六、糖脂和膜蛋白的糖基化

小结

缺乏特异糖脂亚组小鼠的出现，并对其表型详 细研究后，答案可能是两个极端观点的折中： 某些特异的糖脂介导特定的识别事件，但很多 情况下，所有各类糖脂具有重叠和重复的功能。

除决定膜的全部物理性质和介导识别事件外，糖 脂还可以调节特定膜蛋白的性能。 例如，神经节苷脂GM3可以调节表皮生长因子受 体（epidermal growth factor receptor）的活 性。 凭借受体多肽跨膜部分横向结合，这种糖脂可以 抑制受体的激活，并且进一步抑制受体的二聚化 反应。调控膜受体的二聚化，也可能导致受体分 割成脂筏，与其余的膜相比脂筏有较高的黏度。


一般情况下，糖脂是沿膜蛋白途径通过细胞腔内 区室向质膜迁移。
多数糖脂在这一穿行（trafficking）过程中组装 成称作脂筏的分散的微型结构域。一旦坚持到糖 脂接触到细胞膜，这些脂筏叮能引发脂双层内胆 固醇与鞘脂的相互作用。


除糖脂外，鞘脂还包括鞘磷脂，其中磷酸胆碱头 部基团取代了聚糖。
虽然对作为脂筏形成理论基础的分子相互作用尚 未了解清楚，但是脂筏形成了一种与周围呈流体 状的磷脂不同的凝胶相却是公认的事实。去污剂 可以分散开大块膜磷脂，但这些脂筏对去污剂有 抗溶解的作用。
例：利用基因敲除小鼠，探查糖脂在神经系 统中的作用


已经建立起几种不同类型的（基因）敲除小鼠， 用以探查糖脂在神经系统中的作用。 1、缺乏介导葡萄糖脑酰胺合成酶的个体细胞 可以正常增殖，表明糖脂对细胞的基本生理功 能并不重要。但是，缺乏这种转移酶的小鼠的 胚胎，其发育期超不过8天，说明某些葡萄糖 鞘脂对发育的重要性。


人们相信脂筏的形成对糖脂优先靶向极性细胞顶部 表面起一定的作用。 还不清楚这一现象是细胞膜胞质侧脂筏与寻靶蛋白 质相互作用的结果，还是由于这些脂筏的大小而沿 特异途径运送所造成的。 脂筏组分中富含一种被称为小窝的细胞表面烧瓶形 状的内陷( invagination)表明这些脂筏可能有助于 将膜组分分解成这些结构。曾有人提出，这些小窝 参与特殊形式的胞吞作用。

聚唾液酸链之所以产生排斥作用，是因为它体积庞 大且带有负电荷。聚唾液酸化NCAM膜表面间的排 斥作用，能够抑制其他细胞表面受体的黏附功能和 NCAM本身介导的黏附作用。 聚唾液酸的添加与细胞的迁移能力或形状的改变有 密切的联系。因此，脑发育过程中的细胞迁移和轴 突发育与NCAM的聚唾液酸化有关。脑发育变慢， NCAM聚唾液酸化水平急剧下降，表现为当成年人 大脑神经回路（wiring circuitry）建立起来时，神 经元间稳定的相互作用次数增加。

经过还不太了解的跨膜翻转过程之后，紧接着， 脂质移动通过分泌途径，利用接近核苷酸糖供 体的机会，进一步添加糖。相比之下，半乳糖 鞘脂生物合成的第一步发生在腔膜内侧，因此， 为了接近转移酶，不需要进行翻转。 参与糖脂生物合成第一阶段的糖基转移酶，决 定特定细胞核心结构的大小和形状。添加末端 结构的一些酶，与糖蛋白N-连接和O-连接结构 上产生相同精细末端结构的酶相类似。但是， 修饰糖脂和糖蛋白的酶多数情况还是有区别的。
糖鞘脂的脂质部分和糖基磷脂共价结构及糖鞘脂共 同的头部基团
建构相同的精细末端结构。把末端结构和核心结构的两种多样 性结合起来，意味着不同结构的糖脂有上千种。

糖鞘脂有两大类主要的亚族，它们之间的区别 在于鞘氨醇结合的第一个糖是半乳糖还是葡萄 糖。 最基本的半乳糖鞘脂（galactosphingolipid） 是比较简单的硫苷脂（sulphatide）分子，它 的半乳糖是在3位上二硫酸化的。
膜蛋白和糖脂的糖基化

动物的细胞表面含有丰富的糖缀合物。质膜糖 蛋白和糖脂聚糖，产生一种突出细胞表面 l0mm的网状结构（图）。 这种被称为糖萼（glycocalyx）的网状物能够 在薄切片电子显微镜下观察到。糖萼相当于细 胞最外层表面，在细胞间的相互作用中，有明 确规定的作用。与可溶性糖蛋白连接聚糖一样， 质膜聚糖可以在信息和结构两方面起作用。

某些选择性染色神经元特定种群的抗糖脂表位的 抗体，应与这些细胞和它们近邻细胞的相互作用 （例如在轴突导向过程中的作用）相符。邻近细 胞或胞外基质中的凝集素能够与这些末端结构中 的某些结构结合。

但是，已知受体的数目与糖脂上发现的聚糖数目 并不相同，所以糖脂标志和受体不大可能一对一 地互相对应。 与不同糖脂头部基团可能介导不同功能的观点相 比，另一极端观点认为，在不具备不同功能的个 体聚糖情况下，糖缀合物的类别，例如神经节苷 脂，对神经系统正确地发挥作用极为重要。


至少还有7种其他的核心序列。拟乳糖系列 （lactoneo series）中，重复单位为Gal-β-1,4GlcNAc二糖，与糖蛋白结合的N-连接和O-连接 聚糖的聚乳糖胺结构相类似。 这类结构与其他糖脂和糖蛋白聚糖的核心和延伸 结构的相似性，意味着在这两种形式的糖缀合物 上可以建构相同的精细末端结构。把末端结构和 核心结构的两种多样性结合起来，意味着不同结 构的糖脂有上千种。

2、能合成葡萄糖脑酰胺，但缺乏延伸糖脂神经节系 列的GalNAc转移酶的小鼠可以存活。然而，这些小 鼠虽然在形态学上存在正常的髓鞘，但它们要遭受进 行性的脱髓鞘(progressive demyelination)，这表 明，糖脂在稳定髓鞘上有着更为复杂的功能。 3、尽管髓磷脂中含有丰富的半乳糖鞘脂，在缺乏启 动合成半乳糖鞘脂的半乳糖基转移酶的（基因）敲除 小鼠中也能形成髓鞘。在这类小鼠的脑中额外合成的 葡萄糖脑酰胺，可以补偿半乳糖脑酰胺和硫苷脂的缺 失，形成形态学上同样正常的髓鞘。但是，这些小鼠 仍然表现神经缺陷，说明这些小鼠仍然表现为髓鞘功 能不全。

红细胞表面糖萼的电镜图像
一、多数整合性膜蛋白都是糖基化的

在前面已经讨论过一些膜蛋白形式的糖基化。但是， 细胞膜糖蛋白中共同的固有特征，值得进行重点讨论。 常把细胞表面结合的水溶性蛋白质，看作是胞外基质 的一部分，而不是质膜的一部分。因此，主要的质膜 糖蛋白都是整合性膜蛋白。一般说来，与这类蛋白质 连接的N-连接聚糖和O-连接聚糖，与分泌的糖蛋白 上发现的聚糖类似，而且这类聚糖合成和连接的机构 与膜蛋白和分泌蛋白质是共同的。因此，某些结构， 例如含有聚乳糖胺链的延伸结构，在膜蛋白质中就比 较普遍。

二、神经细胞黏附分子的聚唾液酸化阻止 细胞黏附

膜蛋白糖基化的一个重要作用是递呈可与凝集 素结合的各种各样的末端结构。 但是，糖基化也能以其他方式调控黏附作用。 细胞表面聚糖E.添加聚唾液酸（polysialic acid）的作用是一个深人研究的例子。


神经细胞黏附分子（neu-ral cell adhesion molecule, NCAM）以同型相互作用的方式， 介导细胞表面间的黏附作用。由8个至100个 或更多N-乙酰神经氨酸（NeuAc）残基以α2,8连键组成的链，能够特异地添加到神经细 胞黏附分子上，阻止神经细胞黏附分子同型相 互作用，因而排斥黏附作用。

但是，髓磷脂中出现能够结合糖脂头部基团的受 体提出了另一种可能性，可能还有另外的特异性 聚糖-受体相互作用。 髓磷脂相关糖蛋白（myelin-associated glycoprotein）就是这样一种受体，它在稳定髓 磷脂中有着重要作用。


将糖鞘脂的多样性与其在神经系统中的丰富含最 结合起来，表明糖鞘脂具有作为特异识别标志的 潜在能力，这些标志可以在神经系统细胞间很多 识别过程中扮演关键角色。


一般说来，葡萄糖鞘脂（glucosphingolipid） 的头部基团则更为精致，并且常与糖蛋白上的 末端聚糖相同。


很多糖鞘脂最初是从脑中分离的，最常见的一 种结构系列神经节（ganglio）就是根据这一 事实命名的。 最短的神经节系列成员其核心葡萄糖上只连接 一个半乳糖残基，被称为G3，添加一个N-乙 酰半乳糖胺(GalNAc)残基形成G2，再延伸一 个半乳糖残基产生G1。在常用缩略语中，在G 和数目字之间插人第二个字母，表示核心的唾 液酸化状态：M表示单唾液酸化，D和T分别 为二唾液酸化和三唾液酸化等。如果下标添加 有字母是区别异构体中唾液酸不同的结合位置。


在髓鞘中含有丰富的以半乳糖为基础的半乳糖脑 酰胺和硫苷脂，但是髓鞘中也含有大量的各种葡 萄糖鞘脂类。

糖脂的聚糖头部基团能够从几个方面介导髓鞘的 形成，包括髓鞘各层之间的相互作用、髓鞘最内 层和轴突之间的相互作用，以及在被称作郎飞结 （nodes of Ranvier）间隙处的髓磷脂边缘间的 相互作用。
Baidu Nhomakorabea

五、细胞表面糖脂对神经系统的发育非常 重要

糖脂在大部分组织的脂肪成分中的含量一般少 于5％，但在神经系统绝缘轴突的髓鞘(myelin sheath)的脂肪成分中的含量在25%以上。 髓鞘是由施旺细胞(Schwann cell)的质膜和围 绕轴突重复包起来的少突胶质细胞 (oligodendrocyte)形成的。膜层要经受挤压， 胞质表面应彼此相互压紧(图)。压实作用由膜 细胞外表面的相互作用完成。

三、细胞膜含有糖脂和糖蛋白



聚糖除了在动物细胞表面与整合性蛋白连接外，也与 脂质的头部基团连接。嵌入膜双层糖脂（glycolipid） 脂质部分的结构分成两大类(图)。 建构在脑酰胺（ceramide）的糖脂，称为糖鞘脂 （glyco-sphingolipid），因为脑酰胺的形成是由酰胺 连键的脂肪酸与长链氨基醇，即鞘氨醇（sphingosine） 为基础的。与膜糖蛋白相同，糖鞘脂的作用是提供参 与细胞和细胞相互作用的潜在识别标志。糖鞘脂也在 特殊膜结构域的组成中起作用。 相比之下，建构在磷脂酰甘油（phosphatidylglycerol）核心上的糖基磷脂（glycophospholipids） 提供了一种蛋白质锚定在细胞表面上的机制。
膜蛋白糖基化共有模式的概要图
单元分布体（monotopic）跨膜蛋白在任一方位只含一个跨 膜序列；多元分布体（polytopic） 膜蛋白含不同排列方式的 多个跨膜序列；多数膜蛋白共有N-连接和O-连接的两种聚糖 。

含多个跨膜节段的膜蛋白也常常带有N-连接糖基 化。按常规，每个多肽链只有一个糖基化位点， 这种情况常出现在含有30个或更多氨基酸的相对 较大的环内。 在蛋白质中，糖基化多发生在大小适当的胞外环 的N-末端。每个多肽链只选择一个糖基化位点， 表明这些蛋白质上的表面积可用空间有限，其中 膜结构域密切地堆积着α螺旋。由此，这些糖在蛋 白质上面形成了局部的保护伞。
四、糖鞘脂生物合成发生在高尔基体内

糖鞘脂的生物合成与多萜醇连接的聚糖转移到 蛋白中天冬酰胺残基的生物合成相似。 启动葡萄糖鞘脂合成添加第一个葡萄糖残基是 从内质网膜胞质表面核苷酸糖供体开始(图)。

糖鞘脂生物合成途径
半乳糖鞘脂和葡萄糖鞘脂两者的合成是在膜的胞质侧开始的，并 在腔内完成，但是跨膜翻转发生点在两种途径中有所不同；硫酸 基供体为3’-磷酸腺苷-5’-磷酰硫酸（PAPS）


对缺乏半乳糖脑酰胺糖脂或缺乏大分子葡萄糖脑 酰胺脂类小鼠中髓鞘形成的研究结果表明，糖脂 头部基团的物理性质是髓鞘形成过程的关键，糖 的特异序列并不是关键。

头部基团可能有助于在脂双层间保持合适的间距。 髓磷脂的这一功能可能代表糖脂头部基团一般性 作用的特殊形式，在动物细胞表面周围形成隔离 物，建立起糖的网络结构。对细胞膜物理性质产 生的调控作用类似于糖基化对蛋白质结构和稳定 性的直接影响。


质膜表面糖基化位点的分布，没有固定的规律可 循，但存在某种共同的模式（图）。在只有一个 跨膜序列的膜蛋白中，普遍的情况是，离细胞膜 最近的多肽部分，至少有一个N-糖基化位点。特 别在寡聚膜蛋白中，在此区域的糖基化，可能从 突出细胞表面的其他结构域茎部周围形成领圈。 寡糖圆环可能对这类蛋白质确定其垂直于膜表面 的位置有帮助。整合性膜蛋白O-连接糖基化的延 伸区有类似的这种作用。这类聚糖的位置比较靠 近细胞表面，而不是位于糖蕚的表面，使得它们 不大可能成为识别事件的靶标。