ПРОТЕОГЛИКАНЫ И ГЛИКОЗАМИНОГЛИКАНЫ

Протеогликаны и гликопротеины — это молекулы, состоящие из белков с ковалентно присоединенными к ним олигосахаридными или полисахаридными цепями. Различие между протеогликанами и гликопротеинами состоит в химической природе присоединенных к белку полисахаридов. В протеогликанах каждый полисахарид состоит из повторяющихся дисахаридных единиц, в которых всегда присутствуют Д-глюкозамин или Д-галактозамин. Каждый дисахаридный компонент протеогликановых полисахаридов (за исключением кератансульфата) содержит уроновую кислоту-L-глюкуроновую кислоту (GleUA) или ее 5-эпимер, -идуроновую кислоту (IdUA). За исключением гиалуроновой кислоты, все полисахариды протеогликанов содержат сульфатные группы в виде или О-эфиров, или -сульфата (в гепарине или гепаринсульфате).

Существуют 3 типа связей протеогликановых полисахаридов с их полипептидной цепью:

1) О-гликозидная связь между характерная только для протеогликанов; 2) О-гликозидная связь между присутствующая в кера-тансульфате II; связь между GlcNAc и амидным азотом

Пути образования полисахаридных цепей полностью идентичны путям, по которым происходит рост олигосахаридных цепей гликопротеинов. присоединяет Ху1 нуклеотидного сахара к с возникновением Ху1-Ser-O-гликозидной связи. Образование О-гликозидной связи между вероятно, осуществляется аналогичной -трансферазой. -гликозидная связь между GlcNAc и амидным азотом почти наверняка образуется при участии липид-связанного полисахарида, долихол-Р— Р-полисахарида, который, как отмечалось выше, ответствен за транспорт предобразованного олиго- или полисахарида в процессе образования гликопротеинов. Однако детали этой реакции в ходе синтеза протеогликанов пока не установлены.

Процесс элонгации цепи протекает при участии нуклеотидсахаров, действующих в качестве доноров, Реакции регулируются в первую очередь субстратной специфичностью отдельных гликозилтрансфераз. Здесь вновь проявляется принцип «один фермент — одна связь». Специфичность реакций зависит от нуклеотидсахарного донора, акцепторного олигосахарида и от аномерной конфигурации и положения связи. Ферментативные системы, участвующие в элонгации цепи, обладают способностью очень точно воспроизводить сложные полисахариды.

Завершение роста полисахаридной цепи является результатом следующих феноменов: 1) кэпирующего эффекта сиалилирования специфическими сиалил-трансферазами; 2) сульфирования, в особенности в положении сахаров; 3) удаления данного полисахарида с того места на мембране, где протекает катализ.

После образования полисахаридной цепи происходят многочисленные химические модификации, такие, как включение сульфатных групп в -компоненты хондроитинсульфата и дерматансульфата и эпимеризация остатка в остаток в гепарине и гепарансульфате.

Важным аспектом метаболизма протеогликанов является их деградация. Наследственные дефекты деградации полисахаридных цепей протеогликанов лежат в основе группы заболеваний, известных как му-копо лисахарцдозы и муколипидозы, которые обсуждаются ниже и в гл. 14. Эти нарушения катаболизма способствовали изучению специфических ферментов деградации и их субстратов. Существует ряд экзогликозидаз, осуществляющих ступенчатое отщепление сульфатных компонентов и гликозильных групп. Кроме того, имеются эндогликозидазы, которые присутствуют в нормальных условиях и обладают различной специфичностью. Например, широко распространенный фермент гиалуронидаза расщепляет -ацетилгексозаминовые связи в гиалуроновой кислоте и хондроитинсульфатах.

Известно 7 типов полисахаридов (гликозамино-гликанов)

Рис. 54.9. Обобщенная структура протеогликанов и гликозаминогликанов -гтюкуроновая кислота; IdUA - L-идуроновая кислота; GlcN - D-глюкозамин; GalN-D-галактозамин; Ac-ацетил; Gal-D-галактоза; Xyl- D-ксилоза; Ser-L-серин; Thr-L-треонин; Asn - L аспарагин; Man - D-манноза; NeuAc-N-ацетитнейраминовая кислота). Схема носит качественный характер и не отражает, например, состав уроновых кислот гибридных полисахаридов, таких, как гепарин и дерматансульфат, которые содержа и L-идуроновую, и D-глюкуроновую кислоты. Нельзя считать, что указанные заместители непременно присутствуют во всех случаях: так. в гепарине большинство остатков идуроновой кислоты несут 2-сульфатную группу, тогда как в дерматансульфате сульфирована значительно меньшая доля этих остатков. (Slightly modified and reproduced, with permission, from Lcnnarz W. J. The Biochemistry of Glycoproteins and Proteoglycans, Plenum Press. 1980.)

соединяющихся с белками в составе протеогликанов. Шесть из них обладают родственной структурой и содержат остатки уроновой кислоты и гексозамина, которые перемежаются в повторяющихся дисахаридных компонентах; исключение составляет кератансульфат, лишенный уроновой кислоты. Все они, кроме гиалуроновой кислоты, содержат сульфированные сахара и ковалентно присоединены к белкам. Указанные 7 типов полисахаридов могут различаться по составу входящих в них мономеров, гликозидным связям, а также по количеству и локализации сульфатных заместителей.

Все гликозаминогликаны являются полианионами благодаря присутствию в их структурах кислых сульфатных групп или карбоксильных групп уроновых кислот. С этой особенностью гликозаминогликанов связаны многие их функциональные свойства.

Структуры 7 гликозаминогликанов, входящих в состав про еогликановых молекул, представлены на рис. 54.9.

Гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота представляет собой неразветвленную цепь из повторяющихся дисахаридных компонентов, содержащих GlcUA и GlcNAc. Твердые доказательства связи гиалуроновой кислоты с молекулой белка (которые имеются для других полисахаридов соединительной ткани) отсутствуют, но, вероятно, эта кислота подобно другим гликозаминогликанам, синтезируется в составе протеогликанов. Гиалуроновая кислота присутствует у бактерий и широко распространена в различных тканях животных, включая синовиальную жидкость, стекловидное тело глаза и рыхлую соединительную ткань.

Хондроитинсульфаты

Хондроитинсульфаты—это протеогликаны, являющиеся важнейшим компонентом хряща. Полисахарид связывается с белком О-гликозидной связью Xyl-Ser. Данные о структуре хондроитинсульфатов суммированы на рис. 54.9. Повторяющийся дисахаридный компонент очень сходен с таковым в гиалуроновой кислоте, за тем исключением, что гексозамин представлен GalNAc, а не GlcNAc. Однако и в хондроитинсульфатах, и в гиалуроновой кислоте уроновая кислота представлена GlcUA, а положения связей и аномерные конфигурации у них одни и те же. GalN Ас хондроитинсульфатов содержит сульфатный

Рис. 54.10. Электронная микрофотография протеогликанового агрегата средней величины; особенно хорошо видны субъединицы протеогликана и волокнистая основа. (Reproduced, with permission, from Rosenberg L., Heilman W., Kleinschmidt A. K. Electron microscopic studies of proteoglycan aggregates from bovine articular cartilage. J. Biol. Chem., 1975, 250, 1877.)

заместитель в положении 4 или 6. Как правило, оба заместителя присутствуют в одной и той же молекуле, но при разных моносахаридных остатках. На дисахаридную единицу приходится в среднем примерно один сульфатный заместитель. Каждая полисахаридная цепь содержит около 40 повторяющихся дисахаридных компонентов и имеет молекулярную массу, близкую к 20000. В результате связывания множества таких цепей с одной белковой молекулой образуются высокомолекулярные протеогликаны. Молекулярная масса хондроитинсульфата носового хряща составляет около .

Хондроитинсу льфаты прочно связываются с гиалуроновой кислотой при помощи двух связывающих белков, образуя в соединительной ткани очень большие агрегаты. Эти агрегаты можно наблюдать в электронном микроскопе (рис. 54.10); на рис. 54.11 дано их схематическое изображение.

Связывающие белки обладают сильной гидрофобностью и взаимодействуют и с гиалуроновой кислотой, и с протеогликаном.

Рис. 54.11. Схематическое изображение протсогликаново-го агрегата. (Reproduced, with permission, from Len-narz W.J. The Biochemistry of Glycoproteins and Proteoglycans. Plenum Press, 1980.)

Хондроитинсульфаты содержат 6 типов межсахаридных связей, и их синтез поэтому протекает с участием 6 различных гликозилтрансфераз — по одному ферменту для каждого типа связей. Кроме того, имеются 2 вида сульфатных эфиров с сульфатными группами в 4- или 6-м положениях. Процессы эстерификации осущес вляются двумя сульфотрансферазами, сульфатсодержащим субстратом которых служит 3'-фосфоаденозин-5'-фосфосульфат (ФАФС).

Кератансульфат I и кератансульфат II

Как показано на рис. 54.9, кератансульфаты состоят из повторяющихся дисахаридных компонентов Gal-GlcNAc и содержат сульфаты в 6 м положении остатков GlcNAc и иногда - Gal. Полисахарид в кератансульфате I присоединен к полипептидной цепи связью GIcNAc-Asn. Большие количества этого кератансульфата присутствуют в роговице.

Кератансульфат II — протеогликан скелета, содержащийся в нем вместе с хондриотинсульфатом, связан с гиалуроновои кислотой рыхлой соединительной ткани. Его полисахаридные цепи присоединяются к полипептидной цепи с помощью связи Gal-NAc-Thr(Ser).

Гепарин

Гепарин представляет собой классический протеогликан в котором несколько полисахаридных

Рис. 54.12. Структура гепарина. Отрезок полимера иллюстрирует типичные структурные особенности гепарина, однако последовательность различным образом замещенных повторяющихся дисахаридных компонентов выбрана произвольно. Кроме того, могут присутствовать несульфированные или 3-О-сульфированные глюкозаминовые остатки. (Modified redrawn, and reproduced with permission, from Lindahl U. et al. Structure and biosynthesis of heparin-like polysaccharides. Fed. Proc., 1977, 36, 19.)

цепей связаны с общим белковым ядром. Он обнаруживается в гранулах тучных клеток и, таким образом, локализован внутриклеточно. Гепарин обладает и другими структурными и функциональными особенностями, и некоторые из них имеют значение для медицины. Характерные особенности структуры гепарина представлены на рис. 54.12. Повторяющийся дисахаридный компонент содержит глюкозамин (GlcN) и уроновую кислоту. Большинство аминогрупп остатков GlcN присутствует в N-сульфированной форме, но имеется и небольшое количество ацетилированных аминогрупп. GlcN содержит также С6-сульфатный эфир.

Около 90% уроновой кислоты — это IdUA и лишь 10% приходится на GlcUA. Первоначально остатки уроновой кислоты представлены в виде GlcUA, но в дальнейшем, после образования полисахарида 5-эпимераза превращает почти 90% остатков GlcUA в остатки IdUA, последние часто подвергаются сульфированию во 2-м положении.

Белковая молекула протеогликана гепарина уникальна в том отношении, что она состоит только из сериновых и глициновых остатков. Приблизительно две трети сериновых остатков соединены с полисахаридными цепями; их молекулярная масса составляет обычно 5000—15000, но иногда достигает 100000.

Полисахаридные цепи гепариновых протеогликанов после полимеризации претерпевают ряд модификаций:

1) первичный продукт не сульфируется, но полностью N-ацетилируется с образованием полимера (GlcUA-GlcNAc)n; 2) около 50% остатков GlcNAc подвергаются N-деацетилированию; 3) свободные аминогруппы GlcN сульфируются; затем происходит дальнейшее деацетилирование примерно половины остальных групп полимер становится субстратом для 5-эпимеразы, которая превращает около 90% остатков вновь образованные остатки далее подвергаются О-сульфированию в положениях модификация завершается О-сульфированием компонентов

Гепарансульфат

Гепарансульфат присутствует на клеточных поверхностях, представляя собой внеклеточный протеогликан. Полипептидный остов гепарансульфатного протеогликана содержит дополнительный аминокислотный компонент, отличный от такового в гепарине. В процессе модификации его полисахаридных цепей деацетилирование остатков происходит слабее, и поэтому он содержит меньше -сульфатов. Поскольку -эпимераза (как отмечалось выше при описании модификаций гепарина) использует в качестве субстрата -сульфатные заместители, гепарансульфат отличается от гепарина меньшим количеством остатков и большим содержанием . В соответствии с этим преобладающей уроновой кислотой в гепарансульфате является а в гепарине

Дерматансульфат

Дерматансульфат представляет собой протеогликан, широко распространенный в тканях животных. По структуре он сходен и с хондроитинсульфатом, и с гепарансульфатом. Его отличие от хондроитинсульфата состоит в том, что вместо GlcUA, соединенной с он содержит IdUA, соединенную с GalN Ас а-1,3-связью. Образование IdUA, как и в случае гепарина и гепарансульфата, происходит путем 5-эпимеризации GlcUA. Как и при образовании гепарина, реакция эпимеризации тесно сопряжена с сульфированием гексозамина. Таким образом, дерматансульфат содержит 2 вида повторяющихся дисахаридных единиц: