Протеогликаны и гликозаминогликаны

Протеогликаны и гликопротеины – это сложные молекулы, состоящие из белков с ковалентно связанными с ними олигосахаридными или полисахаридными цепями. Различие между гликопротеинами и протеогликанами состоит в химической природе углеводов связанных с белком. Важнейшую группу структурных полисахаридов составляют гликозаминогликаны, или кислые мукополисахариды. Чаще всего они присоединяются к белкам, образуя протеогликаны – соединения, в которых на долю полисахарида приходится основная часть молекулы – обычно более 95%. В противоположность в гликопротеинах большую часть молекулы составляет белковая часть. В протеогликанах каждый полисахарид состоит из повторяющихся дисахаридных единиц, в которых всегда присутствуют глюкозамин или галактозамин. Каждый дисахаридный компонент протеогликановых полисахаридов (за исключением кератансульфата) содержит также уроновые кислоты – L-глюкуроновую кислоту (GlcUA) или L-идуроновую кислоту (IdUA). За исключением полисахарида гиалуроновой кислоты, все полисахариды протеогликанов содержат сульфатные группы в виде или О-эфиров, или N-сульфатов (в гепарине или гепаринсульфате).

В протеогликанах обнаружено три типа связей между протеогликановыми полисахаридами и их полипептидной цепью:

1. O-гликозидная связь между Хуl и Ser, характерная только для протеогликанов;

2. O-гликозидная связь между GalNAc и Ser (Thr), присутствующая в кератансульфате II;

3. N-гликозидная связь между GlcNAc и амидным азотом Asn.

В настоящее время известно 7 основных типов гликозаминогликанов, соединяющихся с белками в составе протеогликанов. Шесть из них обладают родственной структурой и содержат остатки уроновых кислот и гексозаминов, которые перемежаются в повторяющихся дисахаридных звеньях; исключение составляет кератансульфат, лишенный уроновой кислоты. Все гликозаминогликаны, кроме гиалуроновой кислоты, содержат сульфированные сахара и ковалентно присоединены к белкам. Указанные 7 типов полисахаридов могут различаться по составу входящих в них моно-меров, типу гликозидных связей, а также по количеству и локализации сульфатных заместителей.

Все гликозаминогликаны являются полианионами благодаря присутствию в их структурах кислых сульфатных групп или карбоксильных групп уроновых кислот. С этой особенностью гликозаминогликанов связаны многие их функциональные свойства.

Гиалуроновая кислота

Гиалуроновая кислота представляет собой неразветвленную цепь из повторяющихся дисахаридных компонентов, содержащих GlcUA и GlcNAc.

Убедительные доказательства связи гиалуроновой кислоты с молекулой белка (которые имеются для других полисахаридов соединительной ткани) отсутствуют, но, вероятно, эта кислота подобно другим гликозаминогликанам, синтезируется в составе протеогликанов. Гиалуроновая кислота присутствует у бактерий и широко распространена в различных тканях животных, включая синовиальную жидкость, стекловидное тело глаза и рыхлую соединительную ткань.

Хондроитинсульфаты

Хондроитинсульфаты – это протеогликаны, являющиеся важнейшим компонентом хрящей. Полисахарид связывается с белком О-гликозидной связью Xyl–Ser.

Повторяющийся дисахаридный компонент очень сходен с таковым в гиалуроновой кислоте, за тем исключением того, что гексозамин представлен GalNAc, а не GlcNAc. Однако и в хондроитинсульфатах, и в гиалуроновой кислоте уроновая кислота представлена GlcUA, а положения связей и аномерные конфигурации у них одни и те же. GalNAc хондроитинсульфатов содержит сульфатный заместитель в положении 4 или 6. Как правило, оба заместителя присутствуют в одной и той же молекуле, но у разных моносахаридных остатков. На дисахаридную единицу приходится в среднем примерно один сульфатный заместитель. Каждая полисахаридная цепь содержит около 40 повторяющихся дисахаридных компонентов и имеет молекулярную массу, близкую к 20.000.

В результате связывания множества таких цепей с одной белковой молекулой образуются высокомолекулярные протеогликаны. Молекулярная масса хондроитинсульфата носового хряща составляет около 2,5×10⁶.

Рисунок 8.8 – Протеогликановый агрегат. а – электронная микрофотография протеогликанового агрегата, б – структура протеогликанового агрегата

Хондроитинсульфаты прочно связываются с гиалуроновой кислотой при помощи двух связывающих белков, образуя в соединительной ткани крупные агрегаты. Эти агрегаты можно наблюдать в электронном микроскопе, ниже на Рис. 8.8 приведена электронная микрофотография протеогликанового агрегата и ее ее схематическое изображение.

Связывающие белки обладают сильной гидрофобностью и взаимодействуют и с гиалуроновой кислотой, и с протеогликаном.

Хондроитинсульфаты содержат 6 типов межсахаридных связей, и их синтез, поэтому протекает с участием 6 различных гликозилтрансфераз – по одному ферменту для каждого типа связей. Кроме того, имеются 2 вида сульфатных эфиров с сульфатными группами в 4- или 6-ом положениях. Процессы этерификации осуществляются двумя сульфотрансферазами, сульфат-содержащим субстратом которых служит 3¢-фосфоаденозин-5¢-фосфосульфат (ФАФС).