Glykozylácia Zásoba cukru na čiastočný úväzok PZ - Pharmazeutische Zeitung

Autor: Theo Dingermann a Ilse Zündorf/Nikto nemôže žiť bez cukru. To v žiadnom prípade nejde len o to, že chýba hlavný zdroj energie. Bez správnych molekúl cukru nefungujú bunkové membrány a bielkoviny, imunitný systém zablúdi a sliznice vyschnú. Takže cukor má prácu na plný aj čiastočný úväzok. Niektoré z týchto úloh stojí za to sa bližšie pozrieť.

glykozylácia

Cukor - slovo, ktoré polarizuje. Vzbudzuje zvodné asociácie a v nasledujúcom okamihu sa stáva nočnou morou. Čo sa však vlastne myslí, keď hovoríme o cukre?

  • Väčšina ľudí myslí na disacharid sacharózu, keď hovorí o cukre, najdôležitejšom sladidle v potravinárskom priemysle. V tejto molekule sú dva monosacharidy glukóza a fruktóza spojené neobvyklou glykozidovou väzbou, ktorá zbavuje monosacharidy značnej časti ich reaktivity.
  • Iní myslia na glukózu, molekulu cukru, bez ktorej náš mozog nedokáže myslieť. Na druhej strane glukóza hrá ústrednú úlohu v patogenéze jednej z najväčších súčasných epidémií, diabetes mellitus.
  • Pravdepodobne menšina spája termín cukor s úctyhodnou skupinou chemicky veľmi podobných molekúl, ktoré môžu byť biochemicky veľmi zvláštne. Zástupcovia tejto skupiny, medzi ktorú samozrejme tiež patria glukóza, fruktóza a sacharóza, môžu vytvárať zlúčeniny navzájom, ale aj s inými triedami molekúl, ako sú lipidy a proteíny, a v tejto forme preberajú fyziologicky veľmi dôležité biologické funkcie.

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

Cukor robí rozdiel: v muffinách, ako aj v bunkách, bielkovinách a lipidoch.

Cukry teda v žiadnom prípade nie sú „len“ zdrojom energie. Sú stavebnými kameňmi biomembrán a bunkových stien. Pôsobia ako zložky sekundárnych rastlinných zložiek a dodávajú im zvláštne rozpúšťacie vlastnosti, lepšiu stabilitu a niekedy dokonca typické spektrum účinku. Slúžia ako dokovacie body pre vírusy alebo bakteriálne toxíny a ako rozpoznávacie body pre interakcie bunka-bunka. Pomáhajú pri správnom skladaní proteínov a označujú proteíny pre ich cestu do určitých bunkových organel alebo do extracelulárnych kompartmentov. Cukry navyše chránia množstvo bielkovín pred príliš rýchlou hydrolytickou degradáciou proteázami, a tým ovplyvňujú ich farmakokinetiku. A ak oligosacharidové reťazce nie sú zostavené správne, môžu spustiť imunologické reakcie a iné poruchy. Cukry tak strážia biologickú integritu.

Glukóza: východisková molekula v metabolizme

V určitom zmysle glukóza vzniká z ničoho - veľmi zjednodušene. Ak semená rastlín padnú na zem, časom z nich vyrastie obrovské množstvo biomasy, bez potreby „ďalšieho prikrmovania“. Zo vzduchu (CO2), vody a svetla, ako aj z niekoľkých stopových prvkov (dusík, síra, fosfát a ďalšie), ktoré sú v pôde všadeprítomné, sa pri fotosyntéze vytvára glukóza. Toto používajú autotrofné organizmy ako základný materiál na syntézu všetkých ostatných biomolekúl.

Fotosyntéza produkuje 2 x 10 11 ton D-glukózy ročne, väčšina z nich zostáva vo forme mono-, oligo- a polysacharidov na úrovni sacharidov. Iba 5 percent sa podieľa na syntéze ďalších primárnych a sekundárnych metabolitov (1).

Obrázok 1: Prehľad dôležitých štruktúr cukru; symboly sú zobrazené vedľa skratiek mien.

Grafika: Stephan Spitzer

Konverzia glukózy na iné molekuly cukru vedie k vzniku hexóz fruktózy, galaktózy a manózy, pentóz arabinózy, fukózy, ribózy a xylózy, aminokyselín glukozamínu, N-acetylglukozamínu, galaktozamínu, N-acetylgalaktozamínu a kyseliny N-acetylneuramínovej (kyselina sialová) ( Obrázok 1). Podobne ako aminokyseliny v prípade proteínov a nukleotidy v prípade nukleových kyselín, slúžia tieto monosacharidy ako syntetické stavebné prvky pre obrovské množstvo oligo- a polysacharidov. S jedným dôležitým rozdielom: Zatiaľ čo sú jednotlivé monoméry veľmi rovnomerne spojené v lineárnych proteínoch a nukleových kyselinách a informácie sú obsiahnuté iba v počte a postupnosti stavebných blokov, v uhľohydrátoch vedie poloha a konfigurácia glykozidovej väzby, ako aj rôzne vetvy k jednej extrémne vysoká hustota informácií. Glykozylácia má preto obrovskú biologickú akumulačnú kapacitu, ktorá ďaleko prevyšuje kapacitu klasických informačných nosičov, ako sú nukleové kyseliny a proteíny.

Všetky funkcie cukru možno len ťažko predstaviť v jednom recenznom článku. Zameriavame sa preto hlavne na značenie biologických povrchov vo forme glykokalyxu a na funkciu cukrových reťazcov v glykoproteínoch.

Glycocalyx

Vonkajší povrch eukaryotických buniek je „zdobený“ sieťou polysacharidov; toto je známe ako glykokalyx. Podrobné zloženie tohto glykokalyxu je také vysoko individuálne, že iba identické dvojčatá majú chemicky identický glykokalyx. To naznačuje, že táto komplexná sieť cukru plní veľmi dôležité úlohy.

Glykokalyx chráni plazmatickú membránu okrem iného pred nekontrolovanou fúziou s inými membránami a ohraničuje bunku zvonku. Obsahuje však aj zložky, pomocou ktorých ho možno rozpoznať podľa iných buniek tela, ako aj podľa baktérií, vírusov a toxínov; toto je základ pre procesy adhézie buniek. Niekoľko príkladov biologických funkcií glykokalyxu:

  • Rozpoznávanie bunky-bunky prostredníctvom membránových antigénov,
  • Receptorové a »zachytávacie funkcie« pri príjme látky prostredníctvom endocytózy,
  • Väzba protilátok na antigény krvných skupín na erytrocytoch,
  • Adhézia a následná extravazácia leukocytov na endotelových bunkách ciev,
  • Hnojenie vajíčok spermiou alebo
  • Väzba hemaglutinínov chrípkových vírusov na sialové kyseliny glykokalyxu.

Intracelulárne membrány môžu niesť aj glykokalyx, ktorý je nasmerovaný do lúmenu organel. Glykokalyx lyzozómov je bohatý na ťažko odbúravateľné cukrové štruktúry, ktoré zabraňujú deštrukcii lyzozomálnych membrán mnohými agresívnymi lyzozomálnymi molekulami.

Cukorové štruktúry sú zakotvené v membránach pomocou integrálnych membránových lipidov (glykolipidov) a membránových proteínov (glykoproteínov).

Glykolipidy

Obrázok 2: Štruktúra gangliozidu GM3. Tento glykosfingolipid pozostáva z ceramidu, ktorý je zložený z aminoalkohol sfingozínu s naviazanou mastnou kyselinou. Ak je cukrový zvyšok pripojený k hydroxylovej skupine sfingozínu, vytvorí sa cerebrosid, tu glukocerebrozid. Pre GM3 sa pridá galaktóza a zvyšok kyseliny N-acetylneuramínovej (symboly pre cukor sú uvedené na obrázku 1).

Grafika: Stephan Spitzer

Glykolipidy sú dôležitou súčasťou bunkovej membrány a významne prispievajú k glykokalyxu. Lipofilnú časť tvorí sfingozín, ku ktorého aminoskupine je pripojená mastná kyselina; táto jednotka je tiež známa ako ceramid (obrázok 2). Na hydroxylovú skupinu sa teraz môžu viazať rôzne cukry ako mono- alebo oligosacharidy. V najjednoduchšej forme s glukózou sa vytvára glukozylceramid.

Všeobecne sa ceramid, na ktorý je naviazaná iba jedna hexóza, nazýva cerebrozid; podľa toho možno rozlíšiť galaktocerebrozidy a glukocerebrozidy, ktoré majú viazanú galaktózu alebo glukózu. Gangliosidy sú na druhej strane glykosfingolipidy, v ktorých je niekoľko molekúl cukru viazaných na ceramid, pričom je obsiahnutá najmenej jedna kyslá kyselina sialová a jeden alebo zvyčajne niekoľko zvyškov kyseliny acetylneuramínovej (Neu5Ac).

Napriek vysokej rozmanitosti a zložitosti štruktúr existuje niekoľko významných príkladov, z ktorých najznámejšie sú určite determinanty krvných skupín A a B. Tieto navzájom úzko súvisia a majú spoločného predchodcu: dojčatá exprimujú vo svojich červených krvinkách iba to, čo je známe ako antigén H, čo je sekvencia pozostávajúca z piatich molekúl cukru, ktorá je naviazaná na lipid alebo proteín (obrázok 3). Antigény krvných skupín pre dospelých sa vyvíjajú z tohto prekurzora pomocou špecifických glykozyltransferáz na pripojenie buď N-acetylglukozamínového zvyšku (krvná skupina A) alebo inej zložky galaktózy (krvná skupina B) k galaktózovej jednotke antigénu H. Nosiče krvnej skupiny 0 neprodukujú ani enzým špecifický pre krvnú skupinu A, ani enzým špecifický pre krvnú skupinu B, takže k antigénu H nie je pripojený žiadny ďalší stavebný blok.

Je zaujímavé, že glykozylácia krvných buniek je spojená s rôznou citlivosťou na patogény a bola zjavne vysoko relevantná pre vývoj človeka. Napríklad ľudia s krvnou skupinou 0 vykazujú štatisticky ľahší priebeh choroby s maláriou (2). V oblastiach blízko rovníka so subtropickým podnebím, teda v prostredí biotopov komárov Anophelesov, dominuje táto krvná skupina so 40 až 90 percentami. V chladnejších oblastiach, kde sa malária nevyskytuje, je však krvná skupina 0 zastúpená oveľa menej často, maximálne však 40 percent.

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

Obrázok 3: Schematické znázornenie antigénov krvnej skupiny AB0 (symboly cukru, pozri obrázok 1)

Grafika: Stephan Spitzer

Dôležitosť glykolipidov možno vidieť aj na skutočnosti, že zmenené štruktúry sú často spojené s rakovinou alebo autoimunitnými ochoreniami. Napríklad IgA nefropatia a reumatoidná artritída sú výsledkom patologickej poruchy tvorby glykánových determinantov, ktorá vedie k zápalovej imunitnej reakcii.

Významnými príkladmi chorôb, na ktorých sa kriticky podieľajú glykolipidy, sú tiež lyzozomálne skladovacie choroby, ako je Gaucherova choroba, Pompeho choroba alebo Fabryho choroba. Tu je ovplyvnený lyzozomálny rozpad štruktúr, pretože pacienti nemôžu exprimovať určité glykozidázy.

Glykoproteíny

Glykoproteíny možno nájsť aj v extrémnej rozmanitosti, v ktorej možno rozlíšiť tri väčšie skupiny:

  • N-glykoproteíny,
  • O-glykoproteíny a
  • Glykoproteíny ukotvené pomocou GPI (3).

Zatiaľ čo glykoproteíny ukotvené prostredníctvom molekuly glykozylfosfatidylinozitolu (GPI) sú vždy spojené s membránou a tiež pomáhajú formovať glykokalyx, N- a O-glykoproteíny sa vyskytujú v rozpustnej aj membránovo viazanej forme.

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

Obrázok 4: Schematické znázornenie N-glykánov na proteínoch (príklady). V závislosti na tom, ktoré a koľko molekúl cukru je pripojených k základnej štruktúre (zvýraznené bielou farbou), sa rozlišuje medzi vysokomanózovými, komplexnými a hybridnými glykozyláciami. Možný zvyšok fukózy na prvom N-acetylglukozamíne má dôležitú funkciu (symboly cukru, pozri obrázok 1).

Grafika: Stephan Spitzer

U ľudí je do procesov glykozylácie zapojených viac ako 100 glykozyltransferáz, glykozidáz a transportérov. Tieto enzýmy sa nachádzajú v cytosóle, v endoplazmatickom retikule (ER), v Golgiho aparáte a v lyzozómoch. Hlavné činnosti proteínovej glykozylácie prebiehajú v ER a Golgiho aparáte. Pri takzvanom N-glykánovom spracovaní sú oligosacharidové štruktúry štruktúrované na svojej ceste na bunkový povrch alebo v určitých organelách, napríklad v lyzozómoch, ale sú modelované veľmi zložitým spôsobom.

N-glykozylácia vždy prebieha v proteíne v zhodnej sekvencii pozostávajúcej z asparagínu, akejkoľvek aminokyseliny a serínu alebo treonínu (Asn-X-Ser/Thr). Na amidovej postrannej skupine L-asparagínu (Asn) je sacharidová zložka obvykle spojená s peptidovým reťazcom prostredníctvom N-acetyl-D-glukozamínu (GlcNAc) (4-6).

Spoločná pre všetky typy N-glykánov je exkluzívna štruktúra jadra Man3GlcNAc2 („jadro trimanozyl-chitobiozyl“, obrázok 4). S N-acetylglukozaminyltransferázami (GnT) I až VI môže byť špecificky spojených až päť N-acetylglukozamínov (GlcNAc). Podľa počtu pripojených GlcNAc sa rozlišuje medzi bi-, tri-, tetra- a penta-anténnymi komplexnými N-glykánmi. Koncové kyseliny sialové sú vysoko relevantné pre konformáciu a funkciu proteínu kvôli svojej veľkosti, polohe a negatívnemu náboju. Okrem toho sú sialové kyseliny dôležitou rozpoznávacou sekvenciou pre receptory.

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

Obrázok 5: Schematické znázornenie O-glykánov na proteínoch (príklady). Nie je vidieť žiadnu jadrovú štruktúru.

Grafika: Stephan Spitzer

Komplexné N-glykány môžu byť tiež fukozylované na báze N-acetyl-D-glukozamínu. Táto základná fukozylácia IgG protilátok je mimoriadne dôležitá pre rozsah protilátkou sprostredkovanej bunkovej cytotoxicity (ADCC), ktorá sa dnes určuje pre každú protilátku používanú v onkológii.

O-glykozylácie modifikujú serínové alebo treonínové zvyšky. Sú zložitejšie a menej preskúmané ako N-glykozylácie. Zatiaľ nie je známa žiadna fixná aminokyselinová sekvencia pre O-glykozidicky viazané sacharidy. Prvý sacharid naviazaný na aminokyselinu je buď N-acetylgalaktozamín (GalNAc), N-acetylglukozamín (GlcNAc), manóza (Man), fukóza (Fuc) alebo glukóza (Glc) (obrázok 5). Špeciálny druh O-glykozylácie sa nachádza v bunke a tu dokonca aj v bunkovom jadre. Modifikácia histónov zvyškami O-GlcNAc je variantom histónového kódu, ktorý pomáha regulovať génovú expresiu.

Glykozylácia ako ochrana hranice a proteázy

Vo väčšine prípadov sú extracelulárne proteíny glykozylované. Hydrofilné glykány, ktoré sú väčšinou kyslé kvôli záporne nabitým kyselinám sialovým, významne prispievajú k rozpustnosti proteínov vo vode. Pravdepodobne iba pomocou týchto modifikácií je možné dosiahnuť pozoruhodne vysoké koncentrácie proteínov v ľudskej krvnej plazme okolo 50 až 70 mg/ml. Negatívne nabité kyseliny sialové glykokonjugátov a sulfátové a karboxylátové zvyšky glykozaminoglykánov navyše dodávajú bunkám ich negatívny povrchový náboj a definujú kritické difúzne bariéry.

Hustá vrstva mucínov, ktorá sa ukladá na mnohých epiteloch, napríklad dýchacích cestách a čreve, funguje ako kritická bariéra a chráni organizmus pred inváziou mikroorganizmov. Ak dôjde k prerušeniu týchto vrstiev, napríklad z dôvodu genetických defektov, môže to mať veľmi vážne následky, ako je opakovaný zápal a zvýšené riziko rakoviny.

Bariérová funkcia je podporená skutočnosťou, že mucíny, ktoré sú husto nabité O-glykánmi, sú zreteľne chránené pred štiepením proteázami. V skutočnosti sa rozsiahle segmenty niektorých mucínov nedajú štiepiť ani experimentálne používanou proteinázou K. Ochrana, ktorú silná glykozylácia ponúka pred proteázami, sa tiež používa špeciálne pre liečivé látky, napríklad derivát erytropoetínu darbepoetín alfa.

Úpravy cukru navyše dodávajú mucínom ich dôležitú mazaciu funkciu. Dôležitosť tejto vlastnosti sa ukáže pri poruchách. Pacienti, ktorých rádioterapiou alebo Sjogrenovým syndrómom je narušená funkcia slinných žliaz, trpia výraznými funkčnými problémami v oblasti hlavy a krku a problémami so stravovaním v dôsledku ťažkého prehĺtania. Je možné myslieť aj na kritickú lubrikačnú funkciu hyaluronanu, vysokomolekulárneho polysacharidu v spojivovom tkanive, v telesných tekutinách, ako je synoviálna tekutina v kĺbových dutinách a v slznej tekutine oka. Tu sa musia deficity terapeuticky nahradiť.

Nesprávna glykozylácia: príčina ochorenia