ГЛИКОЗИДНАЯ СВЯЗЬ: ХАРАКТЕРИСТИКА, ВИДЫ И НОМЕНКЛАТУРА - БИОЛОГИЯ - 2025

В гликозидные связи являются ковалентными связями , которые возникают между сахаров (углеводов) и другими молекулами , которые могут быть другие моносахариды или другие молекулы с различной природы. Эти связи делают возможным существование множества фундаментальных компонентов жизни, не только в формировании резервных топлив и структурных элементов, но также и в молекулах, несущих информацию, необходимых для клеточной коммуникации.

Образование полисахаридов зависит прежде всего от установления гликозидных связей между свободным спиртом или гидроксильными группами отдельных моносахаридных единиц.

Пример гликозидного связывания в гликогене (Источник: Glykogen.svg-NEUROtikerderivative-work-Marek-M-Public-domain через Wikimedia Commons)

Однако некоторые сложные полисахариды содержат модифицированные сахара, которые присоединены к небольшим молекулам или группам, таким как амино, сульфат и ацетил, посредством глюкозидных связей, и которые не обязательно связаны с высвобождением молекулы воды в результате реакции конденсации. Эти модификации очень распространены для гликанов, присутствующих во внеклеточном матриксе или гликокаликсе.

Гликозидные связи происходят во множестве клеточных контекстов, включая связывание полярной головной группы некоторых сфинголипидов, основных компонентов клеточных мембран многих организмов и образование гликопротеинов и протеогликанов.

Важные полисахариды, такие как целлюлоза, хитин, агар, гликоген и крахмал, были бы невозможны без гликозидных связей. Точно так же гликозилирование белков, которое происходит в эндоплазматическом ретикулуме и в комплексе Гольджи, чрезвычайно важно для активности многих белков.

Многочисленные олиго- и полисахариды действуют как резервуары глюкозы, как структурные компоненты или как адгезивы для прикрепления клеток в тканях.

Отношения между гликозидными связями в олигосахаридах аналогичны отношениям пептидных связей в полипептидах и фосфодиэфирным связям в полинуклеотидах, с той разницей, что существует большее разнообразие гликозидных связей.

характеристики

Гликозидные связи намного более разнообразны, чем их аналоги в белках и нуклеиновых кислотах, поскольку в принципе любые две молекулы сахара могут соединяться друг с другом разными способами, поскольку они имеют несколько групп -ОН, которые могут участвовать в образовании. ссылки.

Кроме того, изомеры моносахаридов, то есть одна из двух ориентаций, которые гидроксильная группа может иметь в циклической структуре относительно аномерного углерода, обеспечивают дополнительный уровень разнообразия.

Изомеры имеют разную трехмерную структуру, а также разную биологическую активность. Целлюлоза и гликоген состоят из повторяющихся единиц D-глюкозы, но различаются типом гликозидной связи (α1-4 для гликогена и β1-4 для целлюлозы) и, следовательно, имеют разные свойства и функции.

Подобно тому, как полипептиды имеют полярность с N- и C-концом, а полинуклеотиды имеют 5'- и 3'-концы, олиго- или полисахариды имеют полярность, определяемую восстанавливающими и невосстанавливающими концами.

Восстанавливающий конец имеет свободный аномерный центр, который не образует гликозидной связи с другой молекулой, таким образом сохраняя химическую реакционную способность альдегида.

Гликозидная связь является наиболее гибкой областью олиго- или полисахаридного фрагмента, поскольку структурная седловая конформация отдельных моносахаридов относительно жесткая.

Формирование гликозидной связи

Гликозидная связь может соединять две молекулы моносахарида через аномерный углерод одной и гидроксильную группу другой. То есть полуацетальная группа одного сахара реагирует со спиртовой группой другого с образованием ацеталя.

Обычно образование этих связей происходит в результате реакций конденсации, когда молекула воды высвобождается с каждой образующейся связью.

Однако в некоторых реакциях кислород покидает молекулу сахара не в виде воды, а как часть дифосфатной группы нуклеотида уридиндифосфата.

Реакции, приводящие к образованию гликозидных связей, катализируются классом ферментов, известных как гликозилтрансферазы. Они образуются между сахаром, ковалентно модифицированным путем добавления фосфатной группы или нуклеотида (например, глюкозо-6-фосфата, UDP-галактозы), который связывается с растущей полимерной цепью.

Гидролиз гликозидной связи

Гликозидные связи легко гидролизуются в слабокислой среде, но они довольно устойчивы к щелочной среде.

Ферментативный гидролиз гликозидных связей опосредуется ферментами, известными как гликозидазы. Многие млекопитающие не имеют этих ферментов для разложения целлюлозы, поэтому они не могут извлекать энергию из этого полисахарида, несмотря на то, что он является важным источником клетчатки.

Например, у жвачных животных, таких как коровы, есть бактерии, связанные с их кишечником, которые вырабатывают ферменты, способные разлагать целлюлозу, которую они глотают, что позволяет им использовать энергию, сохраняемую в тканях растений.

Фермент лизоцим, продуцируемый слезами глаз и некоторыми бактериальными вирусами, способен уничтожать бактерии благодаря своей гидролитической активности, которая разрывает гликозидную связь между N-ацетилглюкозамином и N-ацетилмурамовой кислотой в клеточной стенке бактерий. ,

разнообразие

Олигосахариды, полисахариды или гликаны представляют собой очень разные молекулы, и это связано с множеством способов, которыми моносахариды могут соединяться друг с другом с образованием структур более высокого порядка.

Это разнообразие основано на том факте, как упоминалось выше, что сахара имеют гидроксильные группы, которые допускают различные области связывания, и что связи могут возникать между двумя возможными стереоизомерами по отношению к аномерному углероду сахара (α или β).

Гликозидные связи могут образовываться между сахаром и любым гидроксисоединением, таким как спирты или аминокислоты.

Кроме того, моносахарид может образовывать две гликозидные связи, поэтому он может служить точкой разветвления, внося потенциальную сложность в структуру гликанов или полисахаридов в клетках.

Типы

Что касается типов гликозидных связей, можно выделить две категории: гликозидные связи между моносахаридами, составляющими олиго- и полисахариды, и гликозидные связи, которые встречаются в гликопротеинах или гликолипидах, которые представляют собой белки или липиды с частями углеводов. ,

О-глюкозидные связи

О-гликозидные связи возникают между моносахаридами, образуются в результате реакции между гидроксильной группой одной молекулы сахара и аномерным углеродом другой.

Дисахариды являются одними из самых распространенных олигосахаридов. Полисахариды имеют более 20 моносахаридных звеньев, связанных вместе линейