Биохимия Р.Марри
.pdf300 |
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