【预备知识】
- 结构多糖和贮藏多糖 #89
动物细胞表面发现的大多数多糖属于一类称为糖胺聚糖 (GAGs) 的聚糖。GAGs 大量存在于细胞表面以及细胞外基质中，是分子量 >15,000Da 的线性大分子。大多数 GAGs 的构建块由一个氨基取代糖和一个己糖醛酸残基组成。糖残基上的修饰——特别是羟基或氨基的硫酸化——很常见。在生理条件下，硫酸根和己糖醛酸羧酸根基团带负电荷。因此，GAGs 是动物界中存在的阴离子性最强的分子。
常见的 GAGs 包括硫酸软骨素、硫酸皮肤素、硫酸乙酰肝素 (HS)、透明质酸和硫酸角质素。这些 GAGs 在其二糖 RU 方面存在结构差异。例如，硫酸软骨素由 [4GlcAβ1→3GalNAcβ1−]n 的二糖 RU 组成，而 HS 由 [4GlcAβ1→4GlcNAcα1−]n 或 [4IdoAα1→4GlcNSα1−]n 的二糖 RU 组成。这些聚合物的结构多样性主要是羟基额外硫酸化的结果，下文将讨论哺乳动物中发现的各种 HS 聚合物。
发现于其他动物中的 GAGs 可能因进一步的修饰而与哺乳动物 GAGs 不同。例如，海洋无脊椎动物可能带有特别独特的硫酸化模式（即 GlcA 残基上的 3-O-硫酸化）和独特的侧链修饰（即硫酸软骨素上的岩藻糖基化）。
图 Essentials of Glycobiology, 4E. Fig. 3.3. (A) 不同糖胺聚糖的二糖重复单元结构和 (B) 来自硫酸乙酰肝素的单糖构象。
动物多糖的结构-功能关系
GAGs 主要通过它们与数百种存在于细胞表面和细胞外空间的 GAG 结合蛋白的相互作用来展示生物学功能。影响结合强度和特异性的结构因素是引发适当生物学反应的关键。
HS，作为 GAG 家族中研究最深入的成员，很好地说明了其影响的广泛生理和病理生理功能。例如，HS 参与与生长因子和生长因子受体的三分子相互作用，从而参与调节胚胎发育。HS 与血液中的蛋白酶和蛋白酶抑制剂相互作用以控制凝血过程，并作为病毒感染的受体结合到病毒包膜蛋白上。此外，肝素，一种高度硫酸化的 HS 形式，是临床上常用的一种抗凝血药物。关于 HS 生物学功能的更完整讨论可在第 17 章和第 38 章中找到。本节使用 HS 与蛋白质之间的相互作用来阐明结构因素如何影响 GAGs 与蛋白质之间的结合。
促成 HS 蛋白质相互作用的结构多样性的一个因素是 L-艾杜糖醛酸 (L−IdoA) 及其衍生物 L-艾杜糖醛酸 2-O-硫酸酯 (L−IdoA2S) 的构象柔性。以吡喃糖形式存在时，IdoA 或 IdoA2S 的六元环结构可以采用椅式或扭船式构象（图 3.3B）。到目前为止，对于 HS 中的 GlcA 和 GlcN，仅通过实验证实了 4C1 椅式构象，但在含有 HS 的晶体结构中，IdoA2S 残基却发现了 1C4 椅式构象和 2S0 构象。在溶液中，NMR 研究表明 IdoA2S 和 IdoA 残基以 1C4 和 2S0 构象的混合物形式存在。IdoA 残基的构象柔性可能允许 HS 中硫酸根基团的定向，从而最大化与蛋白质的结合亲和力。决定对一种形式的偏好而非另一种形式的结构元素，包括 IdoA/IdoA2S 残基周围硫酸化单糖序列的可能影响，有待进一步研究。
促成结构多样性和与某些 HS 结合蛋白选择性相互作用的第二个因素是硫酸化糖结构域的大小。从天然来源分离的 HS 显示出结构域样结构，由六到八个糖组成的簇形成称为 S-结构域的高度硫酸化区域。这些区域被由 GlcA−GlcNAc RU 组成的非硫酸化糖残基隔开，这些非硫酸化糖残基被称为 NAc-结构域。 S-结构域主要含有 IdoA 残基，这可能有助于提供优化与蛋白质结合和引发所需生物活性所需的柔性。 NAc-结构域对 HS 功能的贡献尚未完全确定。然而，一个可能的角色可能是适当地定位单个多糖链中的 S-结构域，以便与多个蛋白质相互作用。一个例子是肝素与抗凝血酶和凝血酶的相互作用。在这个复合物中，肝素链的一部分与抗凝血酶相互作用，肝素链的另一部分与凝血酶相互作用。在抗凝血酶结合结构域和凝血酶结合结构域之间，存在一个六到七个糖残基的连接子。
GAGs 结构的细胞调节
与蛋白质和核酸不同，GAGs 的生物合成不受明确的模板调控。相反，GAG 家族的每个成员都是通过独特的途径合成的。例如，HS 的合成途径涉及多种酶，包括特定的糖基转移酶（或 HS 聚合酶）、差向异构酶和几种硫基转移酶。此外，HS 作为共价连接到蛋白聚糖上的聚合物进行生物合成，该蛋白聚糖由一个核心蛋白和多糖侧链组成；事实上，这些蛋白聚糖的功能主要由所添加的 HS 链的特性所决定。尽管这是一个非模板驱动的过程，但 HS 的整体结构在代际之间通常保持不变。人们对理解控制 HS 结构的机制有相当大的兴趣。
硫酸软骨素和硫酸皮肤素的生物合成不如 HS 的生物合成那样为人所知。硫酸软骨素倾向于在不同的蛋白聚糖核心蛋白上合成，并且需要一套不同于专门识别 HS 多糖的酶的聚合酶和硫基转移酶。为了合成硫酸皮肤素中的 IdoA 残基，需要一种特殊的差向异构酶。
透明质酸的生物合成则大不相同：它不是在核心蛋白上合成的，它不发生在内质网和高尔基体中，并且它只需要一种透明质酸合酶（一种双重活性的糖基转移酶），因为该多糖不含硫酸根基团或 IdoA 残基。
【进阶】
