Glicozilare Bazinul de zahăr în jobul cu jumătate de normă PZ - Pharmazeutische Zeitung

De Theo Dingermann și Ilse Zündorf/Nimeni nu poate trăi fără zahăr. Acest lucru nu este în niciun caz doar din cauza lipsei unei surse principale de energie. Fără moleculele de zahăr potrivite, membranele celulare și proteinele nu funcționează, sistemul imunitar rătăcește și membranele mucoase se usucă. Deci zahărul are locuri de muncă cu normă întreagă și cu jumătate de normă. Merită să aruncăm o privire mai atentă asupra unora dintre aceste sarcini.

Zahăr - un cuvânt care polarizează. Stârnește asocieri seducătoare și devine un spectru în momentul următor. Dar ce se înțelege de fapt atunci când vorbim despre zahăr?

Majoritatea oamenilor se gândesc la zaharoza dizaharidă atunci când vorbesc despre zahăr, cel mai important îndulcitor din sectorul alimentar. În această moleculă, cele două monozaharide glucoză și fructoză sunt legate printr-o legătură glicozidică neobișnuită, care le răpește monozaharidelor o parte considerabilă a reactivității lor.
Alții se gândesc la glucoză, molecula de zahăr fără de care creierul nostru nu poate gândi. Pe de altă parte, glucoza joacă un rol central în patogeneza uneia dintre cele mai mari epidemii actuale, diabetul zaharat.
Probabil o minoritate asociază termenul zahăr cu un grup respectabil de molecule chimice foarte asemănătoare, care pot fi biochimic foarte speciale. Reprezentanții acestui grup, care, desigur, includ glucoză, fructoză și zaharoză, pot forma compuși unul cu celălalt, dar și cu alte clase de molecule, cum ar fi lipidele și proteinele, și în această formă preiau funcții biologice foarte relevante din punct de vedere fiziologic.

"width =" 550 "height =" 121 "/>

Zahărul face diferența: în briose, precum și în celule, proteine și lipide.

Deci zaharurile nu sunt în niciun caz „doar” o sursă de energie. Acestea sunt elementele de bază ale biomembranelor și ale pereților celulari. Acestea acționează ca componente ale ingredientelor vegetale secundare și le conferă un comportament special de dizolvare, o stabilitate mai bună și uneori chiar spectrul lor tipic de activitate. Acestea servesc ca puncte de andocare pentru viruși sau toxine bacteriene și ca puncte de recunoaștere pentru interacțiunile celulă-celulă. Ele ajută la plierea corectă a proteinelor și marchează proteinele pentru a intra în anumite organite celulare sau în compartimente extracelulare. Mai mult, zaharurile protejează o serie de proteine de degradarea hidrolitică prea rapidă de către proteaze și astfel le influențează farmacocinetica. Și dacă lanțurile oligozaharidice nu sunt asamblate corect, pot declanșa reacții imunologice și alte defecțiuni. Zaharurile veghează astfel asupra integrității biologice.

Glucoza: molecula inițială în metabolism

Într-un sens, glucoza apare din nimic - în termeni foarte simplificați. Dacă semințele plantelor cad pe pământ, cantități uriașe de biomasă cresc din ele în timp, fără a fi nevoie de „hrănire suplimentară”. Din aer (CO2), apă și lumină, precum și câteva oligoelemente (azot, sulf, fosfat și altele), care sunt omniprezente în sol, glucoza se formează în timpul fotosintezei. Acesta este folosit de organismele autotrofe ca material de bază pentru a sintetiza toate celelalte biomolecule.

Fotosinteza produce 2 x 10 11 tone anual de D-glucoză, dintre care majoritatea rămâne sub formă de mono-, oligo- și polizaharide la nivelul glucidelor. Doar 5% sunt implicați în sinteza altor metaboliți primari și secundari (1).

Figura 1: Prezentare generală a structurilor importante de zahăr; simbolurile sunt afișate lângă abrevieri.

Grafică: Stephan Spitzer

Conversia glucozei în alte molecule de zahăr duce la hexozele fructoză, galactoză și manoză, pentozele arabinoză, fucoză, riboză și xiloză, aminoacizii glucozamină, N-acetilglucozamină, galactozamină, N-acetilgalactozamină și acid N-acetilneuraminic (acid sialic) ( Ilustrația 1). Similar cu aminoacizii în cazul proteinelor și nucleotidelor în cazul acizilor nucleici, aceste monozaharide servesc drept elemente sintetice pentru un număr enorm de oligo- și polizaharide. Cu o diferență importantă: în timp ce monomerii individuali sunt legați foarte uniform în proteinele liniare și acizii nucleici, iar informațiile sunt conținute doar în numărul și secvența blocurilor de bază, în carbohidrați poziția și configurația legăturii glicozidice, precum și diferitele ramuri conduc, de asemenea, la una. densitate de informații extrem de mare. Prin urmare, glicozilarea are o capacitate de stocare biologică enormă care o depășește cu mult pe cea a purtătorilor de informații clasici, cum ar fi acizii nucleici și proteinele.

Toate funcțiile zahărului pot fi greu reprezentate într-un articol de recenzie. Prin urmare, ne concentrăm în principal pe marcarea suprafețelor biologice sub formă de glicocalix și pe funcția lanțurilor de zahăr din glicoproteine.

Glicocalix

Suprafața orientată spre exterior a celulelor eucariote este „decorată” cu o rețea de polizaharide; acest lucru este cunoscut sub numele de glicocalix. Compoziția detaliată a acestui glicocalix este atât de individuală, încât doar gemenii identici au un glicocalix identic din punct de vedere chimic. Acest lucru sugerează că această rețea complexă de zahăr îndeplinește sarcini foarte importante.

Glicocalixul protejează membrana plasmatică, printre altele, de fuziunea necontrolată cu alte membrane și delimitează celula din exterior. Dar conține și componentele prin care poate fi recunoscut de alte celule ale corpului, precum și de bacterii, viruși și toxine; aceasta este baza proceselor de adeziune celulară. Câteva exemple de funcții biologice ale glicocayxului:

Recunoașterea celulă-celulă prin intermediul antigenilor membranari,
Receptor și „funcții de captare” în serviciul absorbției substanțelor prin endocitoză,
Legarea anticorpilor de antigenele grupelor sanguine pe eritrocite,
Aderența și extravazarea ulterioară a leucocitelor pe celulele endoteliale ale vaselor,
Fertilizarea ovulelor de către spermă sau
Legarea hemaglutininelor virusurilor gripale de acizii sialici ai glicocalixului.

Membranele intracelulare pot purta, de asemenea, un glicocalix care este îndreptat spre lumenul organelor. Glicocalixul lizozomilor este bogat în structuri de zahăr dificil de descompus, care previn distrugerea membranelor lizozomale de către numeroasele molecule lizozomale agresive.

Structurile zahărului sunt ancorate în membrane de lipide membranare integrale (glicolipide) și proteine de membrană (glicoproteine).

Glicolipide

Figura 2: Structura gangliozidului GM3. Acest glicosfingolipid este format din ceramidă, care este compusă din amino-alcool sfingozină cu un acid gras legat. Dacă un grup de hidroxil al sfingozinei este atașat un reziduu de zahăr, se formează o cerebrozidă, aici o glucocerebrozidă. Pentru GM3, se adaugă o galactoză și un reziduu de acid N-acetilneuraminic (pentru simbolurile zahărului, vezi Figura 1).

Grafică: Stephan Spitzer

Glicolipidele sunt componente importante ale membranei celulare și aduc o contribuție semnificativă la glicocalix. Partea lipofilă este formată din sfingozină, la a cărei grupă amino este atașat un acid gras; această unitate este, de asemenea, cunoscută sub numele de ceramidă (Figura 2). Diverse zaharuri pot fi acum legate de gruparea hidroxil sub formă de mono- sau oligozaharide. În cea mai simplă formă cu glucoză, se formează glucozilceramida.

În general, o ceramidă de care este legată o singură hexoză se numește cerebrozidă; în mod corespunzător, se pot distinge galactocerebrozidele și glucocerebrozidele care au legat galactoză sau glucoză. Gangliozidele, pe de altă parte, sunt glicozifingolipide în care mai multe molecule de zahăr sunt legate de ceramidă, cel puțin un acid sialic acid și unul sau de obicei mai multe reziduuri de acid acetilneuraminic (Neu5Ac) fiind conținute.

În ciuda diversității și complexității ridicate a structurilor, există câteva exemple proeminente, dintre care cele mai cunoscute sunt cu siguranță factorii determinanți ai grupelor sanguine A și B. Acestea sunt strâns legate și au un precursor comun: sugarii exprimă doar așa-numitul antigen H pe celulele roșii din sânge, o secvență formată din cinci molecule de zahăr care este legată de o lipidă sau proteină (Figura 3). Antigenele grupului sanguin adult se dezvoltă din acest precursor prin atașarea unui reziduu de N-acetilglucozamină (grupa sanguină A) sau a unei alte componente de galactoză (grupa sanguină B) la unitatea galactoză a antigenului H cu ajutorul glicoziltransferazelor specifice. Purtătorii grupei de sânge 0 nu produc nici enzima specifică pentru grupa de sânge A și nici enzima specifică pentru grupa de sânge B, astfel încât niciun alt element constitutiv nu este atașat la antigenul H.

Este interesant faptul că glicozilarea celulelor sanguine este asociată cu o susceptibilitate diferită pentru agenții patogeni și a fost aparent foarte relevantă pentru dezvoltarea evolutivă a oamenilor. De exemplu, persoanele cu grupa de sânge 0 prezintă cursuri de boală statistic mai ușoare cu infecție cu malarie (2). În zonele din apropierea ecuatorului cu un climat subtropical, adică habitatul țânțarului Anopheles, acest grup sanguin domină cu 40 până la 90%. Cu toate acestea, în zonele mai reci, unde malaria nu apare, grupa sanguină 0 este reprezentată mult mai rar, cu maximum 40%.

"width =" 191 "height =" 212 "/>

Figura 3: Reprezentarea schematică a antigenelor grupului sanguin AB0 (pentru simbolurile zahărului, vezi Figura 1)

Grafică: Stephan Spitzer

Importanța glicolipidelor poate fi văzută și în faptul că structurile modificate sunt adesea asociate cu cancerul sau bolile autoimune. De exemplu, nefropatia IgA și artrita reumatoidă rezultă dintr-o defecțiune patologică în formarea determinanților glicanului, care duce la un răspuns imun inflamator.

Exemple proeminente de boli în care glicolipidele sunt implicate în mod critic sunt, de asemenea, boli de stocare lizozomală, cum ar fi boala Gaucher, boala Pompe sau boala Fabry. Aici este afectată defalcarea lizozomală a structurilor, deoarece pacienții nu pot exprima anumite glicozidaze.

Glicoproteine

Glicoproteinele pot fi găsite și în diversitate extremă, în care se pot distinge trei grupuri mai mari:

N-glicoproteine,
O-glicoproteine și
Glicoproteine ancorate GPI (3).

În timp ce glicoproteinele ancorate printr-o moleculă de glicozilfosfatidilinozitol (GPI) sunt întotdeauna asociate cu o membrană și, de asemenea, ajută la modelarea glicocalixului, N- și O-glicoproteine apar atât în formă solubilă, cât și în formă de membrană.

"width =" 191 "height =" 151 "/>

Figura 4: Reprezentarea schematică a N-glicanilor pe proteine (exemple). În funcție de care și câte molecule de zahăr sunt atașate la structura miezului (evidențiat în alb), se face distincția între glicozilări bogate în manoză, complexe și hibride. Un posibil reziduu de fucoză pe prima N-acetilglucozamină are o funcție importantă (pentru simbolurile zahărului, vezi Figura 1).

Grafică: Stephan Spitzer

La om, mai mult de 100 glicoziltransferaze, glicozidaze și transportori sunt implicați în procesele de glicozilare. Aceste enzime sunt localizate în citosol, în reticulul endoplasmatic (ER), în aparatul Golgi și în lizozomi. Principalele activități de glicozilare a proteinelor au loc în ER și în aparatul Golgi. În așa-numita prelucrare a N-glicanului, structurile oligozaharidelor sunt structurate pe drumul lor către suprafața celulei sau în anumite organite, de exemplu lizozomii, dar sunt modelate într-un mod foarte complex.

N-glicozilarea are loc întotdeauna într-o proteină într-o secvență consens constând dintr-o asparagină, orice aminoacid și o serină sau treonină (Asn-X-Ser/Thr). Pe grupul lateral amidic al L-asparaginei (Asn), componenta glucidică este de obicei legată de lanțul peptidic prin N-acetil-D-glucozamină (GlcNAc) (4-6).

Comuna tuturor tipurilor de N-glican este structura exclusivă a nucleului Man3GlcNAc2 („Trimannosyl-chitobiosyl-core”, Figura 4). Cu N-acetilglucosaminil transferaze (GnT) I-VI, până la cinci N-acetilglucosamine (GlcNAc) pot fi legate în mod specific. Conform numărului de GlcNAc atașat, se face distincția între N-glicanii complexi bi-, tri-, tetra- și penta-antenari. Acizii sialici terminali sunt foarte relevanți pentru conformarea și funcționarea proteinelor datorită dimensiunii, poziției și încărcăturii lor negative. În plus, acizii sialici sunt o secvență importantă de recunoaștere a receptorilor.

"width =" 293 "height =" 151 "/>

Figura 5: Reprezentarea schematică a O-glicanilor pe proteine (exemple). Nu se vede nicio structură de bază.

Grafică: Stephan Spitzer

N-glicanii complecși pot fi, de asemenea, fucosilați la baza N-acetil-D-glucozaminei. Această fucozilare de bază a anticorpilor IgG este extrem de relevantă pentru gradul de citotoxicitate celulară mediată de anticorpi (ADCC), care se determină astăzi pentru fiecare anticorp utilizat în oncologie.

O-glicozilările modifică reziduurile de serină sau treonină. Sunt mai complexe și mai puțin explorate decât N-glicozilările. Până în prezent, nu este cunoscută nicio secvență de aminoacizi fixă pentru carbohidrații legați de O-glicozidic. Primul carbohidrat legat de aminoacid este fie N-acetilgalactozamină (GalNAc), N-acetilglucozamină (GlcNAc), manoză (Man), fucoză (Fuc), fie glucoză (Glc) (Figura 5). Un tip special de glicozilare O este localizat în celulă și aici chiar și în nucleul celulei. Modificarea histonelor cu reziduuri O-GlcNAc este o variantă a codului histonei care ajută la reglarea expresiei genelor.

Glicozilarea ca protecție la frontieră și protează

În majoritatea cazurilor, proteinele extracelulare sunt glicozilate. Glicanii hidrofili, care sunt în majoritate acizi datorită acizilor sialici încărcați negativ, contribuie semnificativ la solubilitatea în apă a proteinelor. Probabil doar prin aceste modificări devin posibile concentrații de proteine remarcabil de mari în plasma sanguină umană de aproximativ 50 până la 70 mg/ml. În plus, acizii sialici încărcați negativ ai glicoconjugaților și reziduurile de sulfat și carboxilat ale glicozaminoglicanilor conferă celulelor sarcina lor superficială negativă și definesc bariere critice de difuzie.

Stratul dens de mucine, care se depune pe multe epitelii, de exemplu, ale căilor respiratorii și ale intestinului, funcționează ca o barieră critică și protejează organismul de invazia de către microorganisme. Dacă aceste straturi sunt rupte, de exemplu din cauza unor defecte genetice, aceasta poate avea consecințe foarte grave, cum ar fi inflamația recurentă și un risc crescut de cancer.

Funcția de barieră este susținută de faptul că mucinele, care sunt dens ambalate cu O-glicani, sunt în mod clar protejate împotriva scindării prin proteaze. De fapt, segmente extinse ale unor mucine nu pot fi nici măcar descompuse de proteinaza K. Protecția pe care o oferă glicozilarea puternică împotriva proteazei este, de asemenea, utilizată în mod special pentru substanțe medicamentoase, de exemplu derivatul eritropoietinei darbepoetină.

În plus, modificările zahărului conferă mucinelor funcția lor importantă de lubrifiere. Importanța acestei proprietăți devine clară atunci când apar defecțiuni. Pacienții a căror funcție a glandei salivare este afectată de radioterapie sau de sindromul Sjogren suferă de probleme funcționale semnificative în zona capului și gâtului și probleme cu alimentația din cauza înghițirii dificile. De asemenea, ne gândim la funcția de lubrifiere critică a hialuronanului, o polizaharidă cu greutate moleculară mare în țesutul conjunctiv, în fluidele corpului, cum ar fi lichidul sinovial în cavitățile articulare și în lichidul lacrimal al ochiului. Aici deficitele trebuie înlocuite terapeutic.

Glicozilarea incorectă: cauza bolii