1
5. Biochemia - węglowodany i glikobiologia
Monosacharydy
(cukry proste): jedna jednostka aldehydowa
albo ketonowa
Disacharydy
: dwa monosacharydy
Polisacharydy
: więcej niż 20 monosacharydów
Triozy:
aldehyd glicerynowy dihydroksyaceton
(aldoza) (ketoza)
D-glukoza D-fruktoza
(aldoheksoza) (ketoheksoza)
heksozy
D-ryboza 2-deoksy-D-ryboza
(aldopentoza) (aldopentoza)
pentozy
Monosacharydy mają asymetryczne centra,
czyli są cząsteczkami chiralnymi
aldehyd D-glicerynowy aldehyd L-glicerynowy
2
D-aldozy
D-ketozy
Większość cukrów występuje naturalnie w formie D
jeden z wyjątków:
Epimery: cukry, które różnią się konfiguracją przy jednym atomie węgla
Większość cukrów występuje w formie cyklicznej
D-glukoza
α
αα
α
-D-glukopiranoza
ββββ
-D-glukopiranoza
anomeryczny atom węgla
3
Piranozy i furanozy
furan piran
Konformacja krzesełkowa i łódkowa
ββββ
-D-glukopiranozy
krzesło łódka
Forma krzesełkowa jest bardziej stabilna, ponieważ pozycje
aksjalne (osiowe) są zajęte przez atomy wodoru.
Zawada przestrzenna
4
Niektóre cukry ważne w biologii
D-ryboza 2-deoksy-D-ryboza
Ryboza i deoksyryboza wchodzą w skład kwasów nukleinowych
Monosacharydy mają właściwości redukujące
Cukry, które reagują z jonem miedziowym
nazywmy
redukującymi
,
a te, które nie dają tej reakcji,
nieredukującymi
.
Cukry redukujące muszą mieć wolną
grupę aldehydową.
Disacharydy składają się z 2 monosacharydów
Disacharydy
Laktoza: Gal(
ββββ
1
→
→
→
→
4)Glc
Sacharoza: Fru(
ββββ
2
→
→
→
→
1
α
αα
α
)Glc
Trehaloza: Glc(
α
αα
α
1
→
→
→
→
1
α
αα
α
)Glc
Sacharoza
α
αα
α
-D-glukopiranozylo-(1
→
→
→
→
2)-
ββββ
-D-fruktofuranoza
Sacharoza jest cukrem nieredukującym, ponieważ
oba redukujące końce są połączone ze sobą.
5
Laktoza
ββββ
-D-galaktopiranozylo-(1
→
→
→
→
4)-
α
αα
α
-D-glukopiranoza
Maltoza
α
αα
α
-D-glukopiranozylo-(1
→
→
→
→
4)-
α
αα
α
-D-glukopiranoza
Skróty nazw monosacharydów
Fukoza
N-acetylogalaktozoamina
N-acetyloglukozoamina
6
Kwas N-acetyloneuraminowy (sjalowy)
wiązanie O-glikozydowe
metylo
α
αα
α
-D-glukopiranozyd metylo-
ββββ
-D-glukopiranozyd
Monosacharydy wiążą się z alkoholami i aminami poprzez
wiązanie glikozydowe
Glukoza jest ważnym paliwem komórkowym
dla większości organizmów
U ssaków, glukoza jest jedynym paliwem komórkowym zużywanym
przez mózg w warunkach dobrego odżywiania, i jedynym źródłem
energii, z którego mogą korzystać czerwone krwinki.
Homopolisacharydy Heteropolisacharydy
nierozgałęzione rozgałęzione nierozgałęzione rozgałęzione
Polisacharydy składają się z podjednostek cukrowych,
są materiałem zapasowym komórek.
Skrobia: polimer glukozy, matariał zapasowy
w komórkach roślinnych
ziarna skrobi w chloroplaście
amyloza (
α
αα
α
1
→
→
→
→
4) glukoza
amylopektyna:
zawiera dodatkowo
wiązania (
α
αα
α
1
→
→
→
→
6)
Skrobia: polimer glukozy
7
Skrobia: amyloza i amylopektyna
końce
nieredukujące
końce
redukujące
amyloza
amylopektyna
Glikogen: polimer glukozy, w komórkach zwierzęcych
Ziarna glikogenu w hepatocycie
Budową podobna do skrobi, ale bardziej rozgałęziony.
Glikogen: polimer glukozy
α
αα
α
1,4; rozgałęzienia
α
αα
α
1,6
wyst
ę
powanie
- w w
ą
trobie (6-8%): zapas w
ę
glowodanów dla
wszystkich tkanek
- i mi
ęś
niach (1-2%) tylko dla mi
ęś
ni
Struktura skrobi (amylozy)
podjednostki glukozy związane (
α
αα
α
1
→
→
→
→
4)
W roślinach, glukoza powstaje w chloroplastach w wyniku absorpcji światła
Celuloza: polisacharyd strukturalny,
podjednostki glukozy połączone wiązaniem
ββββ
1
→
→
→
→
4
(
ββββ
1
→
→
→
→
4) glukoza
8
Struktura celulozy
wiązania wodorowe
W porównianiu ze skrobią struktura bardzo sztywna,
stabilizowana przez wiązania wodorowe.
Nie może być trawiona przez zwierzęta z wyjątkiem przeżuwaczy,
u których celulaza jest produkowana przez bakterie z rodzaju
Trichonympha.
Huba rosnąca na drzewie produkuje celulazę, która rozkłada celulozę
Synteza celulozy w roślinach
Porówanie celulozy ze skrobią i glikogenem
celuloza (wiązania
ββββ
1
→
→
→
→
4)
skrobia i glikogen (wiązania
α
αα
α
1
→
→
→
→
4)
Chityna: liniowy polimer N-acetyloglukozoaminy w połączeniu
ββββ
Jedyna różnica w porównaniu z celulozą: -NH-CO-CH
3
zamiast -OH.
Główny składnik ścian komórkowych grzybów oraz
okrywy ciał stawonogów.
Znany środek odchudzający.
Pancerz tego chrząszcza (Pelidnota punctata) składa się z chityny
9
Ściany komórkowe bakterii zawierają peptydoglikany
miejsce trawione
przez lizozym
redukujący koniec
łącznik pentaglicynowy
kwas N-acetylomuraminowy
N-acetyloglukozoamina
L-Ala
D-Glu
L-Lys
D-Ala
Bakterie gram-dodatnie
zawierają łącznik pentaglicynowy.
Bakterie gram-ujemne
zawierają łącznik zbudowany
z L-lizyny albo kwasu
diaminopimelinowego.
Biosynteza ściany komórkowej jest hamowana przez penicylinę
Bakteryjny
lipopolisacharyd
Bakterie zawierają też lipopolisacharydy, kompleksy lipidów i cukrów
Agaroza: produkt alg morskich
→
→
→
→
3) D-Gal-(
ββββ
1
→
→
→
→
4)3,6-anhydro-l_Gal
2S
(
α
αα
α
1-
Unikalne właściwości żelujące: roztwór agarozy po podgrzaniu
i ochłodzeniu tworzy podwójną helisę: dwie cząsteczki
w równoległym ułożeniu skręcają się razem z powtórzeniem
na co trzeciej reszcie. Woda pozstaje w centralnym rowku.
Zastosowaniu w laboratorium (rozdział DNA), przemyśle spożywczym
(ptasie mleczko) i farmaceutycznym.
Glikozaminoglikany wchodzą w skład macierzy zewnątrzkomórkowej
Glikozaminoglikan powtarzająca się ilość disacharydów
jednostka
w łańcuchu
kwas hialuronowy
4-siarczan chondroityny
siarczan keratanu
służy jako smar w stawach
nadaje konsystencję oku
wchodzi w skład ścięgien
wchodzi w skład chrząstek
i ścięgien
wchodzi w skład kości,
a także rogów,kopyt i paznokci
Kwas hialuronowy: 50 000 podjednostek
kwas glukurunowy N-acetyloglukozoamina
służy jako smar w stawach
nadaje konsystencję oku
wchodzi w skład ścięgien
10
Siarczan keratanu: 25 podjednostek
galaktoza siarczan N-acetyloglukozoaminy
wchodzi w skład kości,
a także rogów,kopyt i paznokci
Siarczan dermatanu
kwas glukuronowy siarczan N-acetyloglukozoaminy
obecny w skórze i ścianach naczyć krwionośnych,
nadaje skórze elastyczność
Budowa proteoglikanu transmembranowego
(syndekan)
siarczan
heparanu
siarczan
chondroityny
wnętrze komórki
siarczan chondroityny
Struktura proteoglikanu
rdzeń białkowy
łącznik trójcukrowy
Siarczan heparanu
domena NA
domena S
siarczanowane cukry
niemodyfikowane cukry
Domena S oddziałuje z różnymi czynnikami.
czynnik Xa
siarczan
heparanu
domena S
Konformacyjna aktywacja czynnika Xa hamuje tworzenie się skrzepu
Konformacyjna zmiana w antytrombinie (AT) po związaniu
swoistego pentasacharydu w domenie S pozwala na związanie
czynnika Xa, co z kolei hamuje krzepnięcie krwi.
