Гликопротеини

Гликопротеините са протеини, които съдържат ковалентно прикрепени захарни остатъци. Хидрофилните и полярните характеристики на захарите могат драматично да променят химическите характеристики на протеина, към който са прикрепени. Добавянето на захари често се изисква, за да функционира правилно гликопротеинът и достигне до крайното му местоназначение в клетката или в организма. Гликопротеините често присъстват на повърхността на клетките, където функционират като мембранни протеини или като част от извънклетъчния матрикс. Тези гликопротеини на клетъчната повърхност играят критична роля в клетъчните взаимодействия и механизмите на инфекция от бактерии и вируси.

Съществуват три вида гликопротеини, базирани на тяхната структура и механизма на синтеза: N-свързани гликопротеини, О- свързани гликопротеини и неензимни гликозилирани гликопротеини.

N-свързаните гликопротеини се синтезират и модифицират в два мембранно-свързани органели в клетката, грубия ендоплазматичен ретикулум и апарата на Голджи. Протеиновият компонент на гликопротеина се сглобява на повърхността на грубия ендоплазмен ретикулум чрез последователно добавяне на аминокиселини, създавайки линеен полимер от аминокиселини, наречен полипептид. Двадесет различни аминокиселини могат да бъдат използвани за синтеза на полипептиди. Специфичният ред на аминокиселините в полипептида е критичен за неговата функция и се отнася до аминокиселинната последователност. Една от двадесетте аминокиселини, използвани за синтеза на полипептиди, аспарагин, е от съществено значение за синтеза на N-свързани гликопротеини.

N-свързаните гликопротеини имат въглехидрати, прикрепени към страничната верига на аспарагиновите остатъци в полипептида. Въглехидратите винаги се намират в аминокиселинни секвенции, където аспарагинът е последван от друга аминокиселина и след това серинов или треонинов остатък. Въглехидратът не е прикрепен към полипептида една захар в даден момент. По-скоро голям ароматен въглехидрат, съдържащ четиринадесет или повече захарни остатъка, е прикрепен към аспарагина, тъй като протеинът се транслира в грубия ендоплазмен ретикулум. След това въглехидратът на гликопротеина се модифицира от ензими, които отстраняват някои захари и прикрепят други, тъй като новообразуваният гликопротеин се движи от грубо ендоплазмения ретикулум до апарата Голджи и други места в клетката. Много N-свързани гликопротеини в крайна сметка стават част от клетъчната мембрана или се секретират от клетката.

О-свързаните гликопротеини обикновено се синтезират чрез добавяне на захарни остатъци към хидроксилната странична верига на серинови или треонинови остатъци в полипептиди в апарата на Голджи. За разлика от N-свързаните гликопротеини, О-свързаните гликопротеини се синтезират чрез добавяне на единичен захарен остатък в даден момент. Много О-свързани гликопротеини се секретират от клетката, за да станат част от извънклетъчния матрикс, която го заобикаля.

Не ензимното гликозилиране или гликация създава гликопротеини чрез химично добавяне на захари към полипептиди. Тъй като този тип гликозилиране е неензимен, факторите, които контролират гликозилирането, са просто време и концентрация на захар. По-старите протеини са по-гликозилирани, а хората с по-високи нива на глюкоза в циркулацията изпитват по-високи нива на неензимна гликозилация. Това е основата на диагностичния тест за гликозилиран хемоглобин, използван за мониторинг и дългосрочно поддържане на нивата на кръвната захар при диабетици.

Гликопротеините са няколко вида и имат високо молекулно тегло:

• Хондронектин
• Ламинин
• Ентактин
• Хепаран-сулфат
• Гликозамингликани и протеогликани
• Еластин

Хондронектина е сходен с ламинина. По химически състав представлява гликопротеин. Той залепва хондроцитите за колагена.

Ламининът е гликопротеин с молекулно тегло около 800-1000 кD и е най-изобилен в базалните мембрани. Съставен е от три субединици: А, В1, В2, които формират структура подобна на кръст. Намира се в базалните мембрани и чрез специфични рецептори от една страна се свързва с клетъчната повърхност, а от друга с компоненти на екстрацелуларния матрикс (колаген IV и хепаран сулфат). Има отношение към растежа, жизнения цикъл, морфологията, диференциацията и подвижността на различните типове клетки.

Ентактин е сулфатиран гликопротеин, който се намира в гломерулните базални мембрани и съседните повърхности на ендотелните клетки, израстъци на подоцитите и мезангиалния матрикс. Възможно е ентактинът да улеснява подобно на фибронектина и ламинина слепването между клетките и извънклетъчния матрикс.

Хепаран-сулфат-протеогликанът е съставен от различни гликозамингликани, ковалентно свързани с един сърцевиден протеин. Наблюдава се огнищно в lamina rara на базалните мембрани и играе главна роля в процеса на филтрация в гломерулите.

Гликозамингликаните са хетерогенна група от дълги неразклонени полизахаридни вериги с повтарящи се дизахаридни звена. Те преди се наричаха мукопротеини. Съдържат един основен протеин, свързан с кисели полизахариди. Днес се наричат глюкозамингликани /кисели мукополизахариди/. Молекулата на гликозамингликаните и протеогликаните образуват силно хидратиран гел на основното вещество, в който са "потопени" колагеновите влакна.

Известни са две групи гликозамингликани: несулфатирани и сулфатирани.Несулфатирани са хиалуронова киселина и хондроитинсулфат. Сулфатираните са хондроитин-сулфат-А, хондроитин-сулфат-В, хондроитин-сулфат-С, хепаран-сулфат и кератан- сулфат.

Глюкозамингликаните се оцветяват синьо с хематоксилин-еозин, а ПАС — реакцията е отрицателна. Използват се метахроматични оцветители: азур и толуидиново синьо, които имат рН=2 или по-малко. Тези бои оцветяват само сулфатираните гликозамингликани в цветова гама от червено до синьо-виолетово. Може да се използва алцианово синьо, която не е метахроматична боя. Оцветяването при нея зависи от рН на боята и варира от червено до виолетово. Колоидалното желязо може да оцвети гликозамингликаните, като методът се определя от афинитета на последните към тривалентните железни йони в колоидна форма.

Еластин участва във формирането на централното ядро на еластичните фибри. Той притежава способността да променя формата си и да се усуква, след което възстановява изходното си положение. Еластинът е богат на глицин и пролин и не съдържа хидроксилирани аминокиселини. Еластинът варира между различни състояния като оформя случайни намотки и по този начин определя разтягането и свиването на влакната. Съдържа се в тъкани, към които се предявяват такива изисквания /аорта, кожа и други/.

Съществуват редица методи на оцветяване, които могат да бъдат използвани за откриване на силно гликозилирани протеини върху гелове, дори при много ниски нива (тоест до няколко нанограма). Някои от най-често използваните петна за тази цел включват бледо синьо оцветяване на Coomassie (за протеини с ограничено гликозилиране) и сребърно оцветяване (използва се в случаите, когато се изисква висока чувствителност).

Обаче, тези методи на оцветяване не се препоръчват за откриване на силно гликозилирани протеогликани и/или гликопротеини. Това е предимно защото стерилната намеса, упражнявана от въглехидратите със сребърните йони, обикновено води до слабо оцветяване.

Като такова, използването на катионни багрила като алциново синьо или толуидиново синьо, което се свързва с отрицателно заредените гликозамино-гликанови странични вериги, е силно препоръчително при откриване на протеогликани. От друга страна, неутралните гликопротеини се откриват най-добре, като се използва ПАС — реакция.

Методът за оцветяване с ПАС и неговите многобройни вариации обикновено се използват за откриване на полизахариди и въглехидратни макромолекули (гликопротеини, гликолипиди и протеогликани) след натриев додецилсулфат или неденатурираща полиакриламидна гел електрофореза и пренасяне на протеин към нитроцелулозни мембрани. Този метод може също да се използва за визуализиране на разликите в заряда и увеличаването на изоелектричната точка след лечение с невраминидаза на гликопептиди, получени от муцин, след изоелектрично фокусиране.