Гликозаминогликаны [1] ( ГАГ ) или мукополисахариды [2] представляют собой длинные линейные полисахариды , состоящие из повторяющихся дисахаридных единиц (т.е. двухсахарных единиц). Повторяющаяся двухсахарная единица состоит из уронового сахара и аминосахара , за исключением сульфатированного гликозаминогликана кератана , где вместо уронового сахара имеется галактозная единица. [3] ГАГ обнаружены у позвоночных, беспозвоночных и бактерий. [4]
Потому что ГАГ являются высокополярными молекулами и притягивают воду; организм использует их как смазку или амортизаторы.
Гликозаминогликаны сильно различаются по молекулярной массе, структуре дисахарида и сульфатированию. Это связано с тем, что синтез ГАГ не управляется матрицей, как белки или нуклеиновые кислоты, а постоянно изменяется под действием процессинговых ферментов. [5]
ГАГ подразделяются на четыре группы в зависимости от их основных дисахаридных структур: [6]
Гиалуроновая кислота (также известная как гиалуронан), которая синтезируется интегральными мембранными синтазами, которые немедленно секретируют динамически удлиненную дисахаридную цепь. [ нужны разъяснения ]
HSGAG и CSGAG
Модифицированные HSGAG и CSGAG протеогликаны сначала начинаются с консенсусного мотива Ser-Gly/Ala-X-Gly в коровом белке. Конструирование тетрасахаридного линкера, состоящего из -GlcAβ1–3Galβ1–3Galβ1–4Xylβ1-O-(Ser)-, где ксилозилтрансфераза , β4-галактозилтрансфераза (GalTI), β3-галактозилтрансфераза (GalT-II) и β3-GlcA трансфераза. (GlcAT-I) переносит четыре моносахарида, начинает синтез модифицированного GAG белка. Первая модификация тетрасахаридного линкера определяет, будут ли добавлены HSGAG или CSGAG. Добавление GlcNAc способствует добавлению HSGAG, тогда как добавление GalNAc к тетрасахаридному линкеру способствует развитию CSGAG. [6] GlcNAcT-I переносит GlcNAc на тетрасахаридный линкер, который отличается от гликозилтрансферазы GlcNAcT-II, фермента, который используется для построения HSGAG. Было показано, что EXTL2 и EXTL3, два гена из семейства опухолевых супрессоров EXT, обладают активностью GlcNAcT-I. И наоборот, GalNAc переносится на линкер с помощью фермента GalNAcT, чтобы инициировать синтез CSGAG, фермента, который может иметь или не иметь активность, отличную от трансферазной активности GalNAc хондроитинсинтазы. [6]
Что касается HSGAG, мультимерный фермент, кодируемый EXT1 и EXT2 семейства генов EXT, переносит как GlcNAc, так и GlcA для удлинения цепи HSGAG. При удлинении HSGAG динамически модифицируется, сначала N-деацетилазой, N-сульфотрансферазой ( NDST1 ), которая представляет собой бифункциональный фермент, который отщепляет N-ацетильную группу от GlcNAc и впоследствии сульфатирует N-положение. Затем уронилэпимераза C-5 превращает d-GlcA в l-IdoA с последующим 2- O- сульфатированием сахара уроновой кислоты 2 - O - сульфотрансферазой ( гепарансульфат-2-O-сульфотрансферазой ). Наконец, положения 6- O и 3- O фрагментов GlcNAc сульфатируются 6- O ( гепарансульфат-6-O-сульфотрансферазой ) и 3-O (3-OST) сульфотрансферазами.
Хондроитинсульфат и дерматансульфат, входящие в состав CSGAG, отличаются друг от друга наличием эпимеров GlcA и IdoA соответственно. Подобно производству HSGAG, уронилэпимераза C-5 превращает d-GlcA в l-IdoA с образованием дерматансульфата. Происходят три события сульфатирования цепей CSGAG: 4- O и/или 6- O сульфатирование GalNAc и 2- O сульфатирование уроновой кислоты. Четыре изоформы 4- O GalNAc сульфотрансфераз (C4ST-1, C4ST-2, C4ST-3 и D4ST-1) и три изоформы GalNAc 6- O сульфотрансфераз (C6ST, C6ST-2 и GalNAc4S-6ST). ответственен за сульфатирование GalNAc. [7]
Виды кератансульфата
В отличие от HSGAG и CSGAG, GAG третьего класса, принадлежащие к типам кератансульфата, стимулируются к биосинтезу посредством определенных мотивов белковой последовательности. Например, в роговице и хряще кератансульфатный домен агрекана состоит из серии тандемно повторяющихся гексапептидов с консенсусной последовательностью E(E/L)PFPS. [8] Кроме того, для трех других кератансульфатированных протеогликанов, люмикана , кератокана и мимекана ( OGN ), было установлено, что консенсусная последовательность NX(T/S) вместе с вторичной структурой белка участвует в удлинении N -связанных олигосахаридов с помощью кератансульфата. . [8] Удлинение кератансульфата начинается на невосстанавливающих концах трех связанных олигосахаридов, которые определяют три класса кератансульфата. Кератансульфат I (KSI) N -связан через олигосахарид-предшественник с высоким содержанием маннозы. Кератансульфат II (KSII) и кератансульфат III (KSIII) связаны O -связями, причем связи KSII идентичны связям основной структуры муцина , а KSIII связан с 2- O- маннозой. Удлинение полимера кератансульфата происходит за счет гликозилтрансферазного добавления Gal и GlcNAc. Присоединение галактозы происходит в основном за счет фермента β-1,4-галактозилтрансферазы (β4Gal-T1), тогда как ферменты, ответственные за β-3-нацетилглюкозамин, четко не идентифицированы. Наконец, сульфатирование полимера происходит в положении 6 обоих остатков сахара. Фермент KS-Gal6ST ( CHST1 ) переносит сульфатные группы на галактозу, тогда как N-ацетилглюкозаминил-6-сульфотрансфераза (GlcNAc6ST) ( CHST2 ) переносит сульфатные группы на концевой GlcNAc в кератансульфате. [9]
Класс гиалуроновой кислоты
Четвертый класс ГАГ, гиалуроновая кислота (ГК), не сульфатируется и синтезируется тремя белками трансмембранной синтазы HAS1 , HAS2 и HAS3 . HA, линейный полисахарид, состоит из повторяющихся дисахаридных единиц →4)GlcAβ(1→3)GlcNAcβ(1→ и имеет очень высокую молекулярную массу, от 10 5 до 10 7 Да. Каждый фермент HAS способен к трансгликозилированию. при поставке с UDP-GlcA и UDP-GlcNAc. [10] [11] HAS2 отвечает за очень крупные полимеры гиалуроновой кислоты, в то время как HA меньшего размера синтезируются HAS1 и HAS3. Хотя каждая изоформа HAS катализирует одну и ту же реакцию биосинтеза, каждая Изоформа HAS активна независимо. Также было показано, что изоформы HAS имеют разные значения K m для UDP-GlcA и UDPGlcNAc. [12] Считается, что из-за различий в активности и экспрессии фермента широкий спектр биологических функций, опосредованных HA, может регулироваться, например, его участие в регуляции нервных стволовых клеток в субгранулярной зоне мозга.
Фармакодинамика
HSGAG
Эндогенный гепарин локализуется и хранится в секреторных гранулах тучных клеток . Гистамин , присутствующий в гранулах, протонируется (H 2 A 2+ ) при pH внутри гранул (5,2–6,0), поэтому считается, что гепарин, который имеет сильный отрицательный заряд, электростатически удерживает и хранит гистамин. [13] В клинике гепарин применяется в качестве антикоагулянта, а также является препаратом первой линии при тромбоэмболических заболеваниях. [14] [15] Гепарансульфат (HS) обладает многочисленными биологическими активностями и функциями, включая клеточную адгезию, регуляцию роста и пролиферации клеток, процессы развития, связывание липопротеинлипазы и других белков с клеточной поверхностью, ангиогенез, вирусную инвазию и метастазирование опухоли. . [13]
CSGAG взаимодействуют с белками, связывающими гепарин, в частности, взаимодействия дерматансульфата с фактором роста фибробластов FGF-2 и FGF-7 участвуют в клеточной пролиферации и заживлении ран [16] , тогда как взаимодействия с печеночным фактором роста/фактором рассеяния (HGF/SF) активируют Сигнальный путь HGF/SF ( c-Met ) через его рецептор. CSGAG играют важную роль в обеспечении поддержки и адгезии костей, кожи и хрящей. Другие биологические функции, в которых CSGAG, как известно, играют решающую роль, включают ингибирование роста аксонов и регенерацию в развитии ЦНС, роль в развитии мозга, нейритогенную активность и инфекцию патогенов. [17]
Кератансульфаты
Одна из основных функций ГАГ третьего класса — кератансульфатов — поддержание гидратации тканей. [18] Кератансульфаты содержатся в костях, хрящах и роговице глаза. [19] В нормальной роговице дерматансульфат полностью гидратирован, тогда как кератансульфат гидратирован лишь частично, что позволяет предположить, что кератансульфат может вести себя как динамически контролируемый буфер для гидратации. [18] При болезненных состояниях, таких как макулярная дистрофия роговицы , при которых изменяются уровни ГАГ, таких как КС, потеря гидратации в строме роговицы считается причиной помутнения роговицы, что подтверждает давнюю гипотезу о том, что прозрачность роговицы снижается. зависит от надлежащего уровня кератансульфата. Кератансульфатные ГАГ обнаруживаются во многих других тканях, помимо роговицы, где они, как известно, регулируют адгезию макрофагов , образуют барьеры для роста нейритов , регулируют имплантацию эмбрионов в эндометрий, слизистую оболочку матки во время менструальных циклов и влияют на подвижность эндотелиальных клеток роговицы. [18] Таким образом, KS играет антиадгезионную роль, что предполагает очень важные функции KS в подвижности и прикреплении клеток, а также в других потенциальных биологических процессах.
Дерматансульфаты
Дерматансульфаты действуют в коже, сухожилиях, кровеносных сосудах и сердечных клапанах. [19]
Гиалуроновая кислота
Гиалуроновая кислота является основным компонентом синовиальных тканей и жидкости , а также основным веществом других соединительных тканей. Гиалуроновая кислота связывает клетки вместе, смазывает суставы и помогает поддерживать форму глазных яблок. [19] : Вязкоэластичность гиалуроновой кислоты делает ее идеальной для смазки суставов и поверхностей, которые движутся друг относительно друга, например хрящей. Раствор гиалуроновой кислоты при низком напряжении сдвига имеет гораздо более высокую вязкость, чем при высоком напряжении сдвига. [20] Гиалуронидаза , фермент, вырабатываемый лейкоцитами, сперматозоидами и некоторыми бактериями, расщепляет гиалуроновую кислоту, в результате чего раствор становится более жидким. [19]
In vivo гиалуроновая кислота образует хаотично извитые клубки, которые спутываются, образуя гиалуронановую сеть, замедляя диффузию и образуя диффузионный барьер, регулирующий транспорт веществ между клетками. Например, гиалуронан способствует распределению белков плазмы между сосудистыми и внесосудистыми пространствами, что влияет на растворимость макромолекул в интерстиции, изменяет химическое равновесие и стабилизирует структуру коллагеновых волокон. [20]
Другие функции включают взаимодействие матрикса с гиалуронан-связывающими белками, такими как гиалуронектин, глиальный гиалуронан-связывающий белок, обогащенный мозгом гиалуронан-связывающий белок, коллаген VI , TSG-6 и ингибитор интер-альфа-трипсина . Взаимодействия на клеточной поверхности с участием гиалуронана заключаются в его хорошо известном сочетании с CD44 , которое может быть связано с прогрессированием опухоли, а также с RHAMM ( гиалуронан-опосредованным рецептором подвижности ), который участвует в процессах развития, метастазировании опухоли и патологических репаративных процессах. Фибробласты, мезотелиальные клетки и некоторые типы стволовых клеток окружают себя перицеллюлярной «шубой», часть которой построена из гиалуронана, чтобы защитить себя от бактерий, эритроцитов или других молекул матрикса. Например, что касается стволовых клеток, гиалуронан вместе с хондроитинсульфатом помогает формировать нишу стволовых клеток . Стволовые клетки защищены от воздействия факторов роста щитом из гиалуронана и минимально сульфатированного хондроитинсульфата. Во время деления предшественников дочерняя клетка выходит за пределы этого перицеллюлярного щита, где на нее затем могут влиять факторы роста, чтобы дифференцироваться еще дальше.