11
trombina
Podwyższenie oddziaływań białko-białko
Antytrombina (AT) i trombina związane przez 2 sąsiednie domeny S
wiążą się z sobą, co hamuje krzepnięcie krwi.
AT
Koreceptor dla ligandów zewnątrzkomórkowych
FGF (ligand)
domena S
receptor dla FGF (dimer)
Domena S oddziałuje z receptorem dla fibroblastycznego
czynnika wzrostu (FGF),wiążąc dwa receptory w dimer,
co podwyższa powinowactwo wobec czynnika
wzrostu FGF.
Wiązanie cząsteczek z powierzchnia komórki
lipaza lipoproteinowa
domena S
Grupy siarczanowe domeny S pozwalają na sprowadzenie dodatnio
naładowanych cząsteczek, takich jak lipaza lipoproteinowa.
Takie oddziaływania mają miejsce w przypadku wnikania do komórki
niektórych wirusów, np. herpes.
Proteoglikan macierzy zewnątrzkomórkowej
kwas hialuronowy
(do 50 000 disacharydów)
siarczan
keratanu
siarczan
chondroityny
rdzeń białkowy
białko
wiążące
Oddziaływania między komórką i macierzą zewnątrzkomórkową
integryna
proteoglikan
fibronektyna
usieciowane włókna
kolagenu
filamenty aktyny
błona komórkowa
Glikoproteiny: białka z przyłączonymi węglowodanami.
Wiązania mogą być O-glikozydowe (przez serynę albo treoninę)
lub N-glikozydowe (przez asparaginę).
wiązanie O-glikozydowe
wiązanie N-glikozydowe
12
Glikoforyna A, główna glikoproteina ludzkich erytrocytów
cukry związane
O-glikozydowo
cukry związane
N-glikozydowo
Rola oligosacharydów w wiązaniu i adhezji
łańcuch
oligosacharydowy
białko
transmembranowe
glikolipid
wirus
bakteria
inna komórka
toksyna
GLIKOPROTEINY
Lektyny - białka wiążące cukry
Struktura receptora dla mannozo-6-fosforanu w kompleksie
z mannozo-6-fosforanem
Oddziaływania mannozo-6-fosforanu w miejscu wiążącym lektyny
Bakterie Helicobacter pylori wiążace się do ściany żołądka.
Lektyny na powierzchni bakterii rozpoznają oligosacharyd Le
b
.
Bakterie Helicobacter pylori mogą powodować wrzody żołądka.
13
Rola oddziaływań lektyna-ligand w sprowadzaniu
leukocytów w miejsce zapalne
selektyna L
integryna
ligand
dla selektyny L
(sjalo Le
x
)
ligand
dla integryny
(ICAM)
leukocyt
stan zapalny
przepływ
krwi
adhezja
komórki
śródbłonka
toczenie się
leukocytów
Ligandy dla selektyn
MAdCAM-1: Mucosal Addressin Cell Adhesion Molecule
GlyCAM-1: Glycosylation-Dependent Cell-Adhesion Molecule
PSGL-1: P-Selectin Glycoprotein Ligand
Wszystkie te białka zawierają oligosacharyd sjalo-Lewis
X
OLIGOSACHARYD TYPU MANNOZOWEGO
OLIGOSACHARYD ZŁOśONY
N-GLIKOZYLACJA - PROCES KOTRANSLACYJNY ZACZYNAJACY SIĘ W
RETIKULUM ENDOPLAZMATYCZNYM,
A KOŃCZĄCY W APARACIE GOLGIEGO
•
synteza białka
•
synteza lipidowego prekursora oligosacharydów
(Glc3Man9GlcNAc-dolichol
•
przeniesienie pośredniego oligosacharydu na
białko (AsnXSer/Thr przez transferazę
oligosacharylową
•
usunięcie dwóch reszt glukozy z posredniego
oligosacharydu Glc3Man9GlcNAc-AsnXSer/Thr
•
kontrola jakośći fałdowania białka
kalneksyna/kalneturina
•
przebudowa-N-glikanów w aparacie Goldiego i
transport
14
SYNTEZA BIAŁKA
FOSFORAN DOLICHOLU
IZOPREN
LIPIDOWY PREKURSOR - DAWCA OLIGOSACHARYDÓW
SYNTEZA LIPIDOWEGO PREKURSORA OLIGOSACHARYDÓW
Cytoplazma
Retikulum
endoplazmatyczna
BIOSYNTEZA N-GLIKANÓW
15
System kontroli jakości glikoprotein w retikulum endoplazmatycznym
określajacy gotowość glikoproteiny do przeniesienia do aparatu
Golgiego
Nieobecność glukozy wskazuje, że białko
jest prawidłowo sfałdowane.
Glukoza dołączana jest do oligosacharydu
gdy białko jest niesfałdowane łączy się z
kalneksyną i jest kierowana do ponownego
fałdowania
pre-
lizozym
ziarnistość
sekrecyjna
sekrecja
ciągła
sekrecja
regulowana
białko zakotwiczone
w błonę plazmatyczną
TRANSPORT BIAŁEK W APARACIE GOLGIEGO
Gal
→
→
→
→
GlcNAc
→
→
→
→
↓↓↓↓
Fuc(
α
αα
α
1
→
→
→
→
4)
Lewis X
Antygeny grupowe krwi
ANTYGENY GRUPOWE KRWI
PRZECIWCIAŁA ANTY-ABH W LUDZKICH
SUROWICACH
Grupa krwi
Przeciwciała
A
anty-B
B
anty-A
O
anty-A, anty-B
AB
-
Bombay (
rzadki
anty-A, anty-B, anty-H
fenotyp bez H)
Znaczenie obecności izoprzeciwciał
transfuzja krwi
transplantacje organów i komórek
Antygeny ABH/Le
są dziedziczone, genetyczna informacja jest
zakodowana w swoistych glikozylotransferazach
Prekursor typu 1
α
αα
α
1,4Fuc-T (Le)
α
αα
α
1,2Fuc-T (H)
Le
a
H
α
αα
α
1,3GalNAc(lub Gal)-T (A)
α
αα
α
1,4Fuc-T (Le)
A (lub B)
Le
b
α
αα
α
1,4Fuc-T (Le)
ALe
b
16
Transferazy A (
α
αα
α
1,3GalNAc-T) i B (
α
αα
α
1,3Gal-T)
mają tylko cztery różne reszty aminokwasowe
A
pozycja
B
Arg
176
Gly
Gly 235
Ser
Leu* 266*
Met*
Gly*
268* Ala*
*podstawienia istotne dla zmiany swoistości
Inne (rzadkie ) zmiany w genach kodujących
glikozylotransferazy układu ABH powodują istnienie rzadkich
‘nienormalnych’ fenotypów.
Ksenoantygen Gal
α
αα
α
1-3Gal
Łańcuchy oligosacharydowe zakończone sekwencją
Gal
α
αα
α
1-3Gal
ββββ
1-4GlcNAc -
są liczne w glikoproteinach i glikolipidach zwierząt (ssaków)
i są nieobecne u ludzi i małp ‘starego świata’
Wszystkie ludzkie surowice zawierają przeciwciała swoiste dla tej
struktury (zwane anty-Gal).
cDNA kodujące zwierzęce
α
αα
α
1,3Gal-T były sekwencjonowane.
Analogiczny gen został też wykryty u ludzi, ale wykazuje nonsensowne
mutacje i przedwczesne kodony stop.
Antygen ten jest główną przyczyną ostrego odrzucania
ksenotransplantów u ludzi.
ROŚLINNE ANTYGENY CUKROWE
Man
α
αα
α
1-6
Man
ββββ
1-4GlcNAc
ββββ
1-4GlcNAc-Asn
Man
α
αα
α
1-3
↑↑↑↑
↑↑↑↑
Xyl
ββββ
1,2
Fuc
α
αα
α
1,3
Te cukrowe epitopy (glikotopy) są obecne w glikoproteinach roślin i
niektórych bezkręgowców.
Wywołują one u ludzi odpowiedź humoralną i reakcje alergiczne.
Stwarza to potencjalne problemy przy stosowaniu terapeutycznych
białek produkowanych w transgeniccnych roślinach.
WNIOSKI
‘Obce’ struktury cukrowe są silnie immunogenne
Ludzkie surowice zawierają wiele naturalnych przeciwciał anty-
cukrowych
Immunogenność cukrów ma fizjologiczne znaczenie w:
transfuzji krwi
oddziaływaniach matka-płód
transplantacji
procesach autoimunologicznych
05. Biochemia - węglowodany
Tematy do zapamiętania
1. Monosacharydy, disacharydy, polisacharydy.
2. Budowa cukrów, anomeria.
3. Cukry redukujące i nieredukujące.
4. Skrobia, celuloza i glikogen: struktura i funkcja.
5. Glikozaminoglikany: przykłady, rola biologiczna.
6. Proteoglikany.
7. Glikoproteiny i lektyny.
8. Antygeny grupowe krwi.