Glikan

Termini glikan i polisaharid definirani su IUPAC-om kao sinonimi koji znače spojevi koji se sastoje od velikog broja glikozidno povezanih monosaharida.^[1] Međutim, u praksi se pojam glikan može koristiti i za označavanje dijela ugljikohidrata u glikokonjugatu, kao što su glikoprotein, glikolipid ili proteoglikan, čak i ako je ugljikohidrat samo oligosaharid.^[2] Glikani se obično sastoje isključivo od O-glikozidno vezanih monosaharida. Naprimjer, celuloza je glikan (ili, tačnije rečeno, glukan sastavljen od β-1,4-povezanihD-glukoza, a hitin je glikan sastavljen od β -1,4-vezani N-acetil-D-glukozamina. Glikani mogu biti homo– ili heteropolimeri monosaharidnih ostataka, linearnih ili razgranatih.

Glikani i proteini

Glikani se mogu naći vezani za proteine, kao što su glikoproteini i proteoglikani. Općenito se nalaze na vanjskoj površini ćelija. O– i N-vezani glikani vrlo su česti kod eukariota, ali se mogu naći, iako rjeđe, kod prokariota.

N-vezani glikani

Uvod

N-povezani glikani su vezani u endoplazmatski retikulum za dušik (N) u bočnom lancu asparagina u sekvenci. Sekvenca je sekvenca Asn-X-Ser ili Asn-X-Thr, gdje je X bilo koja aminokiselina, osim prolina, a glikan može biti sastavljen od N - acetilgalaktozamin , galaktoza, neuraminska kiselina, N - acetilglukozamin, fukoza, manoza i drugi monosaharidi.

Sklapanje

U eukariotima, N-vezani glikani potiču iz jezgrene 14-šećerne jedinice, sastavljene u citoplazmi i endoplazmatskom retikulumu. Prvo se dva N-acetilglukozaminska ostatka pričvrste na dolikol monofosfat, lipid, na vanjskoj strani membrane endoplazmatskog retikuluma. Zatim se ovoj strukturi doda pet ostataka manoze. Do sada, djelimično završeni jezgreni glikan prebacuje se preko membrane endoplazmatskog retikuluma, tako da se sada nalazi unutar retikulumskog lumena. Zatim se sastavljanje nastavlja unutar endoplazmatskog retikuluma, uz dodatak još četiri ostatka manoze. Konačno, ovoj strukturi dodaju se tri ostatka glukoze. Nakon potpunog sastavljanja, glikan se prenosi glikoziltransferaznim oligosaharil-transferazama u blok novonastalog peptidnskog lanca, unutar retikulumskog lumena. Dakle, ova jezgrena struktura N-vezanih glikana sastoji se od 14 ostataka (3 glukoze, 9 manoze i 2 N-acetilglukozamina).

slika: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.469

Tamni kvadratići su N-acetilglukozamin, svjetli su manoza, tamni trokuti su glukoza.

Obrada, modifikacija i raznolikost

Jednom prebačeni u novonastali peptidni lanac, N-vezani glikani, općenito, prolaze kroz opsežne reakcije obrade, pri čemu se uklanjaju tri ostatka glukoze, kao i nekoliko ostataka manoze, ovisno o N-vezanom glikanu o kojem je riječ. Uklanjanje ostataka glukoze ovisi o pravilnom savijanju proteina. Te reakcije obrade događaju se u Golgijevom aparatu. Reakcije modifikacije mogu uključivati dodavanje fosfatne ili acetilne grupe na šećere ili dodavanje novih šećera, kao što je neuraminska kiselina. Obrada i modifikacija N-vezanih glikana unutar Golgijevog aparata ne slijedi linearni put. Kao rezultat toga, moguće su mnoge različite varijacije N-vezane glikanske strukture, ovisno o aktivnosti enzima u Golgijevom aparatu.

Funkcije i značaj

N-vezani glikani izuzetno su važni za pravilno savijanje proteina u eukariotskim ćelijama. Šaperonski proteini u endoplazmatskom retikulumu, kao što su kalneksin i kalretikulin, vežu se za tri ostatka glukoze koji se nalaze na jezgru N-vezanog glikana. Ovi šaperonski proteini zatim pomažu u savijanju proteina za koji je glikan vezan. Nakon pravilnog presavijanja, uklanjaju se tri ostatka glukoze i glikan prelazi na daljnje reakcijske procese. Ako se protein ne uspije pravilno presaviti, tri ostatka glukoze se ponovo prikače, što omogućava proteinu da se ponovo poveže sa šaperonima. Ovaj ciklus može se ponoviti nekoliko puta dok protein ne postigne odgovarajuću konformaciju. Ako se protein više puta ne uspije pravilno presaviti, zlučuje se iz endoplazmatskog retikuluma i razgrađuje citoplazmatskim proteazama.

N-vezani glikani također pridonose nakupljanju proteina sternim efektima. Naprimjer, cisteinski ostaci u peptidu mogu biti privremeno blokirani u stvaranju disulfidnih veza sa drugim ostacima cisteina, zbog veličine obližnjeg glikana. Stoga prisustvo N-vezanog glikana omogućava ćeliji da kontrolira koji će ostaci cisteina formirati disulfidne veze.

N-vezani glikani također imaju važnu ulogu u interakciji ćelija-ćelija. Naprimjer, tumorske ćelije proizvode N-vezane glikane koji su nenormalni. Njih receptor CD337 prepoznaje na ćelijama prirodnim ubicama, kao znak da je dotična ćelija karcinomska.

Unutar imunskog sistema, N-vezani glikani na površini imunske ćelije pomoći će odrediti taj migracijski obrazac ćelije. Naprimjer, imunske ćelije koje migriraju na kožu imaju specifične glikozilacije koje favoriziraju usmjeravanje na to. Obrasci glikozilacije na različitim imunoglobulinima, uključujući IgE, IgM, IgD, IgE, IgA i IgG, dajući im jedinstvene efektorske funkcije, mijenjajući njihove afinitete prema Fc i drugim imunskim receptorima. Glikani mogu također biti uključeni u diskriminaciju "sebe" i "ne sebe", što može biti relevantno za patofiziologiju različitih autoimunih bolesti;^[3] uključujućo reumatoidni artritis ^[4] i dijabetes tipa 1 .^[5]

Ciljanje degradativnih lizosomskih enzima također se postiže pomoću N-vezanih glikana. Modifikacija N-vezanog glikana sa ostatkom manoza-6-fosfata služi kao signal da protein na koji je taj glikan vezan treba premjestiti u lizosom. Ovo prepoznavanje i promet lizosomskih enzima prisustvom manoza-6-fosfata, postiže se pomoću dva proteina: CI-MPR (neovisni o kationu receptor manoze-6-fosfata i CD-MPR (kation-zavisni receptor manoza-6-fosfata).

O-vezani glikani

Pregled

U eukariotima, O - povezani glikani sastavljaju se jedan po jedan šećer na serinskom ili treoninskom ostatku peptidnog lanca u Golgijevom aparatu. Za razliku od N-vezanih glikana, još uvijek nije poznat konsenzusni slijed. Međutim, postavljanje prolinskog ostatka na –1 ili 3 u odnosu na serin ili treonin povoljno je za O-vezanu glikozilaciju.

Sklapanje

Prvi monosaharid vezan u sintezi O-vezanih glikana je N-acetil-galaktozamin. Nakon ovoga moguće je nekoliko različitih puteva. Jezgrena struktura 1 nastaje dodavanjem galaktoze. Jezgrena struktura 2 nastaje dodavanjem N-acetil-glukozamina, N-acetil-galaktozaminske strukture jegra 1. Jezgarne strukture 3 nastaju dodavanjem jednog N-acetil-glukozamina originalnom N-acetil-galaktozaminu. Jezgarne strukture 4 nastaju dodavanjem drugog N-acetil-glukozamina u jezgarnu strukturu 3. Moguće su i druge temeljne strukture, iako rjeđe

Slike:

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.561 : Jezrena 1 i 2 generacija. Bijeli kvadratići = N-acetil-galaktozamin; crni kružići = galaktoza; crni kvadratići = N-acetil-glukozamin. Napomena: Na ovom dijagramu postoji greška. Donji kvadratić uvijek treba biti bijel na svakoj slici, a ne crn.

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.562 : Core 3 and Core 4 generation.

Uobičajena strukturna tema O-vezanih glikana je dodavanje polilaktozaminskih jedinica u različite jezgrene strukture. Oni nastaju ponavljajućim dodavanjem galaktoze i N-acetil-glukozamin jedinica. Lanci polilaktozamina na O-vezanim glikanima često su zatvoreni dodatkom ostataka sijalne kiseline (slično neuraminskoj kiselini). Ako se doda i fukoznih ostataka, pored sljedećeg predzadnjeg ostatka formira se struktura Sialyl-Lewisova X (SLex).

Funkcije i značaj

Sialyl-lewis X važna je u određivanju ABO antigena u krvi.

SLex je također važan za pravilan imunski odgovor. P-selektin oslobađanje iz Weibel-Paladinih tijela, na endotelnim ćelijama krvnih sudova, može biti inducirano brojnim faktorima. Jedan takav je odgovor endotelne ćelije na određene bakterijske molekule, kao što je peptidoglikan. P-selektin se veže za strukturu SLex koja je prisutna na neutrofilima u krvotoku i pomaže u posredovanju ekstravazacije ovih ćelija u okolno tkivo tokom infekcije.

Utvrđeno je da su O-vezani glikani, posebno mucin, važni za razvoj normalne crijevne mikrobiote. Određeni sojevi crijevnih bakterija specifično se vežu za mucin, omogućavajući im da koloniziraju crijevo.

Primjeri O-vezanih glikoproteina su:

Glikoforin, protein u eritrocitnim ćelijskim membranama;
Mucin, protein u pljuvački koji je uključen u stvaranje zubnih naslaga;
Urezni, transmembranski receptor uključen u razvoj i odluke o sudbini ćelije;
Trombospondin;
Faktor VII;
Faktor IX;
Tip urinskog aktivatora plazmagena.

Glikozaminoglikani

Drugi tip ćelijskog glikana su glikozaminoglikani (GAG). Sadrže 2-amino šećere povezane naizmjenično sa uronskom kiselinom, a uključuju polimere kao što su heparin, heparan-sulfat, hondroitin, keratan i dermatan. Neki glikozaminoglikani, kao što je heparan-sulfat, nalaze se pričvršćeni za površinu ćelije, gdje su povezani tetrasaharidnom vezom preko ksilozil ostatka na protein (formirajući glikoprotein ili proteoglikan) .

Glikoznanost

Izvještaj Nacionalnoog istraživačkog vijeća SAD poziva na novi fokus na glikoznanosti, polju koje istražuje strukture i funkcije glikana i obećava veliki napredak u raznovrsnim područjima poput medicine, proizvodnje energije i nauke o materijalima.^[6] Do sada su glikani dobijali malo pažnje istraživačke zajednice zbog nedostatka alata za ispitivanje njihovog često složenih struktura i svojstva. Izvještaj predstavlja putokaz za transformaciju glikoznanosti iz polja u kojem dominiraju stručnjaci u široko proučavanu i integriranu disciplinu..^[7].

Table 1:Advantages and disadvantages of mass spectrometry in glycan analysis

Prednosti	Nedostaci
Primjenjivo za male količine uzoraka (niži raspon fmol-a) Korisno za složene smjese glikana (stvaranje nove dimenzijske analize). Ćelije pričvršćivanja mogu se analizirati tandemskim MS eksperimentima (analiza glikana specifična za stranu). Sekvenciranje glikana tandemskim MS eksperimentima.)	Destruktivni metod. Potreba za odgovarajućim eksperimentalnim dizajnom.

Glikani i lipidi

Vidi glikolipidi

GPI-sidra

Vidi glikofosfatidilinozitol

Također pogledajte

Resursi

National Center for Functional Glycomics (NCFG) The focus of the NCFG is the development in the glycosciences, with an emphasis on exploring the molecular mechanisms of glycan recognition by proteins important in human biology and disease. They have a number of resources for glycan analysis as well as training in glycomics and protocols for glycan analysis
GlyTouCan, Glycan structure repository
Glycosciences.DE Arhivirano 11. 2. 2021. na Wayback Machine, German glycan database
Carbohydrate Structure Database, Russian glycan database
UniCarbKB Arhivirano 14. 4. 2021. na Wayback Machine, Australian glycan database
GlycoSuiteDB, glycan database by Swiss Institute of Bioinformatics
The Consortium for Functional Glycomics (CFG) is a non-profit research initiative comprising eight core facilities and 500 participating investigators Arhivirano 8. 5. 2023. na Wayback Machine that work together to develop resources and services Arhivirano 21. 3. 2021. na Wayback Machine and make them available to the scientific community free of charge. The data generated by these resources are captured in databases accessible through the Functional Glycomics Gateway, a web resource maintained through a partnership between the CFG and Nature Publishing Group.
Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future Arhivirano 20. 10. 2014. na Wayback Machine by the U.S. National Research Council. This site provides information about the U.S. National Research Counci's reports and workshops on glycoscience.

Reference

^ "Glycans". IUPAC Gold Book - Glycans. 2009. doi:10.1351/goldbook.G02645. ISBN 978-0-9678550-9-7.
^ Dwek, Raymond A. (1996). "Glycobiology: Toward Understanding the Function of Sugars". Chem. Rev. 96 (2): 683–720. doi:10.1021/cr940283b. PMID 11848770.
^ Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin M, Patel F, Wilken R, Raychaudhuri S, Ruhaak LR, Lebrilla CB (2015). "Glycans in the immune system and The Altered Glycan Theory of Autoimmunity". J Autoimmun. 57 (6): 1–13. doi:10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844. PMID 25578468.
^ Nakagawa, S; Hato, M; Takegawa, Y; Deguchi, K; Ito, H; Takahata, M; Iwasaki, N; Minami, A; Nishimura, S-I (2007). "Detection of altered N-glycan profiles in whole serum from rheumatoid arthritis patients". J. Chromatogr. B. 853 (1–2): 133–137. doi:10.1016/j.jchromb.2007.03.003. hdl:2115/28276. PMID 17392038.
^ Bermingham, ML; Colombo, M; McGurnaghan, SJ; Blackbourn, LAK; Vučković, F; Pučić Baković, M; Trbojević-Akmačić, I; Lauc, G; Agakov, F; Agakova, AS; Hayward, C; Klarić, L; Palmer, CNA; Petrie, JR; Chalmers, J; Collier, A; Green, F; Lindsay, RS; Macrury, S; McKnight, JA; Patrick, AW; Thekkepat, S; Gornik, O; McKeigue, PM; Colhoun, HM (2018). "N-Glycan Profile and Kidney Disease in Type 1 Diabetes". Diabetes Care. 41 (1): 79–87. doi:10.2337/dc17-1042. PMID 29146600.
^ "U.S. National Research Council Report, Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future". Arhivirano s originala, 20. 10. 2014. Pristupljeno 27. 2. 2021.
^ "U.S. National Research Council Report-in-Brief, Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future". Arhivirano s originala, 23. 9. 2015. Pristupljeno 27. 2. 2021.

Varki, Ajit; Cummings, Richard; Esko, Jeffrey; Freeze, Hudson; Hart, Gerald; Marth, Jamey, ured. (1999). Essentials of Glycobiology. Cold Spring Harbor NY: Cold Spring Harbor Laboratory Press. ISBN 978-0-87969-559-0. NBK20709.

Vanjski linkovi

Emanual Maverakis; et al. (2015). "Glycans in the immune system and The Altered Glycan Theory of Autoimmunity". Journal of Autoimmunity. 57: 1–13. doi:10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844. PMID 25578468.

[1] "Glycans". IUPAC Gold Book - Glycans. 2009. doi:10.1351/goldbook.G02645. ISBN 978-0-9678550-9-7.

[2] Dwek, Raymond A. (1996). "Glycobiology: Toward Understanding the Function of Sugars". Chem. Rev. 96 (2): 683–720. doi:10.1021/cr940283b. PMID 11848770.

[immune_glycan-3] Maverakis E, Kim K, Shimoda M, Gershwin M, Patel F, Wilken R, Raychaudhuri S, Ruhaak LR, Lebrilla CB (2015). "Glycans in the immune system and The Altered Glycan Theory of Autoimmunity". J Autoimmun. 57 (6): 1–13. doi:10.1016/j.jaut.2014.12.002. PMC 4340844. PMID 25578468.

[4] Nakagawa, S; Hato, M; Takegawa, Y; Deguchi, K; Ito, H; Takahata, M; Iwasaki, N; Minami, A; Nishimura, S-I (2007). "Detection of altered N-glycan profiles in whole serum from rheumatoid arthritis patients". J. Chromatogr. B. 853 (1–2): 133–137. doi:10.1016/j.jchromb.2007.03.003. hdl:2115/28276. PMID 17392038.

[5] Bermingham, ML; Colombo, M; McGurnaghan, SJ; Blackbourn, LAK; Vučković, F; Pučić Baković, M; Trbojević-Akmačić, I; Lauc, G; Agakov, F; Agakova, AS; Hayward, C; Klarić, L; Palmer, CNA; Petrie, JR; Chalmers, J; Collier, A; Green, F; Lindsay, RS; Macrury, S; McKnight, JA; Patrick, AW; Thekkepat, S; Gornik, O; McKeigue, PM; Colhoun, HM (2018). "N-Glycan Profile and Kidney Disease in Type 1 Diabetes". Diabetes Care. 41 (1): 79–87. doi:10.2337/dc17-1042. PMID 29146600.

[6] "U.S. National Research Council Report, Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future". Arhivirano s originala, 20. 10. 2014. Pristupljeno 27. 2. 2021.

[7] "U.S. National Research Council Report-in-Brief, Transforming Glycoscience: A Roadmap for the Future". Arhivirano s originala, 23. 9. 2015. Pristupljeno 27. 2. 2021.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]