^ Эско, Джеффри Д; Кимата, Кодзи; Линдаль, Ульф (2009). «Глава 16: Протеогликаны и сульфатированные гликозаминогликаны». Основы гликобиологии . Лабораторный пресс Колд-Спринг-Харбор. ISBN 978-0879695590.
^ ДеАнджелис, Пол Л. (1 ноября 2002 г.). «Эволюция гликозаминогликанов и их гликозилтрансфераз: значение для внеклеточных матриксов животных и капсул патогенных бактерий». Анатомическая запись . 268 (3): 317–326. дои : 10.1002/ar.10163 . ISSN 0003-276X. PMID 12382327. S2CID 38827411.
^ Калигур, Вики (2008). «Сульфатирование гликозаминогликанов и передача сигналов» . Проверено 25 ноября 2012 г.
^ abc Сасисекхаран, Рам; Раман, Рахул; Прабхакар, Викас (август 2006 г.). «Гликомический подход к структурно-функциональным взаимоотношениям гликозаминогликанов». Ежегодный обзор биомедицинской инженерии . 8 (1): 181–231. doi : 10.1146/annurev.bioeng.8.061505.095745 . ПМИД 16834555.
^ Куше-Гуллберг М., Челлен Л. (2003). «Сульфотрансферазы в биосинтезе гликозаминогликанов». Современное мнение в области структурной биологии . 13 (5): 605–11. doi :10.1016/j.sbi.2003.08.002. ПМИД 14568616.
^ Ямамото Ю., Такахаши И., Огата Н., Накадзава К. (2001). «Очистка и характеристика N-ацетилглюкозаминилсульфотрансферазы из куриной роговицы». Архив биохимии и биофизики . 392 (1): 87–92. дои : 10.1006/abbi.2001.2422. ПМИД 11469798.
^ Ёсида М., Итано Н., Ямада Ю., Кимата К. (2000). «Синтез гиалуронана in vitro с помощью одного белка, полученного из мышиного гена HAS1, и характеристика аминокислотных остатков, необходимых для его активности». Журнал биологической химии . 275 (1): 497–506. дои : 10.1074/jbc.275.1.497 . ПМИД 10617644.
^ аб Рабенштейн ДЛ. (2002). «Гепарин и гепарансульфат: строение и функции». Отчеты о натуральных продуктах . 19 (3): 312–31. дои : 10.1039/B100916H. ПМИД 12137280.
^ Джин Л., Абрахамс Дж.П., Скиннер Р., Петиту М., Пайк Р.Н., Каррелл Р.В. (1997). «Антикоагулянтная активация антитромбина гепарином». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 94 (26): 14683–88. Бибкод : 1997PNAS...9414683J. дои : 10.1073/pnas.94.26.14683 . ПМК 25092 . ПМИД 9405673.
^ Роден, Л. (1989). Лейн, Д.А. (ред.). Гепарин: химические и биологические свойства, клиническое применение . CRC Press, Inc. с. 1.
^ ab Троубридж Дж. М., Галло Р. Л. (2002). «Дерматансульфат: новые функции старого гликозаминогликана». Гликобиология . 12 (9): 117П–125П. дои : 10.1093/гликоб/cwf066 . ПМИД 12213784.
^ Сугахара К., Миками Т., Уяма Т., Мизугути С., Номура К., Китагава Х. (2003). «Последние достижения в структурной биологии хондроитинсульфата и дерматансульфата». Современное мнение в области структурной биологии . 13 (5): 612–20. дои : 10.1016/j.sbi.2003.09.011. ПМИД 14568617.
^ Галлахер, Дж.Т., Лион, М. (2000). «Молекулярная структура гепарансульфата и взаимодействие с факторами роста и морфогенами». В Иоццо, М, В. (ред.). Протеогликаны: строение, биология и молекулярные взаимодействия . Нью-Йорк: Marcel Dekker Inc., стр. 27–59. ISBN978-0-8247-0334-9.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )