Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Биохимия Р.Марри

.pdf
Скачиваний:
361
Добавлен:
20.05.2015
Размер:
31.31 Mб
Скачать

300

Глава 54

Таблица 54.1.

Некоторые функции, вьmолняемые гликогих молекул, с которыми олигосахариды могут взаи-

протеинами

модеЙствовать. Широко распространено мнение, что

 

в олигосахаридных цепях закодирована значитель­

Структурные МOJlекулы

Клеточные стенки

Коллаген, эластин Фибрины Костный матрикс

((Смазочные») и защитные агенты

Муцины

Слизистые секреты

Транспортные молекулы дл'll

витаминов

липидов

минералов и микроэлементов

Иммуиологические молекулы Иммуноглобулины

Антигены гистосовместимости Комплемент

Интерферон

Гормоны

Хорионический гонадотропин Тиреотропин

Ферменты

Протеазы

Нуклеазы

Гликозидазы

Гидролазы

Факторы свертывания

Места клеточных коитакто..,распозиаваии'll

Клетка - -клетка

Вирус-клетка Бактерия--клетка

Гормональные рецепторы

Аитифризиые функции у аитарктических рыб

Лектииы

Таблица 54.2. Некоторые функции олигосахаридных цепей

гликопротеинов. (Adapted from Schachter Н. Biosynthetic со­ ntrols that determine the branching and heterogeneity оГ рro­ tein--bound oligosaccharides. Biochem. СеН. Biol., 1986.64. 163.)

Модулируют физико-химические свойства, такие, как ра­

створимость, вязкость, заряд и денатурируемость

Осуществляют защиту от протеолиза внутри клетки и во

внеклеточном пространстве

Влияют на протеолитический процессинг белков­

предшественников до продуктов меньшего размера

Участвуют в биологической активности, например, хорио­

нического гонадотропина

Влияют на проникновение в мембраны, внутриклеточную

миграцию, сортировку и секрецию

Влияют на эмбриональное развитие и дифференцировку Могут влиять на выбор мест метастазирования раковых

клеток

ная биологическая информация, зависящая от со­

ставляющих их сахаров, последовательности и кон-

формации этих сахаров. Имеются также данные

о взаимодействии различных лекарств и токсинов со

специфическими ОЛИI'осахаридными цепями глико­

конъюгатов клеточной поверхности (например, хо­ лерный токсин взаимодействует с олигосахаридным компонентом ганглиозида G M1 ; см. гл. 15). Кроме того, маннозо-6-фосфатные остатки служат, по­ видимому, мишенью действия вновь синтезируемых

лизосомных ферментов в этих органеллах (см. ни­

же).

ОПРЕДЕЛЕНИЕ,ОЧИСТКА

И СТРУКТУРНЫЙ АНАЛИЗ

ГЛИКОПРОТЕИНОВ

Определение

Гликопротеины Moryт б..ть выделены из сло­ жных смесей (например, из клеточных мембран) при помощи ЛААГ с ДСН (см. гл.2) и выявлены путем окрашивания реактивом Швффа с водной кислотой,

который идентифицирует альдегидные группы саха­ ров, образующихся при действии иодной кислоты. Они могут быть также определены визуально путем

радиоавтографии в ПААГ-ДСН по включению метки

при инкубировании клеток или тканей с соответ­

ствующими радиоактивными сахарами.

Очистка и структурный анализ

Определение структуры гликопротеинов требует

(как и в случае друrиx молекул) их предварительной

очистки, которая может быть достигнута с помо­ щью методов, обычно применяемых для белка. Для

очистки некоторых гликопротеинов оказалось весь­

ма плодотворным также применение аффинных ко­ лонок с лектинами (см. ниже). Углеводный состав

гликопротеинов определяли после кислотного гид­

ролиза при помощи газожидкостной хроматогра­

фии-масс-спектроме1'РНИ (ГЖХ-МС). ДЛЯ изуче­

ния детальной структуры олигосахаридных цепей

было опробовано множество различных методов. Наиболее эффективной оказалась комбинация ГЖХ-МС и ЯМР-спектрометрии с высоким разре­

шением. Особенности связей между сахарами в гли­ копротеинах (рассмотрение которых не входит в за­

дачу данной главы) имеют фундаментальное значе­

ние для структуры и функций этих молекул.

Глuкоnроmеu,.,ы

САХАРА,ПРИСУТСТВУК)~Е

В ГЛИКОПРОТЕИНАХ

Хотя в природе обнаружено около 200 моносаха­

ридов, в составе олигосахаридных цепей гликопро­

теинов присyrствует менее 12 из них (табл. 54.3). Бо­

льшинство этих сахаров рассматривалось в гл. 14. На концах олигосахаридных цепей присутствует N-

ацетилнейраминовая кислота (NeuAc), обычно при­

соединенная к претерминальным остаткам галакто­

зы (Gal) или N-ацетилгалактозамина (GalNAc). Дру­

гие перечисленные в таблице сахара обычно зани­

мают положения ближе к середине цепи.

НУКЛЕОТИДСАХАРА

Первым описанным нуклеотидсахаром была ури­

диндифосфатглюкоза (UDPG1c). Распространенные

u nроmеог.'lика,.,ы

ЗОI

нуклеотидсахара, участвующие в биосинтезе глико­ протеинов, перечислены в табл. 54.3; причины, по которым одни из них содержат UDP. а другие­

гуанозиндифосфат (GDP) или цитидинмонофосфат.

неясны. Многие, но не все реакции гликозилирова­

ния при биосинтезе гликопротеинов протекают

с использованием этих соединений (см. ниже). Связь

между фосфатной группой и сахарами имеет ангид­

ридную природу и принадлежит к разряду богатых

')нергией связей с высоким потенциалом переноса

групп. Сахара в подобных соединениях являются, таким образом, «активированными» и при наличии необходимых трансфераз могут переноситъся на со­

ответствующие акцепторы.

Нуклеотидсахара образуются в цитозоле обычно

при участии соответствующих нуклеозидтрифосфа­ тов. Образование уридиндифосфатгалактозы

ТаБJlица 54.3. Основные сахара. присутствующие в гликопротеинах человека. Структура боль­ шинства перечисленных сахаров описана в гл. 14

Сахар

ТИIJ

Сокра­

Примечание

 

 

щение

 

Галактоза Гексоза Gёil Часто занимает претеРМИНёiльное положение перед NeuAc

вN-связанных гликопротеинах. Обнаруживается также

втрисахаридном ядре протеогликанов

Глюкоза Гексоза Glc

Присутствует на этапе биосинтеза N-связанных гли­

копротеинов, но не всегда обнаруживается в зрелых

гликопротеинах

Манноза

Гексоза

Мап

Обычный сахар в N-связанных гликопротеинах

N-ацетил­

Сиало-

NeuAc

Часто служит терминальным сахаром в N- и О-связанных

нейра­

вая

 

гликопротеинах. Известны и дрyrие сиаловые кислоты. но

ми­

ки-

 

NeuAc -

главный вид этих соединений. обнаруживаемый

но-

сло-

 

у человека

вая

та

 

 

 

ки-

(9

 

 

 

сло-

нто-

 

 

 

та

мов

 

 

 

 

С)

Fuc

 

 

Фукоза

Дезок-

Может занимать наружную позицию в N- и О-связанных

 

си-

 

гликопротеинах или быть связанной с остатком GIc NAc,

 

reK-

 

который присоединен к Asn в N-связанных гликопротеи-

 

соза

 

нах

 

N-ацетил-

АМIfНО- GalNAc

Присутствует и в N-, и в О-связанных гликопротеинах

галак-

гек-

 

 

 

тоза-

соза

 

 

 

мин

 

 

 

 

N-ацетилг-

Амино-

GIcNAc

Этот сахар

присоединяется к полипептиДНОЙ цепи

люко-

гексо-

 

N-связанных гликопротеинов через остаток Asn; он при-

за-

за

 

сутствует и в других частях олигосахаридных компонен-

мин

тов этих белков

302

Глава 54

(UDPGal) требует следующих двух реакций:

Таблица 54.4. Некоторые гликозидазы, используемые для

UDPG\c-пирофосфо-

изучения структуры и функций гликопротеинов. Ферменты

могут быть получены из различных источников и часто

 

 

рилаза

UTP + Глюкозо-l-фосфат------UDРGlс +

 

+ Пирофосфат

UDPGlc

UDPGlc-эпимераза

UDPGal.

Поскольку многие реакции гликозилирования про­ текают в просвете элементов комплекса Гольджи,

нуклеотидсахара транспортируются через мембра­ ны Гольджи. Описаны системы, переносящие UDPGal, GDP-Man и CMP-NеuАс в цистерны комплекса

Гольджи. Они являются системами антипорта; это означает, что приток одной молекулы нуклеотидса­

хара уравновешивается оттоком одной молекулы со­

ответствующего нуклеотида (например, UMP, GMP

или СМР), образовавшегося из нуклеотидсахаров.

Такой механизм обеспечивает адекватную концен­

трацию каждого нуклеотидсахара внутри комплекса

Гольджи. UMP образуется из UDPGal следующим образом:

 

I'алактозил­

UDPGal + Белок

трансфераза

Белок-Gаl + UDP

 

Нуклеозид-

 

дифосфат-

 

фосфатаза

UDP

UMP + P j

обладают специфичностью в отношении определенных ви­

дов гликозидных связей, в том числе аномерных. На рис.

54.4 показаны места действия эндогликозидаз F и Н. Фор­

ма F действует и на высокоманнозные, и на сложные олиго­

сахаридные цепи, тогда как эндоrликозидаза Н атакует то­

лько цепи l-ro типа

Ферменты Тип

Нейраминидазы

Экзогликозидаза

Галактозидазы

Экзогликозидаза

Эндогликозидаза F

Эндогликозидаза

Эндогликозидаза Н

Эндогликозидаза

цептор, распознающий галактозильный компонент

многих десиалилированных (т.е. лишенных NeuAc)

белков плазмы и способствующий их эндоцитозу.

Эти данные свидетельствуют о том, что индивидуа­ льный сахар может играть важную роль в регуляции

по крайней мере одного из биологических свойств

некоторых гликопротеинов - времени их пребыва­

ния в крови.

ЛЕКТИНЫ

Лектины- это белки растительного происхожде­

ЭКЗОГЛИКОЗИДАЗЫ и ЭНДОГЛИКОЗИДАЗЫ

Ряд гликозвдаз определенной специфичности

используется при изучении структуры и функции гликопротеинов (табл. 54.4). Эти ферменты дей­ ствуют либо на наружные (ЭКЗОГJПIКозвдазы), либо на внутренние (эидогликозвдазы) положения олиго­

сахаридных цепей. Примерами экзогликозидаз

являются нейраминидазы и галактозидазы; их после­

довательное применение приводит к удалению тер­

минальных остатков NeuAc и претерминальных

остатков Gal из большинства гликопротеинов. Эндо­

гликозидазы F и Н служат примерами второй груп­

пыI гликозидаз; эти ферменты расщепляют олигоса­

харидные цепи в местах локализации специфических

остатков GlcNAc, примыкающих к полипептидному

скелету (т. е. во внутренних позициях), и могут испо­

льзоваться поэтому для получения больших олиго­ сахаридных цепей, что необходимо для структурно­ го анализа. Обработка гликопротеина одной или не­

ния, связывающие один или несколько специфиче­

ских сахаров. Многие лектины очищены, и более 40

из них имеется в продаже (табл. 54.5). В области био­

химических исследований лектины находят примене­ ние для многих целей, в том числе:

1) для очистки и анализа гликопротеинов. Такие лектины, как конканавалин А (СопЛ), способны ко­

валентно присоединятъся к инертному носителю, на­

пример к сефарозе. Образующаяся сефароза­

ConA - может использоваться для очистки глико­

протеинов, содержащих олигосахаридные цепи, ко­

торые взаимодействуют с СопЛ; 2) в качестве средств для изучения поверхности

клеток. Поскольку лектины распознают специфиче­

ские сахара, они могут использоваться как зонды

для идентификации остатков сахаров, расположен­

ныIx на мембранах клеточной поверхности. Много­

численные исследования посвящены применению

лектинов для сравнения поверхности нормальных

и раковых клеток (см. гл. 57). Показано, что для аг­

сколькими гликозидазами дает возможность судить

глютинации раковых клеток некоторые лектины тре­

об эффекте удаления специфических сахаров на био­

буются в меньших количествах, чем для агглютина­

логические свойства гликопротеинов.

ции нормальных клеток. Это подтверждает суще­

Опыты Ашвелла, проведенные в начале 70-х гг.,

ствование различий в организации или структуре

показали, что «обнажение» остатков Gal обработкой

ряда гликопротеинов на поверхности раковых и нор­

нейраминидазой приводит к быстрому исчезнове­

мальных клеток;

нию церулоплазмина из плазмы. Дальнейшие иссле­

3) для получения мутантных клеток, лишенных не­

дования показали, что клетки печени содержат ре-

которых ферментов синтеза олигосахарвдов. При

rлuкоnроmеuны u nроmеоглuка,.,ы

303

Таблица 54.5. Три лектина и сахара, с которыми они взаи­

модеЙствуют. В большинстве случаев лектины обладают

специфичностью в отношении аномерной гликозидазной

связи (а или Ю; в таблице это не указано

Лепииы Сокращение Сахара

Конканавалин А

ConA

Man и Glc

Лектин соевых бобов

 

Gal и GalNAc

Агтлютинин зародышей

WGA

GlcNAc и NeuAc

пшеницы

 

 

обработке культуры клеток млекопитающих соот­

ветствующими КOIщентрациями некоторых лектинов

(например, СопЛ) большинство клеток погибает,

а среди выживших многие оказываются лишенными

некоторых ферментов, участвующих в синтезе оли­

госахаридов. Устойчивость таких клеток обусловле­

на, по-видимому, отсутствием одного или несколь­

ких поверхностных гликопротеинов, способных

взаимодействовать с данным лектином. Использо­

вание мутантных клеточных линий имеет важное

значение для выяснения ряда аспектов биосинтеза

гликопротеинов.

КЛАССИФИКАЦИЯГЛИКОПРОТЕИНОВ

Основываясь на природе связей между полипеп­

тидными и олигосахаридными цепями, гликопротеи­

ны можно разделить на 4 класса: 1) содержащие связь Ser (или Thr)-GаlNАс (рис. 54.1); 2) гликопро­ теины, содержащие связь Ser-Xyl; 3) коллагены, со­ держащие связь гидроксилизин (Hyl)-Gal; 4) глико­ протеины, содержащие связь Аsп-GlcNАс (рис.

54.1).

Гликопротеины классов 1, 2 и 3 соединяются с со­

ответствующими аминокислотами О-ГЛИКОЗИДНОЙ свизью (т. е. связью, образуемой ОН боковой цепи аминокислоты и остатком сахара). Класс 4 характе­

ризуется N-гликозидной свизью (т. е. связью, обра­

зуемой N-амидной группой аспараmна и остатком

сахара). Поскольку гликопротеины классов 2 и 3 встречаются относительно редко, термин 0- связанные гликопротеины часто используют (как это имеет место и здесь) только в отношении представи­

телей класса 1. Гликопротеины класса 4 получили название «N-связанные гликопротеины». Имеются

и другие классы гликопротеинов, присyrствующие

вмалых количествах. Число олигосахаридных це­

пей, присоединеlШЫХ к одному белку, может колеба­

ться от 1 до 30 и более, а длина сахарных цепей ва­

рьирует от 2 или 3 остатков до значительно больших

структур.

Некоторые гликопротеины содержат как N-, так

и О-гликозидные связи.

СН2

ОН

 

 

 

H/~-O н

н

О

I

I

"1+1

11

I

~ ОН

Н С

N-C-CH2

- C

но,{ _ ~/

 

Asn

I

н

H-~

 

 

 

 

С-=О

 

 

 

I

CH3I

Рис. 54.1. Связь N-ацетилгалактозамина с серином и N-

ацетилглюкозамина с аспарагином.

О-свизаввые гJIIIкопротенны

Большинство О-гликозидных связей образуется за счет свободных ОН-групп остатков Ser и Thr по­

липептида в трипептидной последовательности

Asn-У~еr(Тhr), где У- любая аминокислота,

кроме аспартата. Эта специфическая трипептидная

последовательность широко распространена в бел­

ках, но не каждая такая последовательность находи­

тся в гликозилированном состоянии. Гликозилиро­ вание остатков Ser или Thr зависит от конформации белка, окружающего трипептид при его проникнове­

нии через эндоплазматический ретикулум.

А. Распространение и структура олигосахаридныx

цепей о-свиз8нных гликопротеинов. Многие глико­

протеины этого класса присутствуют в муцивах. Од­

нако О-гликозидные связи обнаруживаются также в некоторых мембранных и циркулирующих в крови

гликопротеинах. Как отмечалось выше, сахаром,

прямо присоединяющимся к остатку Ser или Thr, является GalNac (рис. 54.1). Остаток Gal или NeuAc обычно присоединяется к GalNAc. Структура двух

типичнь~ олитосахар~ цепей гликопротеинов

этого класса представлена на рис. 54.2. Встречаются

также многие варианты таких структур.

Б. Биосинтез О-свизавных гликопротеинов. Поли­

пептидные цепи этих и других гликопротеинов коди­

руются соответствующими мРНК; поскольку боль­ шинство гликопротеинов связано с мембранами или секретируются, они обычно транслируются на мем­

браносвязаlШЫХ полирибосомах (см. гл. 40). Олиго­

сахаридные цепи гликопротеинов О-гликозидного типа конструируются путем ступенчатого добавлении

304

 

Г'шва 54

А

 

 

ков, локализованы в эндоплазматическом ретикулу­

 

 

GalNAc ---.~ Ser(Thr)

ме, и присоединение первых сахаров происходит во

NeuAc

02.6 I

время трансляции (т. е. имеет место котрансляцион­

 

 

 

ная модификация белка). Ферменты, осуществляю­

 

 

 

щие присоединение терминальных сахаров (таких,

 

 

 

как NeuAc), локализованы в комплексе Гольджи,

Б

 

 

N-связанные гликопротеины

Gal

fj1.3. GalNAc --_1Ser(Thr)

Отличительной особенностью этих соединений,

составляющих основной класс гликопротеинов, слу­

102.з

t02.6

жит наличие связи Asn-G1сNАс (рис. 54.l). Пред­

NeuAc

 

NeuAc

ставители этого класса в связи с легкостью их полу­

 

 

 

чения изучены довольно тщательно (например, бел­

Рис. 54.1. Структура двух О-связанных олиrосахаридов,

ки крови). Данный класс включает как мембраиосвя­

обнаруживаемых в составе (А) муцинов слюны подчелюст­

занные, так и циркулирующие в крови гликопротеи­

ной железы и (Б) фетуина, а также сиалогликопротеина эри­

иы. Основное отличие между ними и ранее описан­

 

 

 

троцитарных ме'VJбран человека. (Modified and reproduced,

ным классом помимо природы аминокислоты, к ко­

with permission, from Lennarz W. J. ТЬе Biochemistry of Gly-

торой присоединена олигосахаридная цепь (в основ­

coproteins and Proteoglycans. Plenum Pn:...s, 1980.)

ном Asn вместо Ser), заключается в особенностях их

 

сахаJЮВ из иуклеотидсахаJЮ8, таких, как UDPGalNAc, UDPGal и CMP-NеuАс. Ферменты, катализи­ рующие эту реакцию, представляют собой мембра­

носвязанные Г..-JlIкопротеин-гJIИКозвлтраисферазы.

Синтез каждого такого фермента контролируется одним специфическим геном. В общем плане образо­ вание одного типа связей требует активности соот­

ветствующей трансферазы (гипотеза «одна связь­ одна гликозилтрансферазю). Ферменты, катализи­

рующие присоединеиие внутренних сахарных остат-

Сиаловая кислота Сиаловая кислота

биосинтеза.

А. Группы N-связанных гЛИКОПJЮтеинов и их

структура. Существуют три главные группы N-

связанных гликопротеинов: сложные, гибридиые и богатые маннозой (рис. 54.3). Они содержат общий

пентасахарид ([Маn]) [G1cNAC])2' показанный внутри

очерченной области на рис. 54.3 и на рис. 54.4, но различаются по структуре наружных цепей. Присут­

ствие общего пентасахарида объясняется тем, что начальный биосинтез всех трех групп протекает оди­ наково. Гликопротеины сложного типа обычно со­

держат концевые остатки NeuAc и предшествующие

им остатки Gal и G1cNAc; последние часто состав-

а2.ЗМnМбl

lа2.з""м6

 

 

 

 

 

 

 

G.f'

Gal

Gal

 

 

Мап

Мап

 

Мап

 

131.4+

~~1.4

131,4~

 

 

01,2~

01,~

01,2~

 

GlcNAc

GlcNAc

GlcNAc

Ma~

Мап

Мап

Мап

 

Мап

 

131.~ ___ jpц, 21,2 L _

.!1~.#"'A1~1a _

~,~01,6

Г

Мап

Мап

Мап

 

Мап

Мап

 

Мап

1

~1,41

01,~

~,6

01,~

~0~.6

01~

~6

I

±GlcNAc --....:....---...~~

 

 

...

' GlcNAc

 

 

I

 

 

~131.4

 

~131.4

 

 

~131.4

 

I

 

GlcNAc

GlcNAc

 

GlcNAc

 

I

 

 

I 131.4

 

~131,4

 

 

~131.4

 

I

01,61

 

,

GlcNAc

 

GlcNAc

 

±Fuc -------I~~ GlcNAc

 

 

 

L ___ ~___ - __ ~ ______~--_-J

 

 

Asn

Asn

 

 

Asn

 

 

 

Сложные

Гибридные

 

Богатые маннозой

 

Рис. 54.3. Структура основных видов аспарагин-связанных олигосахаРИДО8. Область, заключенная в рамку, включает

олигосахаридное ядро, общее для всех N-связанных гликопротеинов. (Reproduced, with permission, from Kornfeld R., Когп­ feld S. Assembly of asparagine-linked oligosaccharides. Аппи. Rev. Biochem., 1985, 54, 631.)

TluKonpomewIы и nроmеоглuканы

305

 

 

,

 

Эндогликозидаза F

Мап~6 (14

(34

I I

Man-GICNACTGICNA~Asn

Мап~З

:

I

3ндогликозидаза Н

Рис. 54.4. Схематическое изображение пентасахаридного ядра. общего для всех N-связанных гликопротеинов. к ко­

торому могут присоединяться различные наружные олиго­

сахаридные цепи. Указаны также места действия эндогли-

КОЗlfдаз F и Н.

ридное ядро (МаО}1 (GlcNAC)2 (рис. 54.4.). Далее под действием индивидуальных гликозилтрансфераз, ло­ кализованных главным образом в комплексе Гольд­

жи, происходит присоединение сахаров, характер­

ных для сложных цепей (GlcNAc, Gal. NeuAc). При образовании высокомаинозныx цепей удаляются то­ лько остатки Glc с некоторыми периферическими остатками Man или без них. Феномен, при котором

гликановые цепи N-связанных гликопротеинов сна­ чала подвергаются частичной деградации, а затем

строятся заново, носит название «процессинг олиго­

сахаридов». Неожиданно оказалось, что начальные этапы биосинтеза N-связанных и О-связанных гли­

копротеинов существенно различаются между со­

ляют дисахарид лактозамин. tПрисутствие повто­

бой. В первом случае в процессе участвует олигоса­

ряющихся лактозаминовых компонентов [Galp 1-

харид-пирофосфорил-долихол, а во втором это со­

4GlcNAc Р 1-3]п характеризует четвертый класс гли­

единение роли не играет.

 

 

копротеинов -flолилактозаминов, которые играют

Процесс может быть разделен на 2 этапа: 1) сбор­

важную роль, поскольку определяют группы крови

ка и перенос олигосахарид-пирофосфорил-долихола

I/i.) Большинство олигосахаридов сложного типа со­

и 2) процессинг олигосахаридной цепи.

держит 2 (рис. 54.2), 3 или 4 внешние ветви, но описа­

1.

Сборка

и

перенос

олигосахарид-

ны и структуры. содержащие 5 ветвей. Эти ветви ча­

пирофосфорил-долихола. Полиизопреноловые соеди­

сто называют антеннами. так что можно говорить

нения присутствуют и у бактерий, и в тканях эука­

о наличии ДИ-, три-, тетра- и пентаантенных струк­

риот. Они участвуют в биосинтезе стенок бактериа­

тур. Количество цепей комплексного типа удивите­

льных клеток и в биосинтезе N-связанных гликопро­

льно велико, и вариант, представленный на рис. 54.3,

теинов. Полиизопренолы эукариотических тканей

только один из многих. Другие сложные цепи могут

представлены долихолом. который, подобно каучу­

оканчиваться Gal или Fuc. Богатые маннозой олиго­

ку, является самым длинным из природных углево­

сахариды обычно содержат 2--6 дополнительных

дородов, построенных из одинаковых повторяю­

маннозных остатков, присоединенных 1( пентасаха­

щихся компонентов. Долихол состоит из 17-20 пов­

ридному ядру.

торяющихся изопреноидных компонентов (рис.

Б. Обзор даиRыx о биосинтезе N-связаllНЫХ глико­

54.5).

 

 

 

 

протеинов. Группой исследователей под руковод­

До включения в процесс биосинтеза олигосаха­

ством Лелуа описано соединение, представляющее

рид-пирофосфорил-долихола долихол должен сна­

собой олигосахарид-пирофосфорил-долихол( олиго­

чала подвергнуться фосфорилированию с образова­

сахарид-Р-Р-Dоl), которое, как показали дальней­

нием долихолфосфата (Dol-P) в реакции. катализи­

шие исследования, играет ключевую роль в биосин­

руемой

долихолкиназой

при использовании АТР

тезе N-связанных гликопротеинов. Олигосахаридная

в качестве донора фосфата.

 

цепь этого соединения имеет общую структуру (Glc)з

GlcNAc-пирофосфорил-долихол (GlcNAc-Р- Р­

(Man)9 (GlcNAC)2-R, где R = P-P-Dol. Сахара

Dol) является ключевым

липидом,

действующим

сначала собираются на пирофосфорил-долихоловом

в качестве акцептора других сахаров при сборке

остове, а затем олигосахаридная цепь переносится

олигосахарид-пирофосфорил-долихола. Он синтези­

целиком к соответствующим Аsп-остаткам акцеп­

руется в мембранах эндоплазматического ретикулу­

торных апогликопротеинов в ходе их синтеза на

ма из Dol-P и UDPGlcAc в следующей реакции:

мембраносвязанных полирибосомах. При образова­

Dol-P + UDPGlcNAc-~ G1cNAc-Р -Р-Ооl + UMP.

нии олигосахаридной цепи сложного типа удаляются

Эта реакция, представляющая собой первый этап

остатки Glc и 6 остатков Мао и возникает пентасаха-

сборки

олигосахарид-пирофосфорил-долихола.

Н

СН,

 

СН,

 

 

I

I

 

I

 

 

HO--СНа-СНа-С-СНа CHa-СН=С-СНа CHa-СН=С-СН,

I

СН,

Рис. 54.5. Структура долихола. Фосфат в долихолфосфате присоединяется IC первичной спиртовой группе 8 левом конце молекулы. Группа в скобках- изопреновый компонент (n-17-20 изопреноидных единиц).

306

Глава 54

UDPGlcNAc

DOI-P* е

- - - - Туникамицин

UMP

GlcNAc-Р-Р- Ооl

 

 

 

М-М,

,

 

UDPGlcNAc ':J

 

 

 

,/

 

 

 

 

 

М

 

 

 

 

 

 

М-М

 

M-(GlсNАс)2-Р-Р-Dоl

UDP'~

 

 

 

G-G-G -М-М-М

/'

 

 

 

 

 

 

GlcNAc -GlсNАс- Р - Р - Ооl

 

 

 

~P-OOI

 

 

GDP-M~

 

 

 

I'М-Р-ООI

G-P-Dol

GDP"- ~

 

 

 

 

 

(М)е- (GlcNAc)2 - Р- Р - Ооl

 

м - GlcNAc-GlсNАс - Р- Р- Ооl

 

 

~P-OOI

 

 

 

 

"'М-Р-ООI

 

 

 

М

"

 

 

 

 

 

 

(GDP-7""

М-М-М

М -(GlсNАс)2 -Р-Р-Ооl

 

M).

(GDP).

 

/

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 54.6. Путь биосинтеза долихол-Р-Р-олигосахарида. Образующиеся специфические связи показаны на рис 54.7. От­

метим, что внутренние маннозные остатки происходят из GDР-маннозы, тогда как донорами маннозных остатков, зани­

мающих более наружное положение. и глюкозных остатков являются Долихол-Р-манноза и долихол-Р-глюкоза. UDP-

уридиндифосфат; Dоl-долихол; Р-фосфат; UMP-уриДинмонофосфат; GDР-гуанозиндифосфат; М-манноза;

G-глюкоза.

а также другие реакции, протекающие позднее. сум­

мированы на рис. 54.6.

Cyrb последующих этапов сборки олигосахарид­ пирофосфорил-долихола можно свести к следующе­

му:

а) второй остаток GlcNAc присоединяется к перво­ му; донором и в этом случае служит UDPGlcNAc; б) происходит присоединение пяти остатков Мап

сиспользованием в качестве донора GDP-

маннозы;

в) присоединяются еще четыре дополнительных

остатка Мап, при этом донором служит Dol- P-Man, который образуется в ходе реакции

Dol-P + GDP-Man -+ Dol-P-Man + GDP,

г) наконец, образуются три перифервческих остатка глюкозы, их донором является Dol-P-Glc, обра­

зующийся в реакции, аналогичной представлен­

ной выше, за тем исключением, что в качестве суб­ стратов здесь выступают Dol-P и UDPGlc.

Следует отметить, что роль доноров первых 7 са­

харов (2 остатка GlcNAc и 5 остатков Man) выпол­ няют нуклеотидсахара, а последних 7 сахаров (4 остатка Man и 3 остатка Glc)-долихолсахара. Ито­ гом всех описанных реакций является сборка соеди­ нения, представленного на рис. 54.7 и кратко обозна­ ченного как (Glc)з (Man)g (GlcNAc)2-Р-P-Dol.

Олигосахарид, присоединенный к долихолу-

Р-Р, переносится целиком с образованием N-

гликозидной связи С одним или несколькими специ­

фическими остатками Asn акцепторного белка. Реак­ ция катализируется мембраносвязанным ферментом

олигосахарид-трансферазоЙ. Трансфераза узнает

и переносит любой гликолипид с общей структурой R - (GlcNAC)2-Р- P-Dol. Гликозилирование проис­

ходит по остатку Asn трипептидной последователь­

ности Asn-X-Ser/Thr, где Х- любая аминокислота,

за исключением, вероятно, пролина или аспартата.

При этом предпочтительно используется трипептид, содержащийся в Р-спирали. Лишь треть остатков Asn, являющихся потенциальными акцепторными

центрами, реально подвергаются гликозилирова­

пию. Акцепторные белки могут принадлежать и к се­ креторному, и к общему мембранному классу. Цито­

зольные белки гликозилируются редко. Реакция

переноса и последующие процессы в ходе гликозили­

рования N-связанных гликопротеинов, а также их субклеточная локализация представлены на рис.

54.8.

Другим продуктом олигосахарид-трансферазной

реакции является долихол-Р-Р, который затем

превращается в долихол-Р под действием фосфата­

зы. Долихол-Р может вновь служить акцептором для синтеза следующей молекулы олигосахарид­ Р-Р-долихола.

2. Процессннг олигосахаридной цепи

Гди"оnроmеины u nроmеоглu"аны

307

Мап а1,2 Мап

~6

 

Мап

/

~6

Мап~ Мап

Мап (31,314). GlcNAc_GlcNAc-Р-Р- Долихол

±Gfc~±Glc~Glc~ма~мап~м~3

Рис. 54.7. Структура долихол-Р-Р-олигосахарида. (Reproduced. with permission. from Lennarz W. J. The Biochemistry оГ Glycoproteins and Proteoglycans. Plenum Press, 1980.)

а) Раннии стадии. Различные реакции, участвующие

в этом процессинге, представлены на рис. 54.8. Оли­

госахарид-трансфераза катализирует реакцию 1 (см.

выше). Реакции 2 и 3 сводятся к удалению одного концевого и двух соседних остатков а1с под дей­ ствием глюкозидазы 1 и глюкозидазы 11 соответ­ ственно. В случае богатых маннозой гликопротеи­ нов процесс на этом может либо остановиться. либо будут отщепляться еще и остатки Мап (числом до 4-х). Однако для образования сложных цепей необходи­

мы дополнительные стадии. Четыре внешних остат­ ка Мап должны удалиться в реакциях 4 и 5 при уча­ стии двух различных маннозидаз. В реакции 6 оста­

ток GIcNAc присоединяется к одному из остатков Мап под действием G1cNAc-трансферазы 1. В резу­

льтате становится возможной реакция 7, которая ка­ тализируется другой маннозидазой (а-маннозидазой

11 Гольджи). Она приводит к уменьшению числа остатков Мап до 3 (рис. 54.4).

Важный дополнительный путь представлен на рис. 54.8 (реакции 1 и 11). Он включает ферменты,

предназначенные для лизосом и направляемые в них

специфическим химическим маркером. В реакции

1 остаток G1cNAc-l-Р присоединяется к 6-му атому углерода одного или нескольких специфических остатков Мап этих ферментов. Реакция катализируе­ тся G1cNAc-фосфотрансферазой, использующей UDPG1cNAc в роли донора и генерирующей в каче­

стве второго продукта UMP:

GlcNAc-фосфотраНСфераза

UDPGlcNAc + Мап- белок

-+

GlcNAc-l-Р-6-Мап-белок + UMP.

 

В реакции 11 GlcNAc удаляется под действием

фосфодиэстеразы. а остатки Мап остаются фосфо­

рилированными в 6-м положении:

 

Фосфоди­

 

эстераза

GlcNAc-I-Р-6-Мап-белок

Р-6-Мап-белок +

больных с I-клеточной болезнью (см. ниже) характе­

ризуются резким дефицитом активности GlcNAc-

фосфотрансферазы.

б) Поздняя стадия. Для сборки типичной сложной

олигосахаридной цепи необходимо. чтобы к струк­

туре, образовавшейся в реакции 7, были присоедине­ ны дополнительные сахара. Так, в реакции 8 к пери­ ферическому остатку Мап второй ветви биантенной

структуры, представленной на рис. 54.8, присоеди­

няется второй остаток G1cNAc; фермент, катализи­

рующий эту реакцию-GlсNАс-трансфераза 11. Ре­

акции 9, 10 и 11 состоят в присоединении к указан­

ным местам остатков Fuc, Gal и NeuAc и катализи­ руются соответственно фукозил-. галактозил- и сиа­

лил-трансферазами.

Субклеточнаи локализация. Как показано на рис.

54.8, главными структурами, участвующими в процес­

сах гликозилирования, являются эндоплазматиче­

ский ретикулум и комплекс Гольджи. Присоедине­

ние олигосахарида протекает в шероховатом эндо­

плазматическом ретикулуме во время или после

трансляции. Удаление а1с и некоторых из перифери­ ческих остатков Мап также происходит в эндоплаз­ матическом ретикулуме. Комплекс Гольджи состоит из цис-, медиальной и траnс-цистерн; они могут быть разделены с помощью соответствующих мето­

дик центрифугирования. Везикулы, содержащие гли­

копротеины, по-видимому, формируются в эндо­

плазматическом ретикулуме и переносятся в цис­

цистерну Гольджи. В ряде исследований показано, что ферменты, участвующие в биосинтезе гликопро­

теинов, обладают различной локализацией в цистер­

нах Гольджи. Как видно из рис. 54.8, а-маннозидаза 1 (катализирующая реакцию 5) присутствует глав­

ным образом в цuс-цистернах, а фукозил-, галакто­

зил-и сиалил-трансферазы (катализирующие реак­ ции 9, 10 и l1)-в траnс-цистернах комплекса Го­

льджи.

+ GlcNAc.

Регуляция гликозилирования гликопротеинов

 

 

Гликозилирование гликопротеинов-это сло­

Рецепторы Мап-6-Р. локализованные в комплек­

жный процесс, в котором принимает участие боль­

се Гольджи, связывают остаток Мап-6-Р этих фер­

шое количество ферментов. В настоящее время уже

ментов и направляют их в лизосомы. Фибробласты

описано 7 отдельных GlcNAc-трансфераз, а теорети-

308

Тшва 54

Эндоплазматический ретикулум

Аппарат Гольджи ,---0

p-tfp~-рiYр-~ uz ~ г:у

~ --lUDP-·l ~

Рис. 54.8. Схема проuессинга О.'Iигосахаридов. Реакция катализируется следующими ферментами: 1 -

олигосахаридтрансферазой: 2-u-глюкозидазой 1; 3-а-глюкозидазой 11; 4-ферментами эндоплазматического

рстикулума - а 1,2-маннозидазuй, N-ацетилглюкозаминилфосфотрансферазой, N-ацетилглюкозамин-l-фосфоди­

эфир-а-N·,щетилглюкозаМИНllдазоЙ; 5-а-маннозидазой I комплекса ГО.1ЬДЖИ; 6-N-ацетилглюкозаVJинилтранс­

феразой

1;

7 - a-маннозида'юй

11

комплекса

ГО:IЬдЖИ; 8 - N-ацети.lглюкоза~tинилтрансферазоЙ

11; 9 -фу­

кuзилтrансферазой; 10 - галактози.'IТрансфера10Й; 11-

сиалилтrансфсраJОЙ.

• - N-ацеТИ!Iглюкозамин;

0 - ман­

ноза;

-Г.'lЮКU1а: 6 -фукоза:

-

галактоза: • -

сиаловая КИС.'Iота. (Rcproduced. v,;ith рсгшissiuп. [гот Komfeld R.,

 

 

Kornfeld S. Assembly of asparagil1e-linked oligosaccharides. Аппи. Rev. Biochcm .• 1985,54,631.)

 

чески их может быть еще больше. Существует также

центров в белках; 2) уровень Dol-P в гкани; 3) актив­

множество ДР}ГИХ видов гликозилтрансфераз (на­

ность олигосахаридтрансферазы.

 

пример, сиалилтрансферазы). К регуляторным фак­

В регуляции процессинга участвуют многие фак­

торам первой стадии (т. е. сборки и переноса олиго­

торы:

 

 

сахаридов) биосинтеза N-связанных гликопротеинов

1) различные гидролазы и трансферазы играют

относят

1)

ШlЛичие соответствующих акцсп горных

важную роль в

определении типа образующихся

ГлuкоnроmеUllЫ u npomeol.IUKQlIbl

олигосахаридных цепей (например. сложных или вы­

Таблица 54.6. Три ингибитора ферментов, участвуюших

в гликозилировании гликопротеинов. и место их действия

сокоманнозных). Очевидно, что в отсутствие какой­

 

 

 

нибудь трансферазы в ткани не может синтезирова­

 

 

 

ться соответствующая сахарная связь;

Инrибитор

Место действия

2) некоторые ферменты могут проявлять свою

 

 

 

активность только после предварительного действия

Туникамицин

Ингибирует

катализируемое

другого фермента. Например, для функционирова­

 

ферментом

присоединение

ния Q-маннозидазы 11 комплекса Гольджи необходи­

 

 

GlcNAc к долихолу-Р, пер­

мо предварительное действие GlcNAc-трансферазы

 

вый этап в биосинтезе оли­

1 (рис. 54.8);

 

госахарид-Р--Р-долихола

3) активность различных трансфераз может пер­

Дезоксиноджиримицин

Ингибитор глюкозидаз 1 и 11

 

Свайнсонин

Ингибитор маннозидазы 11

иодически увеличиваться и уменьшаться в ходе раз­

вития, что отчасти объясняет, каким образом на раз­

ных стадиях жизненного цикла организма могут

образовываться различные олигосахариды; 4) определенную регуляторную роль играет раз­

ная внутриклеточная локализация отдельных глико­

зилтрасфераз. Например, если белок предназначен для включения в мембраны эндоплазматического ретикулума [например, гидроксиметилглутарил (ГМГ)-СоА-редуктаза] он никогда не поступит в цистерны комплекса Гольджи и не будет взаимо­ действовать с локализованными там ферментами процессинга. В связи с этим не удивительно, что ГМГ-СоА-редуктаза принадлежит к высокоманно­

зным гликопротеинам;

быть использованы в эксперименте для подавления различных стадий биосинтеза гликопротеинов и изу­ чения влияния на него специфических сдвигов, вызы­

ваемых этими соединениями. Например, если клетки

растут в присутствии туникамицина, гликозилирова­

ния их N-связанных гликопротеинов не происходит.

В некоторых случаях отмечается увеличение чув­

ствительности таких белков к протеолизу. Ингиби­

рование гликозилирования, по-видимому, не оказы­

вает существенного влияния на секрецию гликопро­

теинов, которая остается нормальной.

5) еще один важный факторэто конформация

белка. Близкородственные гликопротеины вирусов,

растущих в одних и тех же клетках, обладают раз­ личными типами олигосахаридных цепей. Наилуч­

шее объяснение этого факта состоит, по-видимому,

в том, что такие белки должны иметь различную конформацию, определяющую степень процессинга; 6) существуют значительные различия в наборе ферментов процессинга в клетках разных видов.

Олигосахариды вируса Sindbis варьируют (от бога­

тых маннозой до сложных) в зависимости от типа

клетки хозяина, в которой растет этот вирус;

7) в настоящее время большое внимание привле­

кают исследования активности ферментов процес­

синга гликопротеинов в различных типах раковых

клеток. Показано, например, что данные клетки син­

тезируют олигосахаридные цепи, отличающиеся от

таковых в здоровых кл~тках (обладающие высокой разветвленностью). Особый интерес представляет

корреляция активности отдельных ферментов процес­

синга с метастатическими свойствами некоторых ти­

пов опухолевых клеток (см. гл 57).

Ингибиторы процессов, участвующих

в ('ликозилировании

Известен ряд соединений, ингибирующих различ­ ные реакции процессинга гликопротеинов. Наиболее

известные среди них -туникамицин, дезоксиноджи­

римицип и сваЙнсонин. Ингибируемые ими реакции указаны в табл. 54.6. Перечисленные агенты могут

I-КЛЕТОЧНАЯ БОЛЕЗНЬ

Как отмечалось выше, одна из функций Man- 6-Р- распознавать и НC:tправлять ферменты лизосом

к этим органеллам. Этот факт был установлен при

изучении культивируемых фибробластов. получен­ ных от пациентов с I-клеточной болезнью (клетки

свкmoчениями-inсlusiоn сеll). I-Клеточная боле­

знь-это редкое нарушение, при котором в культи­

вируемых клетках отсутствуют почти все обычные

для них лизосомные ферменты и вследствие этого

накапливается множество различных видов недегра­

дированных молекул. В то же время в пробах сыво­

ротки больных I-клеточной болезнью можно обна­ ружить высокую активность лизосомных фермен­

тов, откуда следует, что их синтез при данном забо­

левании происходит, но они не достигают предна­

значенных для них внутриклеточных органелл. Куль­ тивируемые клетки больных способны поглощать до­

бавляемые в культуру лизосомные ферменты, следо­

вательно, в таких клетках присутствует нормальный

рецептор для них. Установлено, что у больных 1-

клеточной болезнью лизосомные ферменты не ра­ спознаются, между тем у здоровых лиц функцию ра­ спознавания выполняет Man-6-P. Для культивируе­

мых клеток больных характерна недостаточная ак­

тивность GlcNAc -фосфотрансферазы. что объясняет отсутствие в лизосомных ферментах соответствую­

щих клеток маркера Man-6-P. Таким образом, био­

химические исследования данного заболевания не

только позволили объяснить его природу, но также

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]