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1、糖蛋白、蛋白聚糖Glycoprotein and Proteoglycan 糖化学概述糖蛋白蛋白聚糖一、糖化学概述Section The Overview of Carbohydrate Chemistry 是四大类大分子之一。另外三大类是脂质、蛋白质和核酸。糖类物质是地球上数量最多的一类有机化合物。地球的生物量干重的50%以上由葡萄糖的聚合物构成的。糖类 (carbohydrate) 糖类广泛的存在于生物界，特别是植物界。动物体内糖的含量虽然不多，但其生命活动所需能量主要来源于糖类。动物2% 细菌 10%30% 植物 85%90% 糖类物质所占比例（按干重计）（一）糖类的生物学作用植物的淀粉
2、和动物的糖原都是能量的储存形式。人体摄入的碳水化合物在体内经消化变成葡萄糖或其它单糖参加机体代谢。1作为生物体的主要能源物质2在生物体转变为其他物质有些糖是重要的中间代谢物，这些中间物为合成其他生物分子如氨基酸、核苷酸、脂肪酸等提供碳骨架。3作为生物体的结构成分纤维素、半纤维素、木质素是植物细胞壁的主要成分。肽聚糖是细菌细胞壁的主要成分。4作为细胞识别的信息分子糖蛋白是一类在生物体内分布极广的复合糖。它们的糖链可能起着信息分子的作用。细胞识别、免疫、代谢调控、受精作用、个体发育、癌变、衰老、器官移植等，都与糖蛋白的糖链有关，并因此出现了一门新的学科，称糖生物学。糖类研究的轨迹是，由糖化学开始，
3、 而后是糖生物化学。当糖类生物化学研究积累了大量的资料，发现糖类的研究与生物学的诸多领域出现了交叉，期间糖生物学正在孕育中。牛津大学 Raymond Dwek 教授以“糖生物学”为题目的综述刊登在1988 年的“生物化学年评” ，宣告了糖生物学这一分支学科的正式诞生。糖生物学 (glycobiology) 糖生物学一般较为广义地认为是，研究自然界中广泛分布的糖(糖链或聚糖 )的结构、生物合成和生物学。然而，在一些专著中，研究和讨论的对象却更多地聚焦在一些重要的复合糖类糖蛋白、蛋白聚糖和糖脂等的糖链的生物学意义。在基因组 /基因组学问世后， 首先紧随其后的是1995 年出现的蛋白质组/蛋白质组学
4、。不久，各种“组/组学”竞相登场，其中包括糖组/糖组学。糖组学 (glycomics) 糖组 (Glycome) 是指一种细胞或一个生物体中全部聚糖种类。糖组学则包括聚糖种类、结构鉴定、糖基化位点分析、蛋白质糖基化的机制和 功能等研究。糖组学和糖生物学，是从不同的角度审视糖类在生物学中的作用。糖组学较之糖生物学，似乎更突出糖这条主线，更系统化。（二）糖类的元素组成和化学本质糖类化合物由碳、氢、氧三种元素组成，其实验式为Cn(H2O)m 。过 去 曾 误 认 为 这 类 物 质 是 碳 (carbon) 的 水 合 物 (hydrate) ， 碳 水 化 合 物(carbohydrate) 由此
5、得名。从糖类的化学本质看，糖类是多羟基醛、多羟基酮及其衍生物或其多聚物。（三）糖的命名与分类个别糖的命名，多数是根据糖的来源给予一个通俗名称，如葡萄糖、果糖、蔗 糖等。糖类糖类物质根据它的结构单元数目多少分为：单糖多糖结合糖寡糖1单糖 (monosaccharide) 不能被水解成更小分子的糖。根据碳原子数目可区分为三碳糖、四碳糖、五碳糖、六碳糖、七碳糖、八碳糖 等。表 9-1 某些常见单糖残基的缩写单 糖 单 糖 衍 生 物阿拉伯糖Ara 葡糖酸GlcA 果糖Fru 葡糖醛酸GlcUA 岩藻糖Fuc 半乳糖胺GalN 半乳糖Gal 葡糖胺GlcN 葡萄糖Glc N-乙酰半乳糖胺GalNAc
6、来苏糖Lyx N-乙酰葡糖胺GlcNAc 甘露糖Man 胞壁酸Mur 鼠李糖Rha N-乙酰胞壁酸MurNAc 核糖Rib N-乙酰神经氨酸NeuNAc 木糖Xyl （唾液酸Sia）单糖的构型最简单的单糖是丙醛糖和丙酮糖，除丙酮糖外， 所有的单糖分子中都含有一个或多个手性碳原子，因此都有旋光异构体。如己醛糖分子中有四个手性碳原子，有24=16 个立体异构体；己酮糖分子中有三个手性碳原子，有23=8 个旋光异构体。L-(-)- 甘油醛 D-(+)- 甘油醛 单糖构型通常采用D、L 构型标记法标记，即以甘油醛为标准，一般距羰基最远的一个手性碳上的羟基与D-(+)- 甘油醛构型相同，即在Fische
7、r 投影式的右侧，即为 D 型。反之即为L 型。自然界中存在的单糖绝大多数是D 型， L 型极少。单糖的端基差向异构又称为异头构型。是差向异构的一种，两个非对映异构体分子（异头物） 的差异在于糖类环形结构半缩醛 /半缩酮碳原子（异头碳）的构型不同。1 号碳的羟基若与5 号碳的羟甲基处于哈沃斯透视式平面的两侧，则定义为-异构体，反之称为-异构体。-D- 吡喃葡萄糖 -D-吡喃葡萄糖2寡糖 (oligosaccharide) 个单糖分子脱水缩合而成，以双糖最为普遍，意义也较大。双糖是由两个单糖分子缩合而成，单糖之间以糖苷键连接。例如：麦芽糖 Glc (14) Glc 乳糖 Gal (14) Glc
8、 蔗糖 Glc ( 1.2) Fru 麦芽糖（ 型）3多糖 (polysaccharide) 多糖是水解时产生20 个以上单糖分子的糖类。包括：均一性多糖：水解时产生一种单糖或单糖衍生物，如淀粉、糖原、纤维素、半 纤维素几丁质 (壳多糖 )等。不均一性多糖：水解时产生一种以上的单糖或/和单糖衍生物，如糖胺多糖类(透明质酸、硫酸软骨素、硫酸皮肤素等) 4结合糖 (glycoconjugate) 又称为复合糖或糖复合物，是指糖类与蛋白质、脂质等生物分子构成的共价结合物。如，糖蛋白和蛋白聚糖为糖类与蛋白质形成的共价结合物。糖脂为糖类与脂质形成的共价化合物。二、糖蛋白Glycoprotein 糖蛋白
9、(glycoprotein) 是一类复合糖或一类结合蛋白质（或称为缀合蛋白质）， 糖链作为结合蛋白质的辅基。蛋白质含量较多，糖所占比例变动大，表现为蛋白质的特性。糖蛋白中的糖链一般少于15 个单糖单位的， 因此这里讲的糖链也称为寡糖链或聚糖链。而且这些寡糖链多有分支。糖蛋白作为细胞信息功能的承担者，既是激素、凝集素、酶、毒素、病毒和细菌等的识别点，又是细胞表面抗原、糖分化抗原和癌发育抗原。糖蛋白上的糖链好像细胞表面的天线，是细胞相互识别、粘着、 信号接收、 免 疫应答、接触抑制、细胞分化、增殖以及受体功能等的分子基础。糖蛋白广泛存在于生物体内，具有很多重要功能。（一）糖蛋白的存在和含糖量分布细
10、胞膜、溶酶体、细胞外液等。许多膜蛋白和分泌蛋白都是糖蛋白。1. 糖蛋白的存在（1）属于膜糖蛋白的，如：血型抗原 (A、B、 O) 组织相容性抗原和移植抗原细胞膜中的免疫球蛋白，病毒和激素等的膜受体（2）属于分泌糖蛋白的，如消化道上皮细胞分泌的粘液主要部分是糖蛋白，如颌下腺粘蛋白、胃粘蛋白。从细胞分泌到胞外体液中的蛋白质也多是糖蛋白。包括血液中存在的激素蛋白质，如促滤泡激素、 促黄体激素、 绒毛膜促性腺激 素；血浆蛋白质，如血清清蛋白、血清类粘蛋白，运铁蛋白，血浆铜蓝蛋白，参与凝血和纤溶的蛋白质（如凝血酶原、纤溶酶原等），以及免疫球蛋白和补体等。（3）作为胞外基质的结构蛋白质，如，胶原蛋白，层粘
11、蛋白和纤连蛋白也是糖蛋白。（4）其他，如：核糖核酸酶、卵清蛋白、鱼的抗冻蛋白都含有糖链。2. 糖蛋白的含糖量不同的糖蛋白中含糖量变化很大，通常糖成分占糖蛋白重量的1%到 80% 。 胃粘蛋白82% 人卵泡囊糖蛋白70% 人红细胞膜的血型糖蛋白60% 颌下腺粘蛋白 50% 血清 -酸性糖蛋白38% 胎球蛋白20% 核糖核酸酶B 8% 免疫球蛋白( IgG ) 4% 胶原蛋白 1% 糖蛋白含糖量糖蛋白中所含的单糖残基的种类：葡萄糖 (Glu) 半乳糖 (Gal) 甘露糖 (Man) N- 乙酰半乳糖胺(GalNAc) 岩藻糖 (Fuc) N-乙酰葡糖胺 (GlcNAc) N- 乙酰神经氨酸(Neu
12、NAc) ，即唾液酸（ Sia） 这些单糖残基，除L-岩藻糖， L-阿拉伯糖和L-艾杜糖醛酸外，一般都是D 型的。（二）糖链结构的多样性糖蛋白和糖脂中的糖链序列是多变的，结构信息丰富，甚至超过核酸和蛋白质。以一个最简单的链单位A-B 为例，对 DNA 来说，只能形成一种结构，例如G-C（当 A、B 分别代表鸟苷酸和胞苷酸时）；对蛋白质来说，也只能形成一种结构，例如，Ser-Lys（如果 A、B 分别代表丝氨酸和赖氨酸） 。对糖链来说，假设 A 为甘露糖， B 为半乳糖， Man 可以和 Gal 的 C2，C3，C4 和 C6 的四个位置中的任一个碳相连，因此ManGal 可以形成4个异构体。由
13、于 Man 和 Gal 连接时可以采取两种异头构型。 和，此二糖可以有8 个 可能的异构体。甘露糖残基可以以呋喃糖或吡喃糖形式存在，这样二糖链可以有16 个异构体。而且这里尚未考虑二糖链与蛋白质结合时，半乳糖残基的异头构型。当链中单位增加时（增至三糖、四糖等），一个确定的序列在蛋白质和核酸的情况都只有一种结构形式，因为它是线形序列，而糖链异构体的数目将以几何级数增加；因为除二糖外寡糖链还能形成支链。一个寡糖链中单糖种类，连接位置、 糖苷键构型和糖环类型的可能排列组合数目是个天文数字。由少数单糖组成的寡糖键，就能形成很多个异构体，例如4 种不同的单糖可形成36864 个四糖异构体。（三）糖肽连接
14、的类型糖蛋白中寡糖链的还原端残基与多肽链的氨基酸残基以多种形式共价连接，形成的连键称为糖肽键。糖肽键的类型可以概况为：N-糖肽键O-糖肽键1N-糖肽键N- 糖肽键是指 -构型的 N-乙酰葡糖胺 ( GlcNAc )异头碳与天冬酰胺( Asn )的 -酰键N 原子共价连接而成的N -糖苷键（图9-1A ） 。被连接的Asn 经常处于多肽链的Asn-X-Thr/Ser 序列中。其中X 为除脯氨酸外的任一氨基酸残基。这种键分布相当广泛，特别是在血浆蛋白和膜蛋白中。糖基与蛋白质连接的几种方式A. N- 糖肽键；B. 与 Ser 或 Thr 相连的 O-糖肽键；C. 与 Hyl 相连的 O-糖肽键；D.
15、 与 Hyp 相连的 O-糖肽键2O-糖肽键糖肽键是指单糖的异头碳与羟基氨基酸的羟基O 原子共价结合而成的O-糖苷键。这类键包括：（l）N-乙酰半乳糖胺( GalNAc ) 与丝氨酸 ( Ser ) 或苏氨酸 ( Thr ) 缩合形成的O-糖肽键。除 GalNAc 外，还有一些单糖如GlcNAc 、Gal、Man、xyl 和 Ara 也可以与 Ser或 Thr 相连。这类键最初从颌下腺、消化道、 呼吸道等粘液糖蛋白中发现，此后相继在免疫球蛋白、胎球蛋白等非粘液蛋白中找到。(2) 半乳糖与羟赖氨酸( Hyl ) 形成的 O-糖肽键。这种键几乎只存在于胶原蛋白中。(3) L- 呋喃阿拉伯糖与羟脯氨
16、酸( Hyp ) 形成的 O-糖肽键-L-(1 O) Hyp 键 存在于所有含Hyp 的植物糖蛋白，包括细胞壁的伸展蛋白、马铃薯凝集素等。（四）糖链的分类糖蛋白中的糖链可根据糖肽键的类型分为两大类：N-连接的糖链 (简称为 N-糖链 ) O-连接的糖链 (简称为 O-糖链 ) 1N-糖链（ N- 聚糖）糖蛋白中糖链一般含1015 个单糖单位。研究表明糖链的变化区域只是糖链的一部分。所有的 N-糖链都含有一个共同的结构花式( motif ) ，称为核心五糖，也称三甘露糖基核心此核心结构是在进入糖蛋白之前以前体形式合成的，此前体是一个多萜醇焦磷酸十四糖，称G 寡糖根据连接于核心五糖（三甘露糖基核心）上的糖基结构与位置，N- 糖链又可分 为三类：复杂型高甘露糖型杂合型(1) 复杂型这类N- 糖链，除三甘露糖基核心外，不含其他甘露糖残基。还原端残基为GlcNAc 1的外链与三甘露糖基核心的两个-甘露糖残基相连。在三类 N -糖链中复杂型结构变化最大，这主要是由于两种结构因素造成的。一是外
