести глікокалікс, який спрямований у просвіт органел. Глікокалікс лізосом багатий на важко розщеплюються цукрові структури, які перешкоджають руйнуванню лізосомних мембран безліччю агресивних лізосомних молекул.

У мембранах цукрові структури закріплені цілісними мембранними ліпідами (гліколіпідами) та мембранними білками (глікопротеїни).

Гліколіпіди

Рисунок 2: Будова гангліозиду GM3. Цей глікосфінголіпід складається з кераміду, до складу якого входить аміноспирт сфінгозин зі зв’язаною жирною кислотою. Якщо до гідроксильної групи сфінгозину приєднаний залишок цукру, утворюється цереброзид, тут глюкоцереброзид. Для GM3 додають галактозу та залишок N-ацетилнейрамінової кислоти (символи цукру див. На малюнку 1).

Графіка: Стефан Спітцер

Гліколіпіди є важливими компонентами клітинної мембрани та вносять значний внесок у глікокалікс. Ліпофільна частина утворена сфінгозином, до аміногрупи якого приєднана жирна кислота; цей блок також відомий як керамід (рис. 2). Тепер різні цукри можуть бути зв’язані з гідроксильною групою як моно- або олігосахариди. У найпростішій формі з глюкозою утворюється глюкозилцерамід.

Загалом, керамід, до якого пов’язана лише одна гексоза, називається цереброзидом; відповідно, можна виділити галактоцереброзиди та глюкоцереброзиди, які зв’язані з галактозою або глюкозою. З іншого боку, гангліозиди - це глікосфінголіпіди, у яких кілька молекул цукру пов'язані з церамідом, що містять принаймні одну кислу сиалову кислоту та один або, як правило, кілька залишків ацетилнейрамінової кислоти (Neu5Ac).

Незважаючи на велику різноманітність і складність структур, є кілька яскравих прикладів, найвідоміші з яких, безумовно, є детермінантами груп крові А і В. Вони тісно пов’язані і мають загальний попередник: немовлята експресують лише те, що відомо як антиген Н, на своїх еритроцитах - послідовність, що складається з п’яти молекул цукру, яка зв’язана з ліпідом або білком (рис. 3). Антигени групи крові дорослої людини розвиваються з цього попередника, приєднуючи або залишок N-ацетилглюкозаміну (група крові А), або інший компонент галактози (група крові В) до галактозної одиниці антигену Н за допомогою специфічних глікозилтрансфераз. Носії групи крові 0 не виробляють ні ферменту, специфічного для групи крові A, ні ферменту, специфічного для групи крові B, так що подальший будівельний матеріал не приєднується до антигену H.

Цікаво, що глікозилювання клітин крові пов’язано з різною сприйнятливістю до патогенних мікроорганізмів і, мабуть, було дуже важливим для еволюційного розвитку людини. Наприклад, люди з групою крові 0 демонструють статистично більш м’які курси захворювання із зараженням малярією (2). У районах поблизу екватора з субтропічним кліматом, тобто середовищем існування комара Anopheles, ця група крові домінує від 40 до 90 відсотків. Однак у прохолодних районах, де малярія не спостерігається, група крові 0 представлена ​​набагато рідше - максимум 40 відсотків.

"width =" 191 "height =" 212 "/>

Рисунок 3: Схематичне зображення антигенів групи крові AB0 (символи цукру див. На малюнку 1)

Графіка: Стефан Спітцер

Важливість гліколіпідів також можна побачити в тому, що змінені структури часто асоціюються з раком або аутоімунними захворюваннями. Наприклад, IgA-нефропатія та ревматоїдний артрит виникають внаслідок патологічної недостатності у формуванні детермінант глікану, що призводить до запальної імунної відповіді.

Яскравими прикладами захворювань, при яких гліколіпіди є критично важливими, є також хвороби лізосомного зберігання, такі як хвороба Гоше, хвороба Помпе або хвороба Фабрі. Тут впливає лізосомальний розпад структур, оскільки пацієнти не можуть експресувати певні глікозидази.

Глікопротеїди

Глікопротеїни також можна знайти в надзвичайному різноманітті, в якому можна виділити три більші групи:

  • N-глікопротеїни,
  • O-глікопротеїди та
  • GPI-прикріплені глікопротеїни (3).

Хоча глікопротеїни, які закріплені за допомогою молекули глікозилфосфатидилінозитолу (GPI), завжди пов'язані з мембраною, а також допомагають формувати глікокалікс, N- та O-глікопротеїни зустрічаються як у розчинній, так і в мембранно-зв'язаній формі.

"width =" 191 "height =" 151 "/>

Малюнок 4: Схематичне зображення N-гліканів на білках (приклади). Залежно від того, які і скільки молекул цукру приєднано до основної структури (виділено білим кольором), розрізняють високоманозні, складні та гібридні глікозилювання. Можливий залишок фукози на першому N-ацетилглюкозаміні виконує важливу функцію (символи цукру див. На малюнку 1).

Графіка: Стефан Спітцер

У людини в процесах глікозилювання бере участь понад 100 глікозилтрансфераз, глікозидаз і транспортерів. Ці ферменти знаходяться в цитозолі, в ендоплазматичному ретикулумі (ER), в апараті Гольджі та в лізосомах. Основна діяльність глікозилювання білків відбувається в ЕР та апараті Гольджі. При так званій обробці N-глікану олігосахаридні структури структуровані на шляху до поверхні клітини або в певних органелах, наприклад лізосомах, але моделюються дуже складно.

N-глікозилювання завжди відбувається в білку за консенсусною послідовністю, що складається з аспарагіну, будь-якої амінокислоти та серину або треоніну (Asn-X-Ser/Thr). На бічній групі амідів L-аспарагіну (Asn) вуглеводний компонент зазвичай пов'язаний з пептидним ланцюгом через N-ацетил-D-глюкозамін (GlcNAc) (4-6).

Спільною для всіх типів N-гліканів є ексклюзивна серцевинна структура Man3GlcNAc2 («Триманносил-хітобіозил-серцевина», малюнок 4). З N-ацетилглюкозамінілтрансферазами (GnT) I-VI можуть бути специфічно пов'язані до п'яти N-ацетилглюкозамінів (GlcNAc). За кількістю приєднаного GlcNAc розрізняють бі-, три-, тетра- та пента-антенні комплекси N-гліканів. Кінцеві сіалові кислоти дуже важливі для конформації та функціонування білка через їх розмір, положення та негативний заряд. Крім того, сіалові кислоти є важливою послідовністю розпізнавання рецепторів.

"width =" 293 "height =" 151 "/>

Рисунок 5: Схематичне зображення O-гліканів на білках (приклади). Жодної основної структури не видно.

Графіка: Стефан Спітцер

Складні N-глікани також можуть бути фукозильовані в основі N-ацетил-D-глюкозаміну. Це основне фукозилювання антитіл IgG надзвичайно актуально для ступеня опосередкованої антитілами клітинної цитотоксичності (ADCC), яка сьогодні визначається для кожного антитіла, що використовується в онкології.

О-глікозилювання модифікують залишки серину або треоніну. Вони складніші та менш досліджені, ніж N-глікозилювання. Наразі не відомо жодної фіксованої послідовності амінокислот щодо вуглеводів, що зв’язані з О-глікозидами. Першим вуглеводом, зв’язаним з амінокислотою, є або N-ацетилгалактозамін (GalNAc), N-ацетилглюкозамін (GlcNAc), манноза (Man), фукоза (Fuc) або глюкоза (Glc) (рис. 5). Особливий вид О-глікозилювання знаходиться всередині клітини, а тут навіть всередині клітинного ядра. Модифікація гістонів із залишками O-GlcNAc є варіантом гістонового коду, який допомагає регулювати експресію генів.

Глікозилювання як захист кордону та протеази

У більшості випадків позаклітинні білки глікозильовані. Гідрофільні глікани, які в основному кислі завдяки негативно зарядженим сіаловим кислотам, суттєво сприяють розчинності білків у воді. Можливо, лише завдяки цим модифікаціям можливі надзвичайно високі концентрації білка в плазмі крові людини приблизно від 50 до 70 мг/мл. Крім того, негативно заряджені сіалові кислоти глікокон'югатів та сульфатні та карбоксилатні залишки глікозаміногліканів надають клітинам їх негативний поверхневий заряд і визначають критичні дифузійні бар'єри.

Щільний шар муцинів, який відкладається на багатьох епітеліях, наприклад, на дихальних шляхах і кишечнику, виконує функцію критичного бар'єру та захищає організм від вторгнення мікроорганізмів. Якщо ці шари порушені, наприклад через генетичні дефекти, це може мати дуже серйозні наслідки, такі як періодичне запалення та підвищений ризик раку.

Бар’єрна функція підтримується тим фактом, що муцини, щільно упаковані O-гліканами, чітко захищені від розщеплення протеазами. Насправді великі сегменти деяких муцинів неможливо розбити навіть за допомогою експериментально використовуваної протеїнази К. Захист, який забезпечує сильне глікозилювання проти протеаз, також використовується спеціально для лікарських речовин, наприклад, похідне еритропоетину дарбепоетин альфа.

Крім того, модифікації цукру надають муцинам важливу мастильну функцію. Важливість цієї властивості стає зрозумілою, коли трапляються збої. Пацієнти, у яких функція слинних залоз порушена через променеву терапію або синдром Шегрена, страждають від значних функціональних проблем в області голови та шиї та проблем з харчуванням через важке ковтання. Також можна подумати про критичну мастильну функцію гіалуронану, високомолекулярного полісахариду в сполучній тканині, в рідинах організму, таких як синовіальна рідина в порожнинах суглобів та слізної рідини ока. Тут дефіцит доводиться замінювати терапевтично.

Неправильне глікозилювання: причина захворювання