糖链的常见分类主要依据其与非糖部分(蛋白质或脂质)的连接方式来定义(常见真核生物的例子见图 1.6 和图 1.7)。
糖蛋白是一种糖缀合物,其蛋白质主链上共价连接有一个或多个糖链,通常通过 N- 或 O-键连接。
N-糖链(N-连接寡糖,N-[Asn]-连接寡糖)是指通过一个葡萄糖胺(GlcNAc)残基与蛋白质的天冬酰胺(Asn)残基共价连接的糖链,在真核生物中常见,其识别序列为 Asn-X-Ser/Thr(X 不能为脯氨酸)。动物的 N-糖链具有一个共同的五糖核心结构,并大致分为三类:寡甘露糖型(高甘露糖型)、复合型和杂合型。
O-糖链(O-连接寡糖)常通过 N-乙酰半乳糖胺(GalNAc)连接到丝氨酸(Ser)或苏氨酸(Thr)的羟基上,进一步可形成不同的结构核心类型(详见第 10 章)。黏蛋白(mucin)是一类大型糖蛋白,携带大量簇集的 O-糖链。除此之外,还有其他类型的 O-糖链(例如 O-连接的岩藻糖、葡萄糖或甘露糖)。
蛋白聚糖(proteoglycan)是一种糖缀合物,其中一个或多个糖胺聚糖(GAG)链通过一个典型的核心区连接到“核心蛋白”上,该核心区的还原端为连接在丝氨酸残基羟基上的木糖残基。蛋白聚糖与糖蛋白的界限在某种程度上是人为的,因为一些蛋白聚糖肽链上既可以携带 GAG 链,也可含有不同的 O-糖链和 N-糖链。
此外,许多细胞质和细胞核蛋白的丝氨酸或苏氨酸残基上也可能携带单个 GlcNAc 残基。图 1.7 展示了自然界中已知的糖链-蛋白质连接类型列表。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 1.6. 动物聚糖的常见类别
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 1.7 自然界中已报道的聚糖-蛋白质连接(或糖链-蛋白质连接)
糖基磷脂酰肌醇锚定物(GPI锚)是一种由糖链组成的桥梁结构,它连接着磷脂酰肌醇与磷酸乙醇胺,而磷酸乙醇胺则通过酰胺键连接在蛋白质的羧基末端。这种结构通常是此类蛋白质锚定在脂质双层膜上的唯一方式。
糖鞘脂(Glycosphingolipid),通常称为糖脂,由一个糖链组成,该糖链通常通过葡萄糖或半乳糖连接在**神经酰胺(ceramide)**终端的一级羟基上。神经酰胺由长链碱基(鞘氨醇)和脂肪酸组成。糖脂可以是中性的,也可以是阴离子的;其中,神经节苷脂(ganglioside)是一种含有一个或多个唾液酸残基的阴离子糖脂。
值得注意的是,以上仅为真核细胞中最常见的糖链类别之一。在动物细胞膜的某一侧或两侧还存在其他较少研究的糖链类型,而在植物、藻类和原核生物中则存在更多不同种类的糖链。
糖链结构单元的共性与差异
尽管不同的糖链类别拥有可区分的核心结构,但它们在外部结构序列上常常共享一些共同的单元。
共享单元: 动物的 N-糖、O-糖以及糖鞘脂中经常包含亚末端二糖 **Galβ1-4GlcNAcβ1-(N-乙酰乳糖胺,LacNAc)**或较少见的 GalNAcβ1-4GlcNAcβ1-(LacdiNAc)单元。
延伸结构: LacNAc 单元有时会重复,形成扩展的聚 N-乙酰乳糖胺(有时误称为“聚乳糖胺”)。LacdiNAc 基序也可重复,称为 polyLacdiNAc。
末端修饰: LacNAc 的外部单元可通过岩藻糖基化或支链修饰,并通常在脊椎动物中以唾液酸封端,也可由**硫酸酯、岩藻糖(Fuc)、α-半乳糖(α-Gal)、β-N-乙酰半乳糖胺(β-GalNAc)或 β-葡糖醛酸(β-GlcA)**等封端。
糖胺聚糖和多聚唾液酸
相比之下,真核糖胺聚糖(Glycosaminoglycans, GAGs)是由酸性二糖重复单元组成的线性共聚物。这些单元通常由一个**己糖胺(GlcN 或 GalN)和一个己糖(Gal)或己糖醛酸(GlcA 或 IdoA)**组成。
不同的二糖单位类型定义了不同的糖胺聚糖:
软骨素或皮肤素硫酸盐: GalNAcβ1-4GlcA/IdoA
肝素或肝素硫酸盐: GlcNAcα1-4GlcA/IdoA
角质素硫酸盐: Galβ1-4GlcNAc
透明质酸(hyaluronan): 它是 GlcNAcβ1-4GlcA 组成的聚合物,主要以游离糖链的形式存在,并未连接到任何非糖基部分。
部分糖胺聚糖在氨基或羟基位点上带有硫酸酯修饰(即 N-或 O-硫酸基)。
另一种可从 LacNAc 单位延伸出的阴离子多糖是多聚唾液酸(Polysialic Acid),它是唾液酸的同聚物,仅在少数脊椎动物蛋白上特异性表达。多聚唾液酸与透明质酸也存在于某些病原菌的荚膜多糖中。
糖链可以构成糖缀合物质量的主要部分
在天然存在的糖缀合物(glycoconjugates)中,糖链(glycans)占分子总体尺寸的比例可能存在显著差异。
细胞表面的“糖萼”(Glycocalyx)
自然界中所有类型的细胞表面(这些表面都富含各种糖缀合物)实际上都被密集排列的糖分子所覆盖,这种结构被称为**“糖萼”(glycocalyx)**。
历史观察: 多年前,电子显微镜学家就观察到了这种细胞表面结构:
- 在细菌中,它表现为细胞膜外部带负电的包被,可被**钌红(ruthenium red)**染色。
- 在动物细胞中,该带负电的包被可通过带正电的试剂显影(见图 1.4)。
富含糖类的证据: 动物细胞中“糖萼”富含糖类(包括与蛋白质结合的唾液酸)的证据最初来源于以下研究:
蛋白酶处理红细胞后,对其电泳行为的研究。
病毒和植物凝集素在红细胞表面的结合位点的研究。
高密度示例: 糖萼中糖链的密度可以非常高。例如,据计算,一个典型人类 B 淋巴细胞糖萼中的唾液酸浓度可能超过 100 毫摩尔(mM)。