Glikozilezés A részmunkaidőben PZ - Pharmazeutische Zeitung

Theo Dingermann és Ilse Zündorf/Senki sem élhet cukor nélkül. Ez korántsem csak azért van, mert hiányzik egy fő energiaforrás. Megfelelő cukormolekulák nélkül a sejtmembránok és a fehérjék nem működnek, az immunrendszer eltévelyedik és a nyálkahártya kiszárad. Tehát a cukornak teljes és részmunkaidős állása van. Érdemes alaposabban megvizsgálni ezeket a feladatokat.

Cukor - egy szó, amely polarizál. Csábító asszociációkat vált ki, és a következő pillanatban kísértetivé válik. De mit is jelent valójában, ha cukorról beszélünk?

A legtöbb ember a diszacharid-szacharózra gondol, amikor a cukorról, az élelmiszer-ipari legfontosabb édesítőszerről beszél. Ebben a molekulában a két monoszacharid glükóz és fruktóz egy szokatlan glikozid kötéssel kapcsolódik össze, amely a monoszacharidoktól reaktivitásuk jelentős részét rabolja el.
Mások a glükózra gondolnak, arra a cukormolekulára, amely nélkül az agyunk nem tud gondolkodni. Másrészt a glükóz központi szerepet játszik az egyik legnagyobb jelenlegi járvány, a diabetes mellitus patogenezisében.
Valószínűleg egy kisebbség hozzákapcsolja a cukor kifejezést kémiailag nagyon hasonló molekulák tekintélyes csoportjához, amelyek biokémiailag nagyon különlegesek lehetnek. Ennek a csoportnak a képviselői, amelyek természetesen glükózt, fruktózt és szacharózt is magukban foglalnak, vegyületeket képezhetnek egymással, de más molekulacsoportokkal, például lipidekkel és fehérjékkel is, és ebben a formában fiziológiailag nagyon releváns biológiai funkciókat töltenek be.

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

A cukor különbséget jelent: muffinokban, valamint sejtekben, fehérjékben és lipidekben.

Tehát a cukrok korántsem „csak” energiaforrások. Ezek a biomembránok és a sejtfalak építőelemei. A másodlagos növényi összetevők komponenseiként működnek, és különleges oldódási magatartást, jobb stabilitást és néha jellemző aktivitási spektrumukat is biztosítják számukra. Dokkoló pontként szolgálnak a vírusok vagy bakteriális toxinok számára, valamint felismerési pontként szolgálnak a sejt-sejt kölcsönhatásokhoz. Segítenek a megfelelő fehérje-hajtogatásban, és megjelölik a fehérjéket bizonyos sejtorganellákba vagy extracelluláris rekeszekbe való bejutáshoz. Ezenkívül a cukrok számos proteint megvédenek a proteázok általi túl gyors hidrolitikus lebomlástól, és ezáltal befolyásolják farmakokinetikájukat. Ha pedig az oligoszacharid-láncokat nem helyesen rakják össze, akkor immunológiai reakciókat és egyéb működési zavarokat válthatnak ki. A cukrok tehát vigyáznak a biológiai integritásra.

Glükóz: kiindulási molekula az anyagcserében

Bizonyos értelemben a glükóz a semmiből fakad - nagyon leegyszerűsítve. Ha a növényi magok a földre hullanak, akkor az idő múlásával hatalmas mennyiségű biomassza nő ki belőlük, anélkül, hogy bármilyen "kiegészítő táplálékra" lenne szükség. A glükóz a fotoszintézis során képződik levegőből (CO2), vízből és fényből, valamint néhány nyomelemből (nitrogén, kén, foszfát és mások), amelyek mindenütt jelen vannak a talajban. Ezt az autotróf organizmusok használják alapanyagként az összes többi biomolekula szintetizálásához.

A fotoszintézis évente 2 x 10 11 tonna D-glükózt termel, amelynek többsége mono-, oligo- és poliszacharidok formájában marad a szénhidrátok szintjén. Csak 5 százalék vesz részt más primer és szekunder metabolitok szintézisében (1).

1. ábra: A fontos cukorszerkezetek áttekintése; A szimbólumok a névrövidítések mellett jelennek meg.

Grafika: Stephan Spitzer

A glükóz más cukormolekulává történő átalakulása a hexóz fruktózhoz, galaktózhoz és mannózhoz, a pentózok arabinózhoz, fukózhoz, ribózhoz és xilózhoz, az aminosavakhoz glükózaminhoz, N-acetil-glükóz-aminhoz, galaktóz-aminhoz, N-acetil-galaktóz-aminhoz és N-acetil-neuraminsavhoz (szialinsav) vezet ( 1. ábra). A fehérjék esetében az aminosavakhoz és a nukleinsavak nukleotidjaihoz hasonlóan ezek a monoszacharidok szintetikus építőelemekként szolgálnak rengeteg oligo- és poliszacharidhoz. Egy fontos különbséggel: Míg az egyes monomerek nagyon egyenletesen kapcsolódnak a lineáris fehérjékben és nukleinsavakban, és az információkat csak az építőelemek száma és sorrendje tartalmazza, a szénhidrátokban a glikozidos kötés helyzete és konfigurációja, valamint a különféle ágak szintén egyhez vezetnek rendkívül nagy információsűrűség. A glikozilezés tehát óriási biológiai tárolókapacitással rendelkezik, amely messze meghaladja a klasszikus információhordozók, például a nukleinsavak és a fehérjékét.

Az összes cukorfunkció aligha ábrázolható egy áttekintő cikkben. Ezért elsősorban a biológiai felületek megjelölésére koncentrálunk glikokalyx formájában és a cukorláncok működésére a glikoproteinekben.

Glycocalyx

Az eukarióta sejtek kifelé néző felületét poliszacharidok hálózata "díszíti"; ezt glycocalyx néven ismerjük. Ennek a glikokalyxnak a részletes összetétele annyira egyedi, hogy csak azonos ikreknek van kémiailag azonos glycocalyxjük. Ez arra utal, hogy ez az összetett cukorhálózat nagyon fontos feladatokat lát el.

A glycocalyx többek között megvédi a plazmamembránt a más membránokkal való ellenőrizetlen összeolvadástól, és kívülről határolja a sejtet. De tartalmazza azokat az összetevőket is, amelyek révén más testsejtek, valamint baktériumok, vírusok és toxinok felismerhetik; ez az alapja a sejtadhéziós folyamatoknak. Néhány példa a glycocayx biológiai funkcióira:

Sejt-sejt felismerés membránantigéneken keresztül,
Receptor és »elkapó funkciók« az anyag endocitózis révén történő felvételének szolgálatában,
Antitestek kötődése a vércsoport antigénjeihez az eritrocitákon,
A leukociták tapadása és az azt követő extravazáció az erek endothelsejtjein,
A petesejtek megtermékenyítése spermával vagy
Az influenza vírusok hemagglutininjeinek kötődése a glycocalyx sziálsavaihoz.

Az intracelluláris membránok olyan glikokalyxet is hordozhatnak, amely az organellák lumenje felé irányul. A lizoszómák glycocalyxjében nehéz lebontani a cukorszerkezeteket, amelyek megakadályozzák a lizoszomális membránok pusztulását a sok agresszív lizoszomális molekula által.

A cukorszerkezeteket integrált membrán lipidek (glikolipidek) és membránfehérjék (glikoproteinek) rögzítik a membránokban.

Glikolipidek

2. ábra: A GM3 gangliozid szerkezete. Ez a glikoszfingolipid a ceramidból áll, amely egy megkötött zsírsavval alkotott amino-alkohol-szfingozinból áll. Ha a szfingozin hidroxilcsoportjához cukormaradék kapcsolódik, akkor cerebrozid képződik, itt glükocerebrozid. GM3 esetében galaktózt és N-acetil-neuraminsav-maradékot adnak hozzá (a cukor szimbólumokat lásd az 1. ábrán).

Grafika: Stephan Spitzer

A glikolipidek a sejtmembrán fontos alkotóelemei, és jelentősen hozzájárulnak a glikokalyxhoz. A lipofil részt szfingozin alkotja, amelynek aminosavához zsírsav kapcsolódik; ez az egység ceramid néven is ismert (2. ábra). A hidroxilcsoporthoz most különféle cukrok kötődhetnek mono- vagy oligoszacharidokként. A legegyszerűbb formában glükózzal a glükozilceramid képződik.

Általánosságban azt a ceramidot, amelyhez csak egy hexóz kötődik, cerebrozidnak nevezünk; ennek megfelelően megkülönböztethetők azok a galaktocerebrozidok és glükocerebrozidok, amelyek megkötötték a galaktózt vagy a glükózt. A gangliozidok viszont olyan glikoszfingolipidek, amelyekben több cukormolekula kapcsolódik a ceramidhoz, legalább egy savas sziálsav és egy vagy általában több acetilneuraminsav (Neu5Ac) maradvány található.

A szerkezetek nagy változatossága és összetettsége ellenére van néhány kiemelkedő példa, amelyek közül a legismertebbek minden bizonnyal az A és B vércsoport meghatározó tényezői. Ezek szorosan kapcsolódnak egymáshoz, és közös prekurzoruk van: a csecsemők csak az úgynevezett H-antigént expresszálják vörösvértesteiken, egy lipidhez vagy fehérjéhez kötött öt cukormolekulából álló szekvenciához (3. ábra). A felnőtt vércsoport antigénjei ezen prekurzorból úgy fejlődnek ki, hogy vagy N-acetil-glükózamin-maradékot (A vércsoport), vagy más galaktóz-komponenst (B vércsoport) kötnek a H-antigén galaktóz-egységéhez specifikus glikozil-transzferázok segítségével. A 0 vércsoport hordozói nem termelik sem az A vércsoportra, sem a B vércsoportra specifikus enzimet, így a H antigénhez nem kapcsolódik további építőelem.

Érdekes, hogy a vérsejtek glikozilálása a kórokozók iránti különböző érzékenységgel társul, és nyilvánvalóan nagyon fontos volt az emberek evolúciós fejlődése szempontjából. Például a 0. vércsoportú emberek statisztikailag enyhébb kórfolyamatokat mutatnak malária fertőzéssel (2). Az egyenlítő közelében lévő szubtrópusi éghajlatú területeken, vagyis az Anopheles szúnyog élőhelyén ez a vércsoport 40-90 százalékkal dominál. A hűvösebb területeken viszont, ahol malária nem fordul elő, a 0. vércsoportot sokkal ritkábban, legfeljebb 40 százalékkal képviselik.

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

3. ábra: Az AB0 vércsoport antigének sematikus ábrázolása (a cukorszimbólumokat lásd az 1. ábrán)

Grafika: Stephan Spitzer

A glikolipidek fontossága abban is megmutatkozik, hogy a megváltozott struktúrák gyakran társulnak rákkal vagy autoimmun betegségekkel. Például az IgA nephropathia és a reumás ízületi gyulladás a glikán determinánsok képződésének kóros rendellenességéből adódik, amely gyulladásos immunválaszhoz vezet.

A glikolipidek kritikusan érintett betegségeinek kiemelkedő példái a lizoszomális raktározási betegségek, például a Gaucher-kór, a Pompe-kór vagy a Fabry-kór is. Itt a struktúrák lizoszómális lebontása érinti, mivel a betegek nem képesek bizonyos glikozidázokat expresszálni.

Glikoproteinek

A glikoproteinek szintén megtalálhatók az extrém változatosságban, három nagyobb csoportot kell megkülönböztetni:

N-glikoproteinek,
O-glikoproteinek és
GPI-re rögzített glikoproteinek (3).

Míg a glikozil-foszfatidil-inozit-molekulán (GPI) keresztül lehorgonyzott glikoproteinek mindig kapcsolódnak egy membránhoz, és segítenek a glikokalyx alakításában, az N- és O-glikoproteinek oldható és membránhoz kötött formában egyaránt előfordulnak.

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

4. ábra: Az N-glikánok sematikus ábrázolása fehérjéken (példák). Attól függően, hogy melyik és hány cukormolekula kapcsolódik a mag szerkezetéhez (fehér színnel kiemelve), megkülönböztetünk magas mannózszintű, komplex és hibrid glikozilezéseket. Az első N-acetil-glükózamin lehetséges fukózmaradékának fontos funkciója van (a cukor szimbólumokat lásd az 1. ábrán).

Grafika: Stephan Spitzer

Emberekben több mint 100 glikoziltranszferáz, glikozidáz és transzporter vesz részt a glikozilezési folyamatokban. Ezek az enzimek a citoszolban, az endoplazmatikus retikulumban (ER), a Golgi-készülékben és a lizoszómákban találhatók. A fehérjeglikozilezés fő tevékenységei az ER és a Golgi készülékben zajlanak. Az úgynevezett N-glikán-feldolgozás során az oligoszacharid-struktúrák a sejtfelszín felé vezető úton vagy bizonyos organellákban, például a lizoszómákban strukturálódnak, de nagyon komplex módon modellezik őket.

Az N-glikozilezés mindig egy fehérjében konszenzusos szekvencián megy végbe, amely aszparaginból, bármely aminosavból és szerinből vagy treoninból (Asn-X-Ser/Thr) áll. Az L-aszparagin (Asn) amid oldali csoportjánál a szénhidrát komponens általában N-acetil-D-glükózamin (GlcNAc) (4-6) útján kapcsolódik a peptidlánchoz.

Valamennyi N-glikán típusnál közös a kizárólagos Man3GlcNAc2 magstruktúra („Trimannozil-kitobiosil-mag”, 4. ábra). Az I-VI N-acetil-glükózaminil-transzferázokkal (GnT) legfeljebb öt N-acetil-glükózamin (GlcNAc) kapcsolható össze specifikusan. A csatolt GlcNAc száma alapján megkülönböztetünk bi-, tri-, tetra- és penta-antennás komplex N-glikánokat. A terminális sziálsavak méretük, helyzetük és negatív töltésük miatt nagyon relevánsak a fehérje konformációja és működése szempontjából. Ezenkívül a sziálsavak fontos felismerési szekvenciák a receptorok számára.

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

5. ábra: Az O-glikánok sematikus ábrázolása fehérjéken (példák). A mag szerkezete nem látható.

Grafika: Stephan Spitzer

A komplex N-glikánok fukozilezhetők az N-acetil-D-glükózamin bázisán is. Az IgG antitestek ezen magfukozilációja rendkívül releváns az antitest által közvetített sejtcitotoxicitás (ADCC) mértéke szempontjából, amelyet ma meghatároznak az onkológiában alkalmazott minden ellenanyagra.

Az O-glikozilezések módosítják a szerin vagy treonin maradványait. Összetettebbek és kevésbé kutatottak, mint az N-glikozilezések. Eddig nem ismert rögzített aminosav-szekvencia az O-glikozidszerűen kötött szénhidrátokhoz. Az első aminosavhoz kapcsolt szénhidrát vagy az N-acetil-galaktozamin (GalNAc), az N-acetil-glükózamin (GlcNAc), a mannóz (Man), a fukóz (Fuc) vagy a glükóz (Glc) (5. ábra). Az O-glikozilezés egy speciális fajtája a sejten belül található, itt még a sejtmagban is. A hisztonok O-GlcNAc-maradékokkal történő módosítása a hiszton-kód egyik változata, amely segít szabályozni a génexpressziót.

A glikozilezés mint határ- és proteázvédelem

A legtöbb esetben az extracelluláris fehérjék glikozilezettek. A hidrofil glikánok, amelyek a negatív töltésű sziálsavak miatt többnyire savasak, jelentősen hozzájárulnak a fehérjék vízoldékonyságához. Valószínűleg csak ezeken a módosításokon keresztül válik lehetővé az emberi vérplazmában az 50–70 mg/ml körüli figyelemre méltóan magas fehérjekoncentráció. Ezenkívül a glikokonjugátumok negatív töltésű sziálsavai, valamint a glikozaminoglikánok szulfát- és karboxilát-maradékai negatív felületi töltetet adnak a sejteknek, és meghatározzák a kritikus diffúziós akadályokat.

A sűrű nyálkahártyaréteg, amely sok hámban, például a légzőrendszerben és a belekben lerakódik, kritikus akadályként funkcionál, és megvédi a szervezetet a mikroorganizmusok általi inváziótól. Ha ezek a rétegek elszakadnak, például genetikai hibák miatt, ennek nagyon súlyos következményei lehetnek, például visszatérő gyulladás és megnövekedett rákos kockázat.

A gátfunkciót alátámasztja az a tény, hogy az O-glikánokkal sűrűn tömött mucinákat egyértelműen proteázok védik a hasítás ellen. Valójában egyes mucinok kiterjedt szegmenseit még a sok kísérleti úton alkalmazott proteináz K sem tudja hasítani. Az erős glikozilezés proteázokkal szembeni védelmét kifejezetten gyógyászati anyagok esetében is alkalmazzák, például az alfa-darbepoetin eritropoietin-származékkal.

Ezenkívül a cukor módosítások a nyálkahártyáknak fontos kenő funkciót adnak. Ennek a tulajdonságnak a fontossága akkor válik világossá, amikor hibák jelentkeznek. Azok a betegek, akiknek nyálmirigy-működését sugárkezelés vagy Sjogren-szindróma károsítja, a fej és a nyak területén jelentős funkcionális problémákkal és az étkezéssel kapcsolatos problémákkal küzdenek a nehéz nyelés miatt. Gondolhatunk a hialuronán, a kötőszövetben lévő nagy molekulájú poliszacharid, a testfolyadékok, például az ízületi üregekben lévő szinoviális folyadék és a szem könnyfolyadékának kritikus kenési funkciójára is. Itt a hiányokat terápiás úton kell pótolni.

Helytelen glikozilezés: a betegség oka