Glykosaminoglykan - Glycosaminoglycan

Opakující se disacharidovou jednotku (GlcUA (1β → 3) GalNAc (1β → 4)) n z chondroitin sulfátu . Názvosloví polysacharidů viz zde . R 1 , R 2 , R 3 může mít různé hodnoty.

Glykosaminoglykany ( GAG ) nebo mukopolysacharidy jsou dlouhé lineární polysacharidy sestávající z opakujících se disacharidových jednotek (tj. Dvoucukrových jednotek). Opakující se dvoucukrová jednotka se skládá z uronového cukru a aminocukru , s výjimkou keratanu , kde v místě uronového cukru má galaktózu . Protože GAG ​​jsou vysoce polární a přitahují vodu, používají se v těle jako lubrikant nebo tlumič nárazů. Mukopolysacharidózy jsou skupinou metabolických poruch, při nichž dochází k abnormální akumulaci glykosaminoglykanů z důvodu nedostatku enzymů.

Výroba

Glykosaminoglykany se velmi liší v molekulové hmotnosti, konstrukci disacharidů a sulfataci. Důvodem je, že syntéza GAG není řízena templáty jako proteiny nebo nukleové kyseliny, ale je neustále měněna zpracováním enzymů.

GAG jsou klasifikovány do čtyř skupin na základě základních disacharidových struktur. Heparin / heparansulfát (HSGAGs) a chondroitin sulfát / dermatan sulfát (CSGAGs) jsou syntetizovány v Golgiho aparátu , kde protein jádra vyrobená v hrubém endoplazmatickém retikulu jsou posttranslačně modifikován O-vázaných glykosylace podle glykosyltransferázy , které proteoglykany . Keratansulfát může modifikovat jádrové proteiny prostřednictvím N-vázané glykosylace nebo O-vázané glykosylace proteoglykanu. Čtvrtá třída GAG, kyselina hyaluronová, je syntetizována integrálními membránovými syntázami, které okamžitě vylučují dynamicky prodloužený disacharidový řetězec.

HSGAG a CSGAG

Proteoglykany modifikované HSGAG a CSGAG nejprve začínají konsensuálním motivem Ser-Gly/Ala-X-Gly v jádrovém proteinu. Konstrukce tetrasacharidového linkeru, který se skládá z -GlcAβ1–3Galβ1–3Galβ1–4Xylβ1-O- (Ser)-, kde xylosyltransferáza , β4-galaktosyltransferáza (GalTI), β3-galaktosyltransferáza (GalT-II) a β3-Glc (GlcAT-I) přenese čtyři monosacharidy, zahájí syntézu GAG modifikovaného proteinu. První modifikace tetrasacharidového linkeru určuje, zda budou přidány HSGAG nebo CSGAG. Přidání GlcNAc podporuje přidání HSGAG, zatímco přidání GalNAc k tetrasacharidovému linkeru podporuje vývoj CSGAG. GlcNAcT-I přenáší GlcNAc na tetrasacharidový linker, který je odlišný od glykosyltransferázy GlcNAcT-II, enzymu, který se používá k tvorbě HSGAG. Ukázalo se, že EXTL2 a EXTL3, dva geny v rodině nádorových supresorů EXT, mají aktivitu GlcNAcT-I. Naopak, GalNAc je přenesen na linker pomocí enzymu GalNAcT, aby byla zahájena syntéza CSGAG, což je enzym, který může nebo nemusí mít odlišnou aktivitu ve srovnání s aktivitou chondroitinsyntázy GalNAc transferázy.

Pokud jde o HSGAG, multimerní enzym kódovaný EXT1 a EXT2 rodiny genů EXT, přenáší jak GlcNAc, tak GlcA pro prodloužení řetězce HSGAG. Při prodlužování je HSGAG dynamicky modifikován, nejprve N-deacetylázou, N-sulfotransferázou ( NDST1 ), což je bifunkční enzym, který štěpí N-acetylovou skupinu z GlcNAc a následně sulfátuje N-pozici. Dále C-5 uronyl epimeráza pokrývá d-GlcA na l-IdoA s následnou 2-0 sulfatací cukru kyseliny uronové pomocí 2 O sulfotransferázy ( 2-O-sulfotransferázy Heparan sulfátu ). Nakonec se polohy 6-0 a 3-0 GlcNAc skupin sulfatují pomocí 6-0 ( heparansulfát 6-0-sulfotransferázy ) a 3-0 (3-OST) sulfotransferáz.

