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Carbohydrates and Glycobiology (常見單糖與縮寫 (abequose:Abe, arabinose:Ara,…
Carbohydrates and Glycobiology
定義: polyhydroxyl aldehydes/ketones
糖聚合物
proteoglycans
glycoproteins
glycolipids
訊息分子
sugarcode
signals
intracellular targeting of proteins
tissue development
cell-cell devolopment
extracellular signals
examples
Neu5Ac(A sialic acid)
在血漿蛋白糖(i.e. ceruloplasmin血漿銅藍蛋白)的末端residue
保護蛋白不被吸收或是在肝臟中被分解
肝細胞膜上有lectin(asialoglycoprotein去唾液酸糖蛋白 receptors)專一結合沒有被末端Neu5Ac保護的寡糖
RBC去除
新的紅血球糖蛋白的寡糖上有Neu5Ac
lectins
protein receptor read the sugar code
mediate many biological processes
usu. 包含兩個以上的碳水化合物單元結合位
有些lectin組成的寡聚體上有多個結合位
example
wheat germ agglutinin
GlcNAc β(1->4) GlcNAc β(1->4) GlcNAc
peanut lectin
Gal β(1->3) GlcNAc
phytohemagglutinin
Man
β(1->6) GlcNAc β(1->4) Gal
β(1->2) GlcNAc β(1->4) Gal
free neutrophil 上有for integrin/for P-selectin的糖蛋白配基
與P-selectin 結合方便滾動
與integrin 結合:adhesion
在發言處extravasation滲出
被H. pylori辨識的binding site
是oligosaccharide Le^b
O型血 determinant
gastric ulcer 在O型血的人中比較多
Hemagglutinin
流感病毒受器
與sialic acid residues/neuraminidase 結合
為了釋放更多病毒顆粒
Neuraminidase
viral sialidase
inhibited by Tamiflu/Relenza(sugar analogs)
compete with host cells' oligosaccharidase for binding
prevent the release of virus
mannose 6-phosphate
marker for proteins to lysosome
glycosome(lysosome to be)need phosphate marker in the cis golgi
phosphotransferase
adds a phospho-N-acetyl glucosamine to the 6-OH group of a mannose
UDP-GlcNAc->UMP
C6-OH->C6-O-phosepho-GlcNAc
I-cell patient 缺少Phosphotransferase
phosphodiesterase
上水 脫去GlcNAc
去除新加入的糖產生mannose 6-phosphate
I-cell(inclusion in lysosome with GAGs and glycolipids)patients deficient in phosphotransferase
Inclusion-cell (I-cell) disease
mucolipidosis II (ML II)
臨床症狀與黏多糖儲積症第一H型(hurler syndrone)相似
但發病年齡較早,無尿液黏多醣代謝物
纖維芽母細胞有細胞質包含體存在(I cell)
lysosomal storage disease
Mannose 6 phosphate serves as a marker targeted to lysosomes
當marker 缺乏時,蛋白質會在細胞外面分泌(cf. default 蛋白質會穿越高基氏體)
Lysosomes cannot function without these proteins
protein function as catabolic enzymes for the normal breakdown of substances (e.g. oligosaccharides, lipids, and glycosaminoglycans) in various tissues throughout the body (i.e. fibroblasts)
inclusion cells are abnormal fibroblasts having a large number of dark inclusions in the cytoplasm of the cell (mainly in the central area)
inclusions are of various fats, proteins, carbohydrates, pigments and other insoluble
M6P receptor lectin binds M6P-tagged-proteins,targeted to lysosome
oligosaccharides in recognition and adhesion
unique structure (strings of hexagon)
與糖酯、糖蛋白組合
2 more items...
感染動物的病毒與細胞表面糖蛋白結合(感染第一步)
細菌毒素(toxin)(cholera and pertussis toxin)與糖酯結合
有些細菌(H. pylori)直接和糖蛋白結合colonization
selectin(lectin)in plasma membrane mediate cell-cell interactions
在微血管內皮的嗜中性球
M6P receptor/lectin of the trans golgi complex binds to the oligosaccharide of lysosomal enzymes ,targeting them for transfer into the lysosome.
重要性
能量儲存
代謝中間物
核糖\去氧核醣 DNA RNA
結構單位
細菌
植物
節肢動物外骨骼
與蛋白質與脂質相連
醣類分類
單醣
溫和狀態下不能再被分解成更簡單的糖
pyranose
furanose
五角環
六角環
honey is β-D-fructopyranose
The anomeric carbon is usually drawn on the right side
醛糖
三碳
D-glycrealdehyde
四碳
D-erythrose
D-threose
五碳
D-ribose
D-arabinose
D-xylose
D-lyxose
六碳
D-aldose
D-altrose
D-glucose
D-mannose
D-gulose
D-idose
D-galactose
D-talose
酮糖
三碳
dehydroxyacetone
四碳
D-erythrulose
五碳
D-ribulose
D-xylulose
六碳
D-psicose
D-fructose
D-sorbose
D-tagatose
多糖
簡單糖的聚合物
雙糖
兩個單糖脫水
寡糖
2~10個
enantiomers
六碳糖多D form
離carbonyl group 最遠的C D/L
Stereoisomers that are nonsuperimposable mirror images
D and L isomers of a sugar are enantiomers
L and D glucose have the same water solubility
diastereomers
非鏡像異構物的立體異構物
不同物理性質
threose /erythrose 水溶解度不同
epimers表異構物
某一碳上面的H/OH左右顛倒
如D-Mannose(epimer at C2)/D-glucose/D-galactose(epimer at C4)
醣類半縮醛
D-glucose變α-D-clucopyranose或是變β-D-glucopyranose
α和β由一號碳上的氫氧根:α環平面下;β環平面上
D-fructose(open chain)變α-D-Fructofuranose(cyclic)
糖苷
分子的其中一部分連著一個醣類部位
O-glycosidic bond
N-glycosidic bond
變旋作用
C1為anomeric carbon
C1碳上的H和OH上下互換
會有偏光度差異
六碳糖變體
胺糖
galactosamine
Mannosamine
去氧糖
Fucose黑藻糖
Rhamnose鼠李糖
acidic sugar酸性糖
N-acetylneuraminic acid(sialic acid)涎酸
sugar alcohol
0卡
D-glucitol
D-mannitol
D-xylitol
磷酸糖
Glucose-6-phosphate
Dihydroxyacetone phosphate(DHAP)
glyceraldehyde-3-phosphate(GAP)
去氧糖
D-ribose(unstable diol)(glycerol) v.s. 2-deoxy-D-ribose(stable)
還原糖
醛基
菲林
二價銅變一價銅
多倫
一價銀變銀金屬
六碳糖氧化
非anomeric carbon
β-D-glucuronate
xanthine(keto form)加入水和氧氣氧化變成uric acid (urate)和H2O2
hyaluronic acid=(glucuronic acid+N-acetylglucosamine)*N
anomeric carbon 氧化
D-glucose變D-gluconate(葡萄糖酸)(醛糖)
菲林反應
兩個二價銅被還原成一價銅
cuprous oxide 沉澱
還原糖與非還原糖就看有沒有醛基
還原糖
lactose Gal(β1->4)Glc
非還原糖
sucrose Fru(β2-1α)Glc
sucrase=invertase ->invert sugar
found in intestines
breaks down sucrose to fructose and glucose
trehalose海藻糖 Glc(α1-1α)Glc
昆蟲血淋巴的主要成分
lactone(分子內酯)
aldonic和uronic acids會製造出分子內酯
D-Gluconate上COO-的一個氧和六號碳上的OH基反應形成D-glucono-δ-lactone
常見單糖與縮寫
abequose:Abe
arabinose:Ara
fructose:Fru
Fucose:Fuc
galactose:Gal
Glucose:Glc
Mannose:Man
Rhamnose:Rha
Ribose:Rib
Xylose:Xyl
glucuronic acid:GlcA
galactosamine:GalN
glucosamine:GlcN
N-Acetylgalactosamine:GalNAc
N-Acetylglucosamine:GlcNAc
iduronic acid:IdoA
Muramic acid:Mur
N-Acetylmuramic acid:Mur2Ac
N-Acetylneuramic acid:Neu5Ac(a sialic acid)
雙糖的糖苷鍵
join two sugar
anomeric carbon and hydroxyl carbon
第二個單體的半縮醛(有還原性)比單體間糖苷鍵(縮醛)(此處anomeric carbon非還原)活躍
麥芽糖:兩個glucose用1、4糖苷鍵連結
第一個單體的異位碳是acetal 第二個是hemiacetal有羧基是還原端
α-D-Glucose和β-D-Glucose變Maltose是condensation(逆反應是hydrolysis)
polysaccharides
homopolysaccharides
heteropolysaccharides
linear
branched
no defined molecular weight
cf. 蛋白質(聚糖沒有模板)
glycogen
linear(α1->4)
branch point(α1->6)(linkers 8-12residues
分子量達數百萬
starch
amylose α1->4
amylopectin branch point(α 1->6) every 24-30 residue
碘會塞進amylose helix 裡面
cellulose
大部分動物沒有β1->4的酵素
每年地球上10^15公斤製造、分解
D-glucose β1->4
Dextran右旋糖酐
支鏈由α-1,3糖苷鍵
直鏈α-1,6糖苷鍵
chitin
NAG-β(1->4)NAG repeats
N-acetyl-D-glucosamine unit
agarose
D-Gal(β1->4)3,6-anhydro-L-Gal2S(α1 repeats)
α-(1→3) and β-(1→4)
mannan
mannose
peptidyl glycan
Mur2Ac
GlcNAc
L-Ala/D-Glu/L-Lys/D-Ala(AQKA)
β-(1→4)
oligosaccharides
streptomycin
Glycosaminoglycans
linear polymers of repeating disaccharide unit
monomer
N-acetyl-gluconsamine、N-acetyl-galactosamine
GlcNAc、GalNAc
uronic acid
D-gluconic 、L-iduronic acid
hyaluroonate
up to 50000 repeats of the basic disaccharide unit 分子量接近百萬
滑膜關節液
眼球玻璃體液
關節肌腱的胞外基質
其他非hyaluronate的GAGs
共價鍵結到特定的連結蛋白
form proteoglycans
比較短
negative charged
uronic acids(C6 oxidation)
sulfate esters
forms meshwork with fibrous proteins to form extracellular matrix
connective tissue
lubrication of joints
GAGs
hyaluronate
GlcA β(1->3) GlcNAc β(1->4)
一鏈50000個雙糖
chondroitin 軟骨素4-sulfate
GlcA β(1->3) GlcNAc4SO2- β(1->4)
一條鏈20-60雙糖
keratan sulfate硫酸角質素
Gal β(1->4) GlcNAc6SO2- β(1->3)
25雙糖一條鏈
非uronic acids(糖醛酸)
角膜、軟骨、骨骼、角、頭髮、蹄、爪、指甲
硫酸皮膚素
dermatan sulfate
β1->3
pliability of skin柔韌性
blood vessels
heart valve
heparin肝素
fractionated heparan sulfate
抗凝血劑
與prothrombin3相連
β1->4
生物具分子中負電密度最高
FGF1、FGFReceptor、GAG(heparin)共結晶
GAGs metabolic diseases
代謝某些糖鍵結的酵素缺乏,導致無法去除的黏多醣聚集在細胞或是器官中
mucopolysaccharidoses(MPS)
MPS1
缺乏α-L-iduronidases,無法切開dermatan 和heparan sulfate
MPS2
缺乏iduronate sulfate sulfatase無法切開herparan sulfate
MPS4A
缺乏N-Acetylgalactosamine 6-sulfate sulfatase無法切開keratin sulfate
glycoconjugate
proteoglycan
mucopolysaccharide
major component of ECM
macromolecule of the cell surface or ECM
(GlcA β1->3 GalNAc)n β1->4GlcA β1->3 Gal β1->3 Gal β1->4Xyl ->ser-G-X-G(c terminal)
四糖橋GlcA Gal Gal Xyl Ser
families
syndecan
連接一個跨膜core protein
heparan sulfate
unmodified NA
7 雙糖單元NS
連結特定蛋白
3~8雙糖
GlcNS GlcA GlcNS GlcA GlcNS IdoA GlcNS IdoA GlcNS IdoA GlcNS IdoA GlcNS IdoA
modifications
confromational activation(-)
凝血因子Xa 接在AT(antithrombin)上面促進與NS上特定五糖結合以避免凝血
增強蛋白質
間交互作用
AT 和thrombin接在鄰近的NS上連接在一起,避免凝血
coreceptor for
extracellular ligands
FGF(fibroblast growth factor)和FGFReceptor雙元體與NS作用,將寡聚體聚合在一起並增加FGF的效用
cell surface localization/concentration
硫酸肝素高密度負電賀吸引正電脂蛋白脂肪酶(lipoprotein lipase)並用電穩定性及序列專一性與NS domains
作用
Increased
heparan sulphate與heparin
GlcA GlcN IdoA
heparin sulphate
GlcA多
sulfated(較弱)(-)
heparan-sulphate GAG chains tend to exists as proteoglycan component
->tethered to a protein core
在細胞表面表現
2 more items...
heparin
IdoA多
sulfated(較強)(-)
與組織胺(histamine)共同釋放
肥大細胞degranulation
與蛋白核解離可做自由GAG
4member
chondroitin sulfate
glypican
lipid anchor 連接膜
GPI Anchor
derivative of membrane lipid phosphatidylinositol
globular domain with disulfide bond*2
heparin sulfate
7 member
protease
cut close to membrane surface
release syndecan ectodomains
breaks the connection to the membrane lipid
release glypicans
proteoglycan aggregates
hyaluronan aggrecan form huge Mr>2*10^8 非共價聚合
可抓住1000被自身重量的水分
lubrication
low friction material
covers joints surface: 關節軟骨
降低摩擦
負載平衡
hyaluronan巨棒以link protein連接aggrecan protein 短棒,短棒上接keratan sulfate和chondroitin sulfate
細胞膜內有actin filament以integrin連結出膜外上面有proteoglycan、fibronectin、cross-linked fibers of collagen
glycoproteins
一或數個寡糖與蛋白共價結合
carbohydrate attached via anomeric carbon
specific site 辨識
half of mammalian protein are glycoprotein
醣類重量中可能有1%~70%是糖蛋白
有些細菌醣基化自己的蛋白質
病毒蛋白則是高度醣基化以躲過免疫系統
mucin黏液素
可能分泌出去或是停留在膜上的糖蛋白,上面有很大數目的O-link 寡糖鏈
most secretions, slipperiness
蛋白分解的計時系統
O-linked或是N-linked
O-linked
Neu5Ac GalNAc加上Ser/Thr
N-linked
GlcNA接Asn
決定是N-linked或是o-linked的是後面接上的氨基酸
glycolipids
membrane lipid
寡糖疏水基團
脂質與寡糖共價結合
在脊椎動物中ganglioside(神經節苷酯)的碳水化合物組成決定血型(blood group)
寡糖抗原結構
O
α(1->2) Fuc
A
Gal fork
α(1->3)GalNAc
α(1->2) Fuc
B
Gal fork
α(1->3)Gal
α(1->2) Fuc
共同結構
Gal β(1->3) GlcNAc β(1->3) Gal fork α(1->2) Fuc
identical in all but 4/354 positions
格蘭氏陰性菌的脂多醣覆蓋肽聚糖
bacterial lipopolysaccharides of S.Typhimurium
O-specific chain +core+Lipid A
寡糖定序
NMR
precise linkage site
質譜儀
寡糖
定序流程
glycoprotein /glycolipid
endoglycosidase(糖類內切酶)
切出寡糖混合物
分離寡糖方法有三
1.離子交換層析
2.凝膠過濾Gel filtration
3.用與lectin的親和度層析
與強酸水解
產生單糖
高效能液態層析
氣液態層析
得到單糖分子混合物
可分析單糖種類數量
以CH3I(強鹼)過量甲基化
得到甲基化碳水化合物
酸中水解產生單糖(在糖苷鍵以外的所有-OH甲基化)
可辨認糖苷鍵的位置
以酵素水解特定糖苷鍵
產生小寡糖
由混合物分辨率分離
寡糖用甲基化或是酵素分析控制
判斷單糖序列、糖苷鍵構型
NMR或質譜儀
軟骨素
葡萄糖胺適用範圍
關節炎
風濕性關節炎
類風濕性關節炎
退化關節炎
骨質酥鬆
骨質發育不良
骨折
骨部手術恢復
腰酸背痛
肩頸痠痛
肌肉痠痛
筋骨痠痛
補充葡萄糖胺作用
促進關節軟骨素及關節液增生
促骨關節新陳代謝
提供骨關節營養
幫助鈣吸收
輪滑
減輕疼痛
抑制骨關節退化
軟骨、結締組織
幫助軟骨吸收水分、養分
市售:硫酸軟骨素
和葡萄糖胺一起使用