Гликопротеины — это белки , которые содержат цепи олигосахаридов (сахаров), ковалентно прикрепленные к боковым цепям аминокислот . Углевод присоединяется к белку в котрансляционной или посттрансляционной модификации . Этот процесс известен как гликозилирование . Секретируемые внеклеточные белки часто гликозилированы.
В белках, сегменты которых простираются внеклеточно, внеклеточные сегменты также часто гликозилированы. Гликопротеины также часто являются важными интегральными мембранными белками , где они играют роль в межклеточных взаимодействиях. Важно отличать гликозилирование секреторной системы на основе эндоплазматического ретикулума от обратимого цитозольно-ядерного гликозилирования. Гликопротеины цитозоля и ядра могут быть модифицированы посредством обратимого добавления одного остатка GlcNAc, который считается реципрокным по отношению к фосфорилированию, и их функции, вероятно, являются дополнительным регуляторным механизмом, который контролирует передачу сигналов на основе фосфорилирования. [2] Напротив, классическое секреторное гликозилирование может быть структурно существенным. Например, ингибирование аспарагин-связанного, т.е. N-связанного, гликозилирования может препятствовать правильному сворачиванию гликопротеина, а полное ингибирование может быть токсичным для отдельной клетки. Напротив, нарушение процессинга гликана (ферментативное удаление/добавление углеводных остатков к гликану), которое происходит как в эндоплазматическом ретикулуме , так и в аппарате Гольджи , не является обязательным для изолированных клеток (о чем свидетельствует выживаемость с ингибиторами гликозидов), но может привести к заболевание (врожденные нарушения гликозилирования) и может быть смертельным на животных моделях. Поэтому вполне вероятно, что тонкий процессинг гликанов важен для эндогенных функций, таких как транспортировка клеток, но это, вероятно, вторично по отношению к его роли во взаимодействиях хозяин-патоген. Известным примером этого последнего эффекта является система групп крови АВО .
Хотя существуют разные типы гликопротеинов, наиболее распространенными являются N -связанные и О -связанные гликопротеины. [3] Эти два типа гликопротеинов отличаются структурными различиями, которые дали им названия. Гликопротеины сильно различаются по составу, образуя множество различных соединений, таких как антитела или гормоны. [4] Из-за широкого спектра функций организма возрос интерес к синтезу гликопротеинов для медицинского использования. [5] В настоящее время существует несколько методов синтеза гликопротеинов, включая рекомбинацию и гликозилирование белков. [5]
Известно также, что гликозилирование происходит на нуклеоцитоплазматических белках в форме O -GlcNAc . [6]
Существует несколько типов гликозилирования, хотя наиболее распространены первые два.
Моносахариды, обычно встречающиеся в эукариотических гликопротеинах, включают: [8] : 526.
Группа(ы) сахара может способствовать сворачиванию белков , улучшать стабильность белков и участвовать в передаче сигналов клеткам.
Критическим структурным элементом всех гликопротеинов являются олигосахариды, ковалентно связанные с белком. [4] В гликанах млекопитающих содержится 10 распространенных моносахаридов, включая: глюкозу (Glc), фукозу (Fuc), ксилозу (Xyl), маннозу (Man), галактозу (Gal), N- ацетилглюкозамин (GlcNAc), глюкуроновую кислоту (GlcA). , идуроновая кислота (IdoA), N-ацетилгалактозамин (GalNAc), сиаловая кислота и 5- N-ацетилнейраминовая кислота (Neu5Ac). [3] Эти гликаны связываются с определенными участками аминокислотной цепи белка .
Двумя наиболее распространенными связями в гликопротеинах являются N -связанные и О -связанные гликопротеины. [3] N -связанный гликопротеин имеет гликановые связи с азотом, содержащим аминокислоту аспарагина в последовательности белка. [4] В O -связанном гликопротеине сахар связан с атомом кислорода аминокислоты серина или треонина в белке. [4]
Размер и состав гликопротеина могут сильно различаться, при этом углеводный состав колеблется от 1% до 70% от общей массы гликопротеина. [4] Внутри клетки они появляются в крови, внеклеточном матриксе или на внешней поверхности плазматической мембраны и составляют большую часть белков, секретируемых эукариотическими клетками. [4] Их применение очень широко и может функционировать как различные химические вещества, от антител до гормонов. [4]
Гликомика – это изучение углеводных компонентов клеток. [4] Хотя это касается и не только гликопротеинов, оно может дать больше информации о различных гликопротеинах и их структуре. [4] Одной из целей этой области исследований является определение того, какие белки гликозилируются и где в аминокислотной последовательности происходит гликозилирование. [4] Исторически масс-спектрометрия использовалась для определения структуры гликопротеинов и характеристики присоединенных углеводных цепей. [4] [10]
Уникальное взаимодействие между цепями олигосахаридов имеет различные применения. Во-первых, это помогает контролировать качество, выявляя неправильно свернутые белки. [4] Цепи олигосахаридов также меняют растворимость и полярность белков, с которыми они связаны. [4] Например, если олигосахаридные цепи отрицательно заряжены и имеют достаточную плотность вокруг белка, они могут отталкивать протеолитические ферменты от связанного белка. [4] Разнообразие взаимодействий позволяет использовать различные типы гликопротеинов с различной структурой и функциями. [5]
Одним из примеров гликопротеинов, обнаруженных в организме, являются муцины , которые выделяются в слизи дыхательных и пищеварительных трактов. Сахара, присоединенные к муцинам, придают им значительную водоудерживающую способность, а также делают их устойчивыми к протеолизу пищеварительными ферментами.
Гликопротеины важны для распознавания лейкоцитов . [ нужна цитация ] Примерами гликопротеинов в иммунной системе являются:
H-антиген антигенов совместимости крови АВО. Другие примеры гликопротеинов включают:
Растворимые гликопротеины часто проявляют высокую вязкость , например, в яичном белке и плазме крови .
Вариабельные поверхностные гликопротеины позволяют паразиту сонной болезни Trypanosoma избегать иммунного ответа хозяина.
Вирусный шип вируса иммунодефицита человека сильно гликозилирован. [12] Примерно половина массы шипа представляет собой гликозилирование, и гликаны ограничивают распознавание антител, поскольку гликаны собираются клеткой-хозяином и поэтому в значительной степени являются «собственными». Со временем у некоторых пациентов могут вырабатываться антитела, распознающие гликаны ВИЧ, и почти все так называемые «широко нейтрализующие антитела» (bnAbs) распознают некоторые гликаны. Это возможно главным образом потому, что необычно высокая плотность гликанов препятствует нормальному созреванию гликанов, и поэтому они попадают в преждевременное состояние с высоким содержанием маннозы. [13] [14] Это открывает возможности для иммунного распознавания. Кроме того, поскольку эти гликаны гораздо менее изменчивы, чем основной белок, они стали многообещающими объектами для разработки вакцин. [15]
P-гликопротеины имеют решающее значение для противоопухолевых исследований из-за их способности блокировать действие противоопухолевых препаратов. [4] [16] P-гликопротеин, или мультилекарственный транспортер (MDR1), представляет собой тип транспортера ABC, который транспортирует соединения из клеток. [4] Эта транспортировка соединений из клеток включает в себя лекарства, предназначенные для доставки в клетку, что приводит к снижению эффективности лекарств. [4] Таким образом, возможность ингибировать такое поведение уменьшит вмешательство P-гликопротеина в доставку лекарств, что делает это важной темой при открытии лекарств. [4] Например, P-гликопротеин вызывает уменьшение накопления противораковых препаратов в опухолевых клетках, ограничивая эффективность химиотерапии, используемой для лечения рака. [16]
К гормонам , относящимся к гликопротеинам, относятся:
Цитата из рекомендаций ИЮПАК: [17]
Гликопротеин — это соединение, содержащее углевод (или гликан), ковалентно связанный с белком. Углевод может находиться в форме моносахарида, дисахарида(ов). олигосахарид(ы), полисахарид(ы) или их производные (например, сульфо- или фосфозамещенные). Могут присутствовать одна, несколько или множество углеводных единиц. Протеогликаны представляют собой подкласс гликопротеинов , в которых углеводными единицами являются полисахариды, содержащие аминосахара. Такие полисахариды также известны как гликозаминогликаны.
Разнообразие методов, используемых для обнаружения, очистки и структурного анализа гликопротеинов, составляет [8] : 525 [18] [10]
Гликозилирование белков имеет множество различных применений: от влияния на межклеточную связь до изменения термической стабильности и сворачивания белков. [4] [19] Благодаря уникальным способностям гликопротеинов их можно использовать во многих методах лечения. [19] Понимая гликопротеины и их синтез, можно использовать их для лечения рака, болезни Крона , высокого уровня холестерина и многого другого. [3]
Процесс гликозилирования (связывания углеводов с белком) представляет собой посттрансляционную модификацию , то есть происходит после образования белка. [3] Гликозилирование — это процесс, которому подвергается примерно половина всех белков человека, и который сильно влияет на свойства и функции белка. [3] Внутри клетки гликозилирование происходит в эндоплазматическом ретикулуме . [3]
Существует несколько методов сборки гликопротеинов. Один из методов использует рекомбинацию . [3] Первым соображением для этого метода является выбор хозяина, поскольку существует множество различных факторов, которые могут повлиять на успех рекомбинации гликопротеинов, таких как стоимость, среда хозяина, эффективность процесса и другие соображения. [3] Некоторые примеры клеток-хозяев включают E. coli, дрожжи, растительные клетки, клетки насекомых и клетки млекопитающих. [3] Из этих вариантов клетки млекопитающих являются наиболее распространенными, поскольку их использование не сталкивается с теми же проблемами, что и другие клетки-хозяева, такие как различные структуры гликанов, более короткий период полураспада и потенциальные нежелательные иммунные реакции у людей. [3] Из клеток млекопитающих наиболее распространенной клеточной линией, используемой для производства рекомбинантных гликопротеинов, является линия яичников китайского хомячка . [3] Однако по мере развития технологий наиболее перспективными клеточными линиями для производства рекомбинантных гликопротеинов являются линии клеток человека. [3]
Образование связи между гликаном и белком является ключевым элементом синтеза гликопротеинов. [5] Наиболее распространенным методом гликозилирования N-связанных гликопротеинов является реакция между защищенным гликаном и защищенным аспарагином. [5] Аналогичным образом, О-связанный гликопротеин может быть образован путем добавления донора гликозила с защищенным серином или треонином . [5] Эти два метода являются примерами естественной связи. [5] Однако существуют и методы неестественных связей. [5] Некоторые методы включают лигирование и реакцию между сериновым сульфамидатом и тиогексозами в воде. [5] Как только эта связь будет завершена, аминокислотную последовательность можно будет расширить с помощью твердофазного пептидного синтеза. [5]
Специальное веб-приложение.