Chondroitin sulfát a dermatansulfát, které obsahují CSGAG, se navzájem odlišují přítomností epimerů GlcA a IdoA. Podobně jako při výrobě HSGAG, C-5 uronyl epimeráza převádí d-GlcA na l-IdoA za účelem syntézy dermatansulfátu. Tři sulfatační Události CSGAG řetězců nastat: 4- O a / nebo 6- O sulfatace GalNAc a 2- O sulfatace uronové kyseliny. Čtyři izoformy 4-0 GalNAc sulfotransferáz (C4ST-1, C4ST-2, C4ST-3 a D4ST-1) a tři izoformy GalNAc 6- O sulfotransferáz (C6ST, C6ST-2 a GalNAc4S-6ST) jsou zodpovědný za sulfataci GalNAc.

Typy keratan sulfátu

Na rozdíl od HSGAG a CSGAG je třetí třída GAG, patřících k typům keratansulfátu, vedena k biosyntéze prostřednictvím konkrétních motivů proteinové sekvence. Například v rohovce a chrupavky je keratan sulfát doména z agrekanu se skládá z řady tandemově opakovaných hexapeptidů s konvenční sekvence E (E / l) PFPS. Kromě toho bylo u tří dalších keroglykosulfátovaných proteoglykanů, lumicanu , keratocanu a mimecanu ( OGN ) shledáno , že konsensuální sekvence NX (T/S) spolu se sekundární strukturou proteinu jsou zapojeny do N -spojeného prodloužení oligosacharidů s keratansulfátem. Prodloužení keratansulfátu začíná na neredukujících koncích tří vazebných oligosacharidů, které definují tři třídy keratansulfátu. Keratansulfát I (KSI) je navázán na N prostřednictvím prekurzorového oligosacharidu s vysokým obsahem manózy. Keratansulfát II (KSII) a keratansulfát III (KSIII) jsou O -spojeny, s vazbami KSII identickými s vazbami struktury mucinového jádra a KSIII spojeny s 2O manózou . K prodloužení polymeru keratansulfátu dochází přidáním Gal a GlcNAc glykosyltransferázy. K přidání galaktózy dochází především prostřednictvím enzymu β-1,4-galaktosyltransferázy (β4Gal-T1), zatímco enzymy odpovědné za β-3-acetylglukosamin nebyly jasně identifikovány. Nakonec dochází k sulfataci polymeru v poloze 6 obou zbytků cukru. Enzym KS-Gal6ST ( CHST1 ) přenáší sulfátové skupiny na galaktózu, zatímco N-acetylglukosaminyl-6-sulfotransferáza (GlcNAc6ST) ( CHST2 ) přenáší sulfátové skupiny na koncový GlcNAc v keratansulfátu.

Třída kyseliny hyaluronové

Hyaluronan (-4GlcUA β 1-3GlcNAc β 1-) n

Čtvrtá třída GAG, kyselina hyaluronová (HA), není sulfatována a je syntetizována třemi transmembránovými syntázovými proteiny HAS1 , HAS2 a HAS3 . HA, lineární polysacharid, se skládá z opakujících se disacharidových jednotek ^ 4) GlcAβ (1- + 3) GlcNAcβ (1 → a má velmi vysokou molekulovou hmotnost, pohybující se v rozmezí od 10 5 do 10 7 Da. Každý z nich má enzym je schopen transglykosylaci když je dodáván s UDP-GlcA a UDP-GlcNAc. HAS2 je zodpovědný za velmi velké polymery kyseliny hyaluronové, zatímco menší velikosti HA jsou syntetizovány pomocí HAS1 a HAS3. Zatímco každá izoforma HAS katalyzuje stejnou biosyntetickou reakci, každá izoforma HAS je nezávisle aktivní. Bylo také ukázáno, že izoformy HAS mají různé hodnoty K m pro UDP-GlcA a UDPGlcNAc. Věří se, že prostřednictvím rozdílů v aktivitě a expresi enzymu lze regulovat široké spektrum biologických funkcí zprostředkovaných HA, jako je jeho zapojení do neurálních regulace kmenových buněk v subgranulární zóně mozku.

Funkce

CSGAG
Endogenní heparin je lokalizován a uložen v sekrečních granulích žírných buněk . Histamin, který je přítomen v granulích, je protonován (H 2 A 2+ ) při pH v granulích (5,2–6,0), proto se věří, že heparin, který je vysoce negativně nabitý, funguje tak, že elektrostaticky zadržuje a uchovává histamin. Na klinice je heparin podáván jako antikoagulant a je také první volbou pro tromboembolická onemocnění. Heparan sulfát (HS) má mnoho biologických aktivit a funkcí, včetně buněčné adheze, regulace buněčného růstu a proliferace, vývojových procesů, vazby lipoproteinové lipázy a dalších proteinů na buněčný povrch, angiogeneze, virové invaze a nádorových metastáz.

CSGAG interagují s proteiny vázajícími heparin, konkrétně interakce dermatansulfátu s fibroblastovým růstovým faktorem FGF-2 a FGF-7 se podílejí na buněčné proliferaci a obnově rány, zatímco interakce s jaterním růstovým faktorem/faktorem rozptylu (HGF/SF) aktivují HGF/SF signální dráha ( c-Met ) přes její receptor. CASGAGy jsou důležité pro zajištění podpory a přilnavosti v kostech, kůži a chrupavkách. Mezi další biologické funkce, u nichž je známo, že CSGAG hrají kritické funkce, patří inhibice axonálního růstu a regenerace ve vývoji CNS, role ve vývoji mozku, neuritogenní aktivita a infekce patogenem.

Keratan sulfáty
Jednou z hlavních funkcí třetí třídy GAG, keratansulfátů, je udržování tkáňové hydratace. Keratan sulfáty jsou v kosti, chrupavce a rohovce oka. V normální rohovce je dermatansulfát plně hydratován, zatímco keratansulfát je hydratován pouze částečně, což naznačuje, že keratansulfát se může chovat jako dynamicky kontrolovaný pufr pro hydrataci. V chorobných stavech, jako je makulární dystrofie rohovky , ve kterých se mění hladiny GAG, jako je KS, se předpokládá, že příčinou zákalu rohovky je ztráta hydratace v rohovkovém stromatu, což podporuje dlouhodobou hypotézu, že průhlednost rohovky závisí na správné úrovně keratansulfátu. Keratansulfátové GAG se nacházejí v mnoha jiných tkáních kromě rohovky, kde je známo, že regulují adhezi makrofágů , vytvářejí bariéry růstu neuritů , regulují implantaci embryí do endometriální děložní výstelky během menstruačních cyklů a ovlivňují pohyblivost endotelových buněk rohovky. Stručně řečeno, KS hraje antiadhezivní roli, což naznačuje velmi důležité funkce KS v pohyblivosti a přichycení buněk a také v dalších potenciálních biologických procesech.

Dermatan sulfáty

Dermatansulfáty fungují v kůži, šlachách, cévách a srdečních chlopních.

Kyselina hyaluronová
Kyselina hyaluronová je hlavní složkou synoviálních tkání a tekutiny , jakož i základní látkou jiných pojivových tkání. Kyselina hyaluronová spojuje buňky dohromady, maže klouby a pomáhá udržovat tvar očních bulv : Viskoelasticita kyseliny hyaluronové je ideální pro mazání kloubů a povrchů, které se pohybují podél sebe, jako je chrupavka. Roztok kyseliny hyaluronové při nízkém smykovém napětí má mnohem vyšší viskozitu než při vysokém smykovém napětí. Hyaluronidáza , enzym produkovaný bílými krvinkami, buňkami spermií a některými bakteriemi, rozkládá kyselinu hyaluronovou, což způsobuje, že se roztok stává tekutějším.
In vivo kyselina hyaluronová tvoří náhodně zalomené cívky, které se zaplétají a vytvářejí hyaluronovou síť, zpomalují difúzi a tvoří difúzní bariéru, která reguluje transport látek mezi buňkami. Hyaluronan například pomáhá rozdělovat plazmatické proteiny mezi vaskulární a extravaskulární prostory, což ovlivňuje rozpustnost makromolekul v intersticiu, mění chemickou rovnováhu a stabilizuje strukturu kolagenových vláken.
Mezi další funkce patří interakce matrice s proteiny vázajícími hyaluronan, jako je hyaluronektin, gliový protein vážící hyaluronan, vazebný protein hyaluronanu obohacený mozkem, kolagen VI , TSG-6 a inhibitor alfa-trypsinu . Interakce buněčného povrchu zahrnující hyaluronan jsou jeho dobře známou vazbou s CD44 , která může souviset s progresí nádoru, a také s RHAMM ( receptor hybnosti zprostředkovaný hyaluronanem ), který se podílí na vývojových procesech, nádorových metastázách a patologických reparačních procesech. Fibroblasty, mezoteliální buňky a určité typy kmenových buněk se obklopují pericelulárním „obalem“, jehož část je vyrobena z hyaluronanu, aby se chránily před bakteriemi, červenými krvinkami nebo jinými molekulami matrice. Například pokud jde o kmenové buňky, hyaluronan spolu s chondroitin sulfátem pomáhá vytvořit mezeru v kmenových buňkách . Kmenové buňky jsou chráněny před účinky růstových faktorů štítem hyaluronanu a minimálně sulfatovaného chondroitin sulfátu. Během dělení předků se dceřiná buňka pohybuje mimo tento pericelulární štít, kde ji pak mohou ovlivnit růstové faktory, aby se ještě více odlišila.

Klasifikace

Členové rodiny glykosaminoglykanů se liší v typu hexosaminem, hexózy nebo kyselinou jednotky hexuronové, které obsahují (např glukuronové , kyseliny iduronové , galaktózy , galaktosamin , glukosamin ).

Liší se také v geometrii glykosidické vazby .

Mezi příklady GAG patří:

název Kyselina hexuronová nebo hexóza
(pro keratan)
Hexosamin Geometrie propojení mezi převládajícími monomerními jednotkami Unikátní funkce
Chondroitin sulfát GlcUA nebo
GlcUA (2S)
GalNAc nebo
GalNAc (4S) nebo
GalNAc (6S) nebo
GalNAc (4S, 6S)
GlcUA β (1 → 3) GalNAc β (1 → 4) Nejrozšířenější GAG
Dermatansulfát GlcUA nebo
IdoUA nebo
IdoUA (2S)
GalNAc nebo
GalNAc (4S) nebo
GalNAc (6S) nebo
GalNAc (4S, 6S)
' IdoUA β 1-3' GalNAc β 1-4 Rozlišuje se od chondroitin sulfátu přítomností kyseliny iduronové , i když některými monosacharidy kyseliny hexuronové může být kyselina glukuronová .
Keratan sulfát Gal or
Gal (6S)
GlcNAc nebo
GlcNAc (6S)
- Gal (6S) β 1-4 GlcNAc (6S) β 1-3 Keratansulfát typu II může být fukosylován .
Heparin GlcUA nebo
IdoUA (2S)
GlcNAc nebo
GlcNS nebo
GlcNAc (6S) nebo
GlcNS (6S)
- IdoUA (2S) α 1-4 GlcNS (6S) α 1-4 Nejvyšší hustota záporného náboje ze všech známých biologických molekul
Heparan sulfát GlcUA nebo
IdoUA nebo
IdoUA (2S)
GlcNAc nebo
GlcNS nebo
GlcNAc (6S) nebo
GlcNS (6S)
- GlcUA β 1-4 GlcNAc α 1-4 Struktura je velmi podobná heparinu, ale disacharidové jednotky heparansulfátu jsou organizovány do odlišných sulfátovaných a nesulfátovaných domén.
Hyaluronan GlcUA GlcNAc - GlcUA β 1-3 GlcNAc β 1-4 Jediný GAG, který je výhradně nesulfátovaný

Zkratky

  • GlcUA = kyselina β -D- glukuronová
  • GlcUA (2S) = kyselina 2-0- sulfo - p -D-glukuronová
  • IdoUA = kyselina α -L- iduronová
  • IdoUA (2S) = kyselina 2-0- sulfo - α -L-iduronová
  • Gal = β -D- galaktóza
  • Gal (6S) = 6-0-sulfo- β -D-galaktóza
  • GalNAc = β- D -N-acetylgalaktosamin
  • GalNAc (4S) = p -DN-acetylgalaktosamin-4-O-sulfát
  • GalNAc (6S) = p -DN-acetylgalaktosamin-6-O-sulfát
  • GalNAc (4S, 6S) = β -DN-acetylgalaktosamin-4-O, 6-O-sulfát
  • GlcNAc = a- D -N-acetylglukosamin
  • GlcNS = α -DN -sulfoglukosamin
  • GlcNS (6S) = a -DN-sulfoglukosamin-6-O-sulfát

Viz také

Reference

externí odkazy