5第四章 聚糖的结构和功能

第四章聚糖的结构与功能

细胞中存在着种类各异的含糖的复合生物大分子，如糖蛋白，蛋白聚糖、糖脂，统称为复合糖类（complex carbohydrate)，又称为糖复合体（glycoconjugate )。组成复合糖类中的糖组分（除｛单个糖基外，称为聚糖（glycan )。就结构而论，糖蛋白和蛋白聚糖均由共价连接的蛋白质和聚糖两部分组成，而糖脂由聚糖与脂类物质组成。体内也存在着蛋白质、糖与脂类三位一体的复合物，主要利用糖基磷脂酰肌醇（glycosylphosphatidyl inositol, GPI）将蛋白质锚定于细胞膜中。

大多数真核细胞都能合成一定数量和类型的糖蛋白和蛋白聚糖，分布于细胞表面、细胞内分泌颗粒和细胞核内；也可被分泌出细胞，构成细胞外基质成分。糖蛋白分子中蛋白质重量百分比大于聚糖，而蛋白聚糖中聚糖所占重量在一半以上，甚至高达95%，以致大多数蛋白聚糖中聚糖分子质量高达10万以上。由于组成糖蛋白和蛋白聚糖的聚糖结构迥然不同，因此两者在合成途径和功能上在存在显著差异。

第一节糖蛋白分子中聚糖及其合成过程

糖蛋白（glycoprotein )分子中的含糖量因蛋白质不同而异，有的可达20%，有的仅为5%以下。此外，糖蛋白分子中单糖种类、组成比和聚糖的结构也存在显著差异。组成糖蛋白分子中聚糖的单糖有7种：葡萄糖（glucose，Glc）、半乳糖（galactose，Gal）、甘露糖（mannose，Man）,N-乙酰半乳糖胺（N-acetylgalactosamine，GalNAC）、N-乙酰葡糖胺（N-acetylglucosamine，G1cNAc）、岩藻糖（fucose，Fuc）和N-乙酰神经氨酸（N-acetylneuraminic acid，NeuAc）。

由上述单糖构成结构各异的聚糖可经两种方式与糖蛋白的蛋白质部分连接，因此，根据连接方式不同可将糖蛋白聚糖分为N-连接型聚糖(N-linked glycan )和0-连接型聚糖（0-linked gly-can）。N-连接型聚糖是指与蛋白质分子中天冬酰胺残基的酰胺氮相连的糖链；0一连接糖链是指与蛋白质分子中丝氨酸或苏氨酸经羟基相连的糖链（图4-1）。所以，糖蛋白也相应分成N一连接糖蛋白和0一连接糖蛋白。

不同种属、组织的同一种糖蛋白的N-连接型聚糖的含量和结构可以不同。即使是同一组织中的某种糖蛋白，不同分子的同一糖基化位点的N-连接型聚糖结构也可以不同，这种糖蛋白聚

79

80 第一篇生物分子结构与功能

糖结构的不均一性称为糖形（glycoform）。

一、N-连接型糖蛋白的糖基化位点为ASn-X-Ser/Thr、

聚糖中的N-乙酞葡糖胺与多肤链中天冬酰胺残基的酰胺氮以共价键连接，形成N-连接糖蛋白，但是并非糖蛋白分子中所有天冬酰胺残基都可连接聚糖。只有特定的氨基酸序列，即Asn-X-Ser/Thr（其中X为脯氨酸以外的任何氨基酸）3个氨基酸残基组成的序列子（sequon）才有可能，这一序列子被称为糖基化位点（图4-1）。一个糖蛋白分子可存在若干个Asn-X-Ser/ Thr序列子，这些序列子只能视为潜在糖基化位点，能否连接上聚糖还取决于周围的立体结构等。

二、N-连接型聚糖结构有高甘露糖型、复杂型和杂合型之分

根据结构可将N-连接型聚糖分为3型：高甘露糖型、复杂型和杂合型。这3型N-连接型聚糖都有一个由2个N-G1cNAc和3个Man形成的五糖核心（图4-2）。高甘露糖型在核心五糖上连接了2~9个甘露糖，复杂型在核心五糖上可连接二、三、四或五个分支聚糖，宛如天线状，天线末端常连有N- Z乙酰,神经氨酸。杂合型则兼有二者的结构。

三、N-连接型聚搪合成是以长萜醇作为聚糖载体

N-连接型聚糖的合成场所是粗面内质网和高尔基体，可与蛋白质肤链的合成同时进行。在内质网内以长萜醇（dolichol, dol )作为聚糖载体，在糖基转移酶的作用下先将UDP-GlcNAc分子中的GlcNAc转移至长萜醇，然后再逐个加上糖基，糖基必须活化成UDP 或GDP的衍生物，才能作为糖基供体底物参与反应，直至形成含有14个糖基的长萜醇焦磷酸聚糖结构，后者作为一个整体被转移至肽链的糖基化位点中的天冬酰胺的酰胺氮上。然后聚糖链依次在内质网和高尔基体进行加工，先由糖苷水解酶除去葡萄糖和部分甘露糖，然后再加上不同的单糖，成熟为各型N-连接型聚糖。图4一3显示从内质网到高尔基体，三种不同类型的聚糖逐步加工的过程。

第四章聚糖的结构与功能81 在生物体内，有些糖蛋白的加工简单，仅形成较为单一的高甘露糖型聚糖，有些形成杂合型，而有些糖蛋白则通过多种加工形成复杂型的聚糖。不同组织的同一种糖蛋白分子中的聚糖结构可以不同，说明N-连接型聚糖存在极大的多样性。即使同一种糖蛋白，其相同糖基化位点的聚糖结构也可不同，显示出相当大的微观不均一性，这可能与不完全糖基化以及糖苷酶和糖基转移酶缺乏绝对专一性有关。

四、O-连接型聚糖合成不需聚糖载体

聚糖中的N-乙酰半乳糖胺与多肽链的丝氨酸或苏氨酸残基的羟基以共价键相连而形成O-连接糖蛋白。它的糖基化位点的确切序列子还不清楚，但通常存在于糖蛋白分子表面丝氨酸和苏氨酸比较集中且周围常有脯氨酸的序列中，提示0-连接糖蛋白的糖基化位点由多肽链的二级结构、三级结构决定。

O-连接型聚糖常由N-乙酰半乳糖胺与半乳糖构成核心二糖，核心二糖可重复延长及分支，再连接上岩藻糖、N-乙酰葡糖胺等单糖。与N-连接型聚糖合成不同，O-连接型聚糖合成是在多肽链合成后进行的，而且不需聚糖载体。在Ga1NAc转移酶作用下，将UDP-Ga1NAc 中的Ga1NAc基转移至多肽链的丝／苏氨酸的羟基上，形成O-连接，然后逐个加上糖基，每一种糖基都有其相应的专一性转移酶。整个过程在内质网开始，到高尔基体内完成。

五、蛋白质β-N-乙酰葡糖胺的糖基化是

可逆的单糖基修饰

蛋白质糖基化修饰除N-连接型聚糖修饰、0-连接型聚糖修饰外，还有β-N-乙酰葡糖胺的单糖基修饰（0-G1cNAc )，主要发生于膜蛋白和分泌蛋白。蛋白质的0-G1cNAc糖基化修饰是在0-G1cNAc糖基转移酶（0-G1cNAc transferase，OGT）作用下，将β-N-乙酰葡糖胺以共价键方式结合于蛋白质的Ser/Thr残基上。这种糖基化修饰与N-或O-聚糖修饰不同，不在内膜（如内质网、高尔基体）系统中进行，主要存在于细胞质或胞核中。

蛋白质在O-G1cNAc糖基化后，其解离需要特异性的β-N-乙酰葡糖胺酶（0-G1cNAcase）作用，0-G1cNAc糖基化与去糖基化是个动态平衡的过程。糖基化后，蛋白质肽链的构象将发生改