5-糖链的生物学功能糖生物技术课件

糖链的生物学功能
糖链作为信息分子参与细胞生物几乎所有的生物命过程
特异性的识别、介导与调控作用
糖蛋白•糖链对蛋白质的功能起修饰作用，它通过影响蛋白质的整体构象从而影响由构象决定的所有功能
糖脂蛋白聚糖糖链是血型的决定物质并在神经系统中起作用
主要有维持或抑制细胞生长以及在正常发育和病理条件下结合、储存及向靶细胞释放生长因子和参与信号转导等作用
一、糖链影响糖蛋白的构象、转运和活性（一）、糖链影响蛋白新生链的折叠和聚合糖蛋白N-糖链参与新生肽链的折叠和聚合，以维持蛋白质正确的
空间构象
1、影响新生肽链的折叠
去糖基化α1-抗胰蛋白酶的圆二色谱发生改变，不能折叠成正确的构象；
G寡糖中的Glc残基与肽链的折叠密切相关；在糖蛋白合成过程中，当G寡糖被修整除去3个Glc残基后，如果肽链尚未折叠或折叠发生错误，则由葡萄糖基转移酶重新向此糖链加接1个Glc残基。

Glc残基会多次加接和去除，直至糖蛋白折叠完全正确后糖基化才停止。

这不是普遍规律，不少去糖基化的糖蛋白，如胰糖核酸酶B和溶酶
体α-L-岩藻糖苷酶仍能维持正常的折叠和构象。

糖链在亚基聚合中的作用可能是：
（1）维持亚基的正确构象
（2）亚基间通过糖链相互识别和结合；（3）亚基间存在糖链-糖链间的相互作用；
2、影响亚基的聚合
运铁蛋白受体一种二聚体的跨膜蛋白，由两个亚基组成，每个亚基含有3条N-糖链，其中Asn251的糖链为三天线复杂型，该位点若被突变去糖基化后，就不能形成正常的二聚体，并影响受体的转运和功能。

整合
蛋白
整合蛋白去N-糖链后不能形成二聚体
（二）、糖链影响蛋白的转运和分泌
1、糖链影响糖蛋白的转运和水解
糖蛋白N-糖链对新生肽链的折叠和聚合产生影响，从而影响糖蛋白转运。

若糖蛋白N-糖链肽链的折叠和聚合不正确，糖蛋白的空间构象受到改变
或破坏，因而糖蛋白也不能转运至细胞膜。

¾Tf受体、Fn受体和IgG在去N-糖链后，其空间构象的改变或亚基不能聚合，导致糖蛋白堆积于内质网中，不能投送至细胞膜。

¾血型蛋白基因转染至缺失O-GalNAc糖基化作用的CHO突变细胞可提供后，则表达的血型糖蛋白不能转运至细胞膜。

糖链的缺失导致蛋白质水解位点暴露，易于被蛋白酶水解；
糖链的存在对糖蛋白可发挥屏障保护作用，增强糖蛋白的稳定性，使得
糖蛋白免遭蛋白酶的水解。

¾去糖基化的纤连蛋白对组织蛋白酶引起的水解比糖基化的纤连蛋白敏感。

糖链提高糖蛋白水解作用的耐受能力很可能与糖链在糖蛋白的局部位置有关。

¾N-糖链或O-GalNAc糖链末端的NeuAc对防止蛋白质水解是必需的。

2、糖链影响糖蛋白的分泌
¾用衣霉素处理HepG2细胞，并分析其8种血浆蛋白的分泌速度，其中有3种血浆蛋白分泌速率有所降低，其他的5种血浆蛋白分泌速度不受衣霉素影响。

受影响的3种血浆蛋白均含有三天线N-糖链，而其他5种血浆蛋白只有二天线N-糖链。

¾免疫球蛋白如缺乏N-糖链则不能分泌到胞外而留在内质网中。

（三）、糖链影响蛋白的生物活性
1、糖链与酶活
糖链与酶活性的关系随酶而异：
（1）有些酶除去糖链组分后其活性不受影响：如溶酶体α-L-岩藻糖苷酶、UDP-葡萄糖醛酸转移酶、肝脂酶、酵母羧肽酶等；
（2）有些酶的活力依赖其糖链组分：如溶酶体β-葡萄糖苷酶除去糖链后只有免疫在活性而完全失去酶活性；羟甲戊二酰CoA还原酶去糖化后活力可降低90%以上；
2、糖链与激素活性
糖蛋白激素主要有腺垂体激素、胎盘绒毛膜促性腺激素、肾脏红细胞生成素和一些生长因子。

腺垂体激素都是由α亚基和β亚基组成，这两种亚基都有N-糖链；
人绒毛膜促性腺素（hCG)也是由α亚基和β亚基组成，两亚基各含2条N-糖链，其中α亚基Asn52N-糖链末端NeuAc是表现hCG生物活性的最关键的糖链。

3、糖链与IgG活性
IgG的N-糖链多达30多种，几乎都是复杂型；Fc段的糖链和IgG与巨噬细
激活有关。

胞上Fc受体结合以及补体C
1q
二、糖链参与分子识别和细胞识别
分子识别：是一种普遍的生物学现象，是指两个不同分子之间的相互识别，如糖链、蛋白质、核酸和脂质间以及它们相互之间都存在分子识别。

（一）、糖链在受体-配体结合中的作用
分子识别常表现为受体与配的相互作用。

受体（receptor）是指位于细胞膜上、细胞质或细胞核中，能与来自胞外的生物活性分子（信号分子）专一结合并将其带来的信息传递给效应器（如离子通道、酶等），从而引起相应生物学效应的生物大分子。

这些大分子多数是蛋白质如糖蛋白、少数是糖脂和蛋白聚糖等。

配体（ligand)：被受体识别并结合的生物活性分子，包括激素、神经递质、细胞黏着分子等内源性配体和药物、毒素、抗原和病原体等外源性配体。

1、糖链在激素受体-配体结合中的作用靶细胞上受体分子可识别激素分子中的糖链；
¾促黄体生成素（LH）
α亚基和人绒毛膜促性腺素（hCG）中N-糖链的
有无以及糖链末端残基的种类（SO
4-或NeuAc-）或缺失等情况可以影
响激素对受体的亲和力、生物效应和血中的清除率。

激素受体的糖链也能被相应的激素识别；
¾大鼠卵巢LH/hCG受体有6个可能N-糖基化的位点，如果定点突变Asn1 73成Gln后，则LH或hCG的结合能力完全。

突变点Asn77和Asn152可使亲和力位点下降80%，而突变点Asn269、Asn277、Asn291时其结合能力不受影响。

2、糖链在非激素受体-配体结合中的作用
受体对配体糖链的识别
¾孕妇运铁蛋白（Tf）多天线糖链与受体的亲和力较
正常人Tf 二天线糖链低50%，说明Tf 受体能识别
配体Tf分子上的糖链结构。

¾纤连蛋白（Fn）的受体整合蛋白上的糖链改变则明
显影响其与Fn的结合，说明整合蛋白上的糖链参与
了Fn与其结合，是因为Fn分子肽链中存在能识别整
合蛋白糖链的结构域。

运铁蛋白配体对受体糖链的识别
¾牛睾丸溶酶体小分子量的6-P-Man受体（N-糖链外链含较少N-LacNAc 重复顺序及较少的末端NeuAc）与带6-P-Man配体的亲和能力强于与
大分子量的6-P-Man 受体（含较多上述结构）。

（二）、糖链在清除血清老蛋白中的作用血清中很多蛋白质是以NeuAc为末端的N-糖蛋白，如免疫球蛋
白、蛋白质类激素、载体蛋白等。

这些糖蛋白在血清中被清除的速率与糖蛋白N-糖链末端NeuAc残基被切除使Gal残基暴露有关。

糖蛋白N-糖链末端的NeuAc残基去除越多，Gal残基暴露就越多，该糖蛋白被清除的速度就越快；反之，该蛋白被清除的速度就越慢，循环也就越久。

流感病毒颗粒外膜由两种糖蛋白覆盖：一为血细胞凝集素（即H），一为神经氨酸酶（即N
）。

血细胞凝集素（HA）：负责病毒粒子与细胞外表
面以神经氨酸为末端糖链的识别与结合。

呈柱状
刺突，由一个纤维状杆部及3个球形结构的顶部组
成。

3个球形结构绕杆顶端环形排列，3个顶端各
有一个“浅口袋状”结构。

这个浅口袋正适合装入
糖链末端的神经氨酸分子，它与周边的氨基酸形
成弱的氢键和范德华力。

神经氨酸酶（NA）：负责释放在被侵袭细胞中新生成的病毒粒子。

其成熟的形式是具有催化活性的蘑菇状
四聚体。

（三）、糖链在流感病毒侵袭细胞中的作用
流感病毒对细胞的侵袭依赖于病毒粒子表面的糖蛋白分子对细胞膜上
糖复合物糖链末端神经氨酸的识别与结合。

糖脂和糖蛋白是细胞膜的成分，末端含神经氨酸的糖链，可与流感病
毒结合。

（1）流感病毒通过其表面的糖蛋白分子
和流感病毒受体结合后，这部分细胞膜内
陷，形成小囊，病毒粒子包裹在里面；
（2）病毒粒子分防下来形成小囊泡进入
细胞核内体；
（3）在核内弱酸性环境中，病毒粒子膜
与核内体膜融合，使病毒基因转移到细胞
质内；
（4）细胞的合成机构逐渐接受病毒RNA
的指令，开始合成病毒的核酸和蛋白质；
（5）产生的病毒RNA和蛋白质，以及在
高尔基体组装出糖蛋白，从而装配出新的
病毒粒子；
（6）细胞很快裂解放出大量的病毒粒子
；
末端含神经氨酸的糖链是流感病毒受体，不是为病毒入侵而设计的，
是细胞膜的正常成分。

神经节苷脂（ganglioside）从人或动物
的细胞中分离出的含神经氨酸糖复合
物的小分子，是由糖链、脂肪酸和一
个被称为鞘氨酸醇的长链碱基组成，
其中糖链部分含唾液酸，暴露在细胞
外表面，容易被流感病毒所识别并结
合。

神经节苷脂具有结构多样性，因为糖
链的长短、糖基的种类及排列顺序、
连接键型可不同。

不同型别的流感病毒在识别神经节苷
脂末端神经氨酸分子结构时具有特异
性，这种识别糖链的特异非常强。

¾人流感病毒A型的A/PR/8/43病毒株特异性地识别末端序列为Neu5Ac α2→3G al的神经节苷脂，B型的B/Lee/40病毒株特异性地识别末端序列为Neu5Ac α2→6Gal的神经节苷脂，C型的C/Ann/Arbor病毒株特异性地识别末端序列为N eu5,9Ac α2→8Gal的神经节苷脂。

（四）、糖链在精卵结合中的作用
受精是精子与卵子的融合。

哺乳动物的卵子外面有一层透明的糖
蛋白外衣，称透明带（zone pellucida,
ZP）。

透明带由ZP-1、ZP-2和ZP-3三
种糖蛋白组成，受精中起主要作用的
是ZP-3，连接在ZP-3上的O-GalNAc糖
链能被精子表面的凝集素受体识别（
有物种特异性）。

O-GalNAc糖链的非
还原端是一个α-连接的半乳糖残基，
它可能在精卵识别中起关键作用。

精子表面与ZP-3糖蛋白结合的成分是精子顶体表面的一种蛋白质——SP56蛋白；SP56蛋白是二硫键连接成的八聚体，其一端连着精子头部的表面膜，另一端和Z P-3的O-GalNAc糖链末端相结全，结合后精子发生顶体反应，再由顶体蛋白酶作用，精子穿过透明带使卵受精。

（五）、糖链在细胞-细胞以及细胞-细胞外基质黏着中的作用
细胞黏着(cell adhesion)：多细胞生物中细胞有相互识别而聚集成细胞群的能力。

胞外基质(extracellular matrix, ECM)：细胞群或组织中细胞与细胞之间充满的糖蛋白（胶原蛋白、纤连蛋白、层连蛋白）、蛋白聚糖、透明质酸等组成。

在整个生物体中，ECM交织成一个网络结构，所有的细胞都交织或浸泡在这一网状基质中。

细胞黏着分子(cell adhesion molecule,CAM)或黏着蛋白：细胞表面用于连接网络中细胞-细胞和细胞-ECM的分子；绝大多数是含N-糖链的糖蛋白，主要有整合蛋白(integrin)、选择蛋白家族(selectin family)、钙黏着蛋白(cadherin)、免疫球蛋白超家族(Ig superfamily)等。

(heterophic)结合方式
三、糖链构成某些血型物质
人类红细胞血型由多达二十多种的血型系统组成，ABO 和Rh 血型是与人类输血关系最为密切的两个血型系统。

其中有240多种血型决定簇（抗原决定簇），其中很多是糖链。

（一）、ABO 血型系统ABO 血型系统是1900年奥地利兰茨泰纳发现和确定的人类第一个血型系统。

红细胞上只有
凝集原A 的为
A 型血，其血
清中有抗B 凝
集素。

红细胞上只有凝集原B 的为B 型血，其血清中有抗A 凝集素。

红细胞上无
有凝集原A 或
B 的为O 型血
，其血清中
有抗A 和B 凝
集素。

红细胞上有凝
集原A 和B 的为
AB 型血，其血
清无有抗A 或B
凝集素。

ABO 簇的糖链血型物质的化学
本质是指构成血型抗
原的糖脂或糖蛋白，
而血型的特异性主要
取决于血型抗原决定
人类ABO 血型系统的抗原合成基于前体物质H 抗原。

人ABO 血型的抗原系统是ABH ，A 、B 、H 3种血型抗原决定簇化学结构的差异，仅在于糖链末端的1个糖基。

H 抗原是一种糖脂，基本分子结构是以糖苷键与多肽链骨架结合的四糖链，即β-D-半乳糖、β-D-N-乙酰葡萄糖胺、β-D-半乳糖以及在β-D-半乳糖2-位连接的抗原决定簇α-L-岩藻糖。

A 抗原糖链末端比H 抗原多一个GalNAc ；
B 抗原糖链末端比H 抗原多一个Gal ；
定ABO 系统四种血型的抗原糖链组成ABO 血型抗原在多数个体（占85%）中除颁布在红细胞膜和大多数其他细胞膜外，
还以不同浓度存在于血清、精液、唾液、
泪液、消化液、尿液等体液中。

（二）、Rh血型系统
¾Rh血型系统（Rhesus monkeys），意为恒河猴血型系统，是人类的一种血型系统，有阴性与阳性之分。

¾Rh系统可能是红细胞血型中最复杂的一个系统，其重要性仅次于ABO系统。

¾当一个人的红细胞上存在一种D血型物质(抗原)时，则称为Rh阳性，用Rh(+)表示；当缺乏D抗原时即为Rh阴性，用RH(-)表示。

¾大部分人都为阳性，Rh阴性者不能接受RH阳性者血液，因为RH 阳性血液中的抗原将刺激RH阴性人体产生RH抗体。

如果再次输入RH阳性血液，即可导致溶血性输血反应。

但是，RH阳性者可以接受RH阴性者的血液。

¾Rh抗原是由多个亚单位组成的复
合体，该复合体的核心由2个Rh蛋
白和2个RhAG亚单位四聚体组成
，辅助性CD47糖蛋白、LW糖蛋
白、Duff糖蛋白和血型糖蛋白B等
通过非共价键与四聚体相边，经
共价分子的形式存在。

（三）、其它血型系统
Lewis 血型系统不同于其他大多数人的血型系统，主要有几个方面：第一，这是一种存在于唾液与血浆中的可溶性抗原，红细胞获得Lewis 表型是通过从血浆吸附Lewis 物质于红细胞上；第二，红细胞Lewis 表型受ABH 分泌状态影响，虽然Lewis 基因和分泌基因是独立遗传的。

Lewis 血型抗原有Le a 和Le b 两种。

1、Lewis 血型系统
人ABH 抗原和Lewis
抗原决定簇的结构
2、MN 血型系统
红细胞膜上另一类血型抗原叫MN抗原，即红细胞膜上的血型糖蛋白A。

血型糖蛋白A的肽链呈三节式结构，中间第73～92号氨基酸为疏水性肽链，可横穿膜脂层；N端肽链位于膜外侧，与血型活性有关，在这段肽链上分布有15条O-糖苷键型糖链和1条N-糖苷键型糖链，糖链中唾液酸占红细胞膜上全部唾液酸的一半以上；C端肽链位于膜内侧，含较多酸性氨基酸。

MN抗原由M抗原和N抗原两部分组成，如果用神经氨酸酶将M抗原切去1个唾液酸（N-乙酰神经氨酸），则为N抗原，如再切去一个唾液酸则抗原性完全失去。

MN抗原的抗原性还和肽链上的氨基有关，若将氨基用乙酰基保护后即失去抗原性。

四、糖链在神经系统中的作用
细胞外基质或细胞表面糖蛋白、糖脂或蛋白聚糖的糖链在神经系统
发育、神经网络形成和神经肌肉接头等方面起着关键作用。

在神经系统发育中的作用
聚白聚糖既是神经元和神经胶质细胞基因表达的产物，又是构成细胞外环境的主要成分，因而在时间和空间上与神经系统的发育均有密切的关系。

多聚唾液酸参与了神经细胞迁移、轴突导向、神经自发性收缩、突触发生等；而二唾液酸与神经的分化和向外生长有关。

在神经系统发育中的作用
硫酸软骨素蛋白聚糖既是神经元形态发生的调节因子又是轴突的导向分子。

HNK-1糖(sulfoglucuronl carbohdrate) 对突触可塑性和空间记忆的形成以及脑的高功能状态起关键作用。

在神经系统发育中的作用
串珠蛋白聚糖(perlecan)是大分子的硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，对乙酰胆碱酯酶定位于神经肌接头起重要作用。

五、糖链与疾病
恶性肿瘤细胞和正常细胞的物质代谢有很大的不同，参与代谢的很多酶都生了活力的改变，以适应肿瘤不断分裂增殖的需要，其中糖基转移酶是一类在恶性肿瘤细胞中活力有明显改变的酶。

（一）、恶性肿瘤
1
、恶性肿瘤引起细胞表面糖链结构的改变
4种糖基转移酶在不同恶性肿瘤中活力的改变
糖链的结构是由其糖链合成过程中的各种糖基转发并所决定的，所以恶性肿瘤中糖基转移酶活力的变化必然带来细胞合成糖链结构的改变。

恶性肿瘤糖蛋白N-糖链结构改变的类型
恶性肿瘤细胞无论是糖蛋白或糖脂的糖链都常会出现唾液酸化增高的趋势，还可出现多聚唾液酸及多聚唾液酸的内酯化，并常发生唾液酸的9-O-乙酯化。

细胞表面糖缀合物结构的改变必然对肿瘤细胞的行为以及肿瘤细胞与肿瘤细胞之间、肿瘤细胞与肿瘤患者细胞之间及肿瘤细胞与细胞外基质成分之间的相互作用产生重要的。

这种影响直接与肿瘤细胞的恶性行为，如增殖、侵袭与转移相关。

2
、糖链结构的改变对恶性肿瘤恶性行为的影响糖链的不同糖基化结构与肿瘤细胞侵袭和转移的关系
3、恶性肿瘤细胞表面的糖标志物与预后判断肿瘤细胞表面一些糖缀合物糖链的结构可以作为某些癌细胞的标志物。

不同癌细胞表面的标志物及预后判断
（二）、自身免疫性疾病
免疫球蛋白（Ig）均有糖蛋白，有五类，其糖链有三种结合方式：N-糖链、O-糖链和GPI-锚连的糖链。

1、类风湿性关节炎（RA）
RA是指一种病因不明的慢性、全身性、炎性疾病，以对称性、进行性和破坏性关节病变为主要特征。

RA与血浆中IgG的N-糖链异常有关。

2、IgA肾病
IgA肾病是肾小球病变的常见形式。

IgA肾病与血浆中IgA1的O-糖链末端Gal缺失有关。

主要需掌握的知识点
•什么是分子识别、受体、配体？
•糖链在受体-配体结合中的作用主要体现在哪些方面•详述糖链在流感病毒侵袭细胞中的作用如何？。