第三章 蛋白聚糖(proteoglycan)广泛存在的糖胺聚糖和蛋白聚糖原核生物胞外多糖真核生物药用真菌银耳棘皮动物补品海参结缔组织关节软骨蹄筋皮肤常见的蛋白聚糖物质结缔组织中含量较高：软骨、角膜基质、关节滑液、蹄筋、粘液、眼玻璃体等银耳、燕窝、海参等保健品葡萄糖胺、硫酸软骨素、透明质酸等成分的保健品和药物弹性蛋白(Elastin)弹性蛋白(Elastin)是弹性纤维(elastic fibers)的主要成分。功能：能够赋予细胞外基质弹性。弹性蛋白也是富含甘氨酸和脯氨酸的蛋白质。与同胶原不同的是，弹性蛋白的脯氨酸没有羟基化，所以没有羟脯氨酸的存在。糖胺聚糖蛋白聚糖的结构、功能和代谢1、蛋白聚糖的分子组成和分类2、糖胺聚糖的类型3、蛋白聚糖的分类4、核心蛋白的结构5、蛋白聚糖的分布、结构和生理功能6、细胞间质生物学：细胞基质与细胞粘附 分子7、蛋白聚糖的代谢与疾病什么是蛋白聚糖？和糖蛋白的区别？蛋白聚糖是蛋白质与硫酸化的糖胺聚糖共价连接的大分子糖复合物。Proteoglycans are a class of glycosylated proteins which have covalently linked sulfated glycosaminoglycans, (i.e., chondroitin sulfate, dermatan sulfate, heparan sulfate, heparin, keratan sulfate). 蛋白聚糖的分子组成和分类 核心蛋白 糖胺聚糖（glycosaminoglycan，过去也称粘多糖）：是具有多聚阴离子的杂多糖多聚阴离子的杂多糖，由己糖醛酸己糖醛酸或半乳糖半乳糖与氨基己糖氨基己糖构成的二糖单位重复几十到几百次组成的线性线性糖链。一个蛋白聚糖分子可含有1条到上百条GAG链。 连接区寡糖“兼职”蛋白聚糖：如Tf受体，II型组织相容抗原，IX型胶原蛋白等。核心蛋白上的GAG链可有可无。糖胺聚糖的类型透明质酸(hyaluronic acid, HA)硫酸软骨素/硫酸皮肤素(chondroitin sulfate, CS/dermatin sulfate, DS)硫酸角质素(keratan sulfate, KS)硫酸乙酰肝素/肝素(heparan sulfate, HS/heparin, Hep) GAG的重复单元结构比较GAG己糖胺己糖醛酸硫酸基HAD-GlcNAcD-GlcA无CSD-GalNAc(4S, 6S)D-GlcAO-硫酸基DSD-GalNAc(4S, 6S)L-IdoA/D-GlcAO-硫酸基KSD-GlcNAc(6S)D-Gal(6S)O-硫酸基Hep/HSD-GlcN ()(2N-S, 6S,3S)L-IdoA(2S)/D-GlcA(2S)N-/O-硫酸基肝素与硫酸类肝素的区别特征特征硫酸类肝素硫酸类肝素肝素肝素在 2mol/L醋 酸 钾(pH5.7,4)中溶解是不分子大小1070kDa1012kDa硫酸基/己糖胺0.81.81.82.4GlcNN-硫酸基40%60%85%IdoA含量3050%70%与抗凝血酶结合00.3%30%合成部位基本上所有细胞肥大细胞连接区寡糖(1)CS/DS, HS/Hep:通过还原末端的木糖与核心蛋白序列（通常是Ser-Gly）中的Ser-OH之间形成糖苷键，木糖的C-2常被磷酸化。连接区寡糖(2)KS链的N-连接和O-连接：核心蛋白的分类丝甘蛋白聚糖(serglycin)：M最小，约2万，含24个连续的Ser-Gly重复。饰胶蛋白聚糖(decorin)：M约万，富含Leu重复序列，在结缔组织中参与调节胶原纤维的形成。粘结蛋白聚糖(syndecan)： M约万，具有跨膜结构。可聚蛋白聚糖(aggrecan)：M很大，可聚集，是软骨中的主要结构分子。蛋白聚糖核心蛋白的特点多数核心蛋白可分为几个不同的结构域；所有核心蛋白均有糖胺聚糖取代结构域；通过特异结构域，一些蛋白聚糖可锚定在细胞表面或胞外基质的大分子上；有些核心蛋白含互作的特异结构域。 蛋白聚糖的分布、结构和功能1胞外透明质酸和大分子间质蛋白聚糖2胞外小分子间质蛋白聚糖3基底膜蛋白聚糖4细胞表面蛋白聚糖5细胞内蛋白聚糖 细胞基质型 大分子 透明质酸 可聚蛋白聚糖 (CS/KSPG)多能蛋白聚糖(CS/DSPG) 小分子 双链蛋白聚糖和饰胶蛋白聚糖 (CS/DSPG)纤调蛋白聚糖和光蛋白聚糖(KSPG) 基底膜蛋白聚糖 串珠样蛋白聚糖(perlecan) (大分子HSPG)硫酸软骨素蛋白聚糖 细胞膜结合型 (多为HSPG)粘结蛋白聚糖 糖基磷脂酰肌醇蛋白聚糖(glypican) 蛋白聚糖及CD44 (兼职PG,含CS)凝调蛋白聚糖(thrombomodulin) 细胞内型丝甘蛋白聚糖 (含Hep或过硫酸化的CS)蛋白聚糖的分类(1)蛋白聚糖的分类(2)透明质酸(hyaluronic acid, HA)分布：HA广泛分布于动物结缔组织的细胞外间质中，以胚胎组织、滑液、玻璃体、脐带及鸡冠等组织中含量最多。也存在于一些细菌的荚膜中，例如葡萄球菌及链球菌A型和C型等。 分子大小：可达1000万，约25000个二糖重复单位，伸展长度约25m 。分子结构：游离的GAG；多聚阴离子；无规线团物化性质：粘度；弹性；水化空间HA结合蛋白： 结构性结合分子：连结蛋白、Aggrecan、Versican等分子中的HABR 细胞表面的HA受体 能与HA特异相互作用的大分子细胞外CSPG可聚蛋白聚糖(Aggrecan)：存在于软骨细胞外基质的大分子CS/KSPG，分子量250万。含有约100条CS，50条KS，50条O-Glycan，1015条N-Glycan。具多个结构域“分子弹簧” 整个分子形状犹如一个“瓶刷”，形成大的溶剂化领域。每克蛋白聚糖（干重）可吸引约50mL的溶剂。 多能蛋白聚糖(Versican)：存在于成纤维细胞基质，分子量78万86万不含KS链；GAG链较少；可连结大量N-糖链和O-糖链；也有氨基末端G1结构域和羧基末端G3结构域，但缺少G2结构域。 Aggrecan and Versican细胞外小分子间质蛋白聚糖具有一条或几条GAG链核心蛋白的共同特征是具有富含亮氨酸的重复结构花式归为leucine-rich proteoglycans家族细胞外小分子间质蛋白聚糖基底膜结构一种特殊的细胞外间质，位于上皮细胞和内皮细胞的基底面与深层结缔组织之间；可分为透明层、致密层、纤维状层；也可围绕在一些细胞周围，没有纤维状层，称为基板。组成基底膜的大分子：IV型胶原，层粘连蛋白(laminin)、巢蛋白(nidogen)和蛋白聚糖(HSPG和CSPG）。基底膜结构基底膜蛋白聚糖Perlecan:大分子的HSPGTheamino-terminaldomainIcontainsthreeheparansulfate(HS)chains;domainIIhasfourLDLreceptor-likerepeats;domainIIIcontainsrepeatsresemblingthoseintheshortarmoflaminin;domainIVhasIg-likerepeatssimilartothoseinNCAM,anddomainVcontainsrepeatssimilartothoseinlamininAchainandEGFmotifs.细胞外基质(extra-cellular matrix,ECM)细胞外由纤维状胶原、透明质酸、蛋白聚糖和糖蛋白以不同比例组成的细胞间质 。分布：各组织和细胞之间的胞间隙或胞间膜。意义：组织之间的联系与隔离主要成分胶原胶原 (collagen)：抗拉伸纤连蛋白纤连蛋白 (fibronectin, Fn) ：粘连层粘蛋白层粘蛋白 (laminin, Ln)蛋白聚糖：抗压缩弹性蛋白：抗拉伸ECMGAG链主要是HS，也有CS。与质膜的结合方式有3种：(1)核心蛋白疏水肽段直接插入膜双层；(2)核心蛋白与GPI共价结合而锚定在质膜上；(3)通过HS链与质膜结合蛋白之间进行特异或非特异相互作用；细胞表面蛋白聚糖细胞表面蛋白聚糖Syndecan：羧基末端胞质结构域；跨膜的疏水结构；连接糖胺聚糖链的细胞外结构域。细胞表面粘附分子整合蛋白层粘连蛋白受体钙依附的粘附蛋白免疫球蛋白超家族C44血管地址素细胞内蛋白聚糖SerglycinGAG链种类为Hep或过硫酸化的CS。细胞贮存颗粒，其分子具有密集的负电荷基团，与带正电荷的蛋白酶、羧肽酶及组织胺等相互作用，参与这些生物活性分子的贮存和释放。结缔组织肥大细胞中的Serglycin是机体所需肝素的主要来源。蛋白聚糖糖胺聚糖种类糖链数量功能AggrecanCS/KS120与软骨组织的HA结合VersicanCS/DS1030与细胞外基质的HA结合SyndecanHS/CS16与生长因子结合LumicanKS34维持角膜透明度；与胶原结合AgrinHS4引导乙酰胆碱受体在神经肌肉接头处聚集PerlecanHS3与基底膜的胶原结合BiglycanCS/DS2细胞表面与基质结合的蛋白聚糖蛋白聚糖的性质糖胺聚糖链的生物合成部位内质网：核心蛋白肽链高尔基体：CS/DS; Hep/HS质膜内表面：HAGAG链的合成过程多糖链的形成是由单糖逐个加上去的木糖基的起始识别位点：Glu/Asp-X-Ser-Gly核心蛋白序列决定GAG链性质糖醛酸由UDPGA提供；单糖要由UDP活化；硫酸基转移酶硫酸基供体：3-磷酸腺苷-5-磷酸硫酸(PAPS)糖胺氨基来自于Gln木糖基是糖胺聚糖链合成的引物a) Xylosides with suitable lipophilicity can penetrate cell membranes and initiate GAG synthesis. b) Some GAG chains are transported into the cell nuclei, and c) the xyloside derived products are cell toxic and trigger apoptosis (cell death).引自Ellervik Research Group 磷酸腺苷磷酸硫酸 (PAPS)(PAPS)3-phosphoadenyl-5-phosphosulfate,thehigh-energydonorofsulfategroups.HSPG的生物合成的生物合成HSbiosynthesisinvolvesaseriesofmodificationreactionsincludingsulfationandepimerizationofGlcA.Chainpolymerizationandmodificationarethoughttooccursimultaneously.蛋白聚糖的体内降解分解部位：溶酶体外切糖苷酶和硫酸酯酶细胞外间质的PG半衰期较长（数天或数周），而细胞膜表面的PG半衰期较短（520小时）。关节炎与骨质老化时的PG代谢粘多糖贮积病(mucopolysacharidoses, MPS)HSPG的代谢的代谢蛋白聚糖的功能维持细胞间质、软骨、角膜等组织的润滑和弹性、透明度与带正电荷的蛋白酶、羧肽酶及组胺等相互作用，参与这些生物活性分子的贮存和释放丝甘蛋白聚糖激活酶与底物的结合肝素与抗凝血酶III脂蛋白脂酶调节细胞生长介导生长因子FGF与受体的结合储存和释放生长因子FGF：抗肿瘤药物设计TGF-beta刺激某些细胞中蛋白聚糖的合成一些PG的核心蛋白具有EGF或CRF样结构域GAG结合蛋白自然界存在多种GAG结合蛋白，其生物功能涉及止血、细胞生长和迁移、脂质转运和吸收、发育等等。大多数识别的GAG链为HS链。这种相互作用依赖于电荷吸引：结合处的蛋白质则富含碱性氨基酸(BBXB or BBBXXB)。（与凝集素相区别）分子间作用力：GAG链片段中具有特殊修饰的糖残基导致糖链形成特定构象，与结合蛋白契合。可用亲和共电泳研究选择性和结合力。范例肝素与抗凝血肝素（Heparin）与抗凝血酶（Antithrombin）的结合产生两种效果：第一，引起蛋白质构象改变，并激活对蛋白酶的抑制作用，结果使凝血酶和因子Xa失活的速率提高1000倍。第二，肝素承担着增强凝血酶和抗凝血酶之间物理接触的模板的作用。也就是说，凝血酶和抗凝血酶两者都有GAG结合部位。在这些反应中，肝素作为催化剂，通过底物间的接触和构象改变加大反应速率。机体内血液凝固、抗凝、纤溶与抗纤溶是相互抑制、相互协调、共同维护血液系统的正常生理功能。血液凝固与抗凝机制血液凝固与抗凝机制(Red)Oxygen;(gold)sulfur;(blue)nitrogen;(gray)carbon;(white)hydrogen.Structure of heparinGlcAexistsinthe4C1conformation,whereasIdoAexistsinequallyenergeticconformationsdesignated1C4and2S0,whichreorientsthepositionofthesulfatesubstituentsandthereforecreatesadifferentorientationofchargedgroups.IdoA的构象柔性HSPG的分布、结构和功能Table Examples of heparan sulfate proteoglycansProteoglycanCoreprotein(kD)NumberofchainsTissuePerlecan40013HSbasementmembranesAgrin21223HSbasementmembranesSyndecans14314513CSepithelialcellsandfibroblasts12HSBetaglycan1101HSfibroblasts1CSGlypicans156013HSepithelialcellsandfibroblastsSerglycin10191015heparin/CSmastcellsHSPG的结构与功能与AT特异结合的肝素五糖结构范例FGF与HSPG相互作用Formation of complexes between an HS proteoglycan, bFGF, and a bFGF receptor. The binding of heparin or HS to bFGF lowers the concentration required for receptor activation. HA结合蛋白对细胞外基质的形成、细胞粘附和移动有重要作用。Aggrecan软骨和骨质细胞迁移蛋白聚糖相关疾病透明质酸与疾病骨骼发育及骨质疏松症的保健血管弹性角膜斑状病变Alzheimer症糖尿病并发症蛋白尿硫酸乙酰肝素酶与肿瘤转移乙酰肝素酶参与肿瘤转移的主要机理包括肿瘤细胞浸润转移和血管形成两个方面。肝素酶通过降解HSPG，与蛋白水解酶协同作用，破坏、改变细胞外基质和基底膜结构，促进肿瘤细胞侵袭、转移;肝素酶促进释放尿激酶型纤溶酶原激活物和组织型纤溶酶原激活物，二者使纤溶酶原激活纤溶酶除具有活化基质金属蛋白酶(matrix metMloproteinase，MMPs)作用外，还具有促进HS结合型活性bFGF释放的功能；肝素酶通过将具有高度活性的HS-bFGF复合体从储存在细胞外基质和肿瘤微环境中释放出来，促进肿瘤细胞、内皮细胞和成纤维细胞增生迁移，间接诱发肿瘤血管生成反应;肝素酶可能促进释放组织特异性生长因子，参与肿瘤细胞转移的器官组织特异性选择。乙酰肝素与肿瘤发生与转移乙酰肝素酶乙酰肝素酶抑制剂：磷酸戊糖硫酸酯中草药Some conclusions 蛋白聚糖和糖胺聚糖是细胞间质的重要结构物质透明质酸是游离的、非硫酸化的大型糖胺聚糖 硫酸角质素可以认为是糖蛋白中的聚乳糖胺单位发生硫酸化修饰后的产物 硫酸软骨素、硫酸皮肤素、肝素和硫酸类肝素与蛋白质的连接需要一个四糖连接寡糖介导，其中与丝氨酸相连的是木糖肝素和硫酸类肝素的区别和联系蛋白聚糖的生物合成蛋白聚糖中的糖胺聚糖可以介导生长因子与其受体的结合，并可储存和调控这些因子。糖胺聚糖上的糖基种类和硫酸化修饰影响了与其相互作用的蛋白质种类，参与了多种生命活动的调控过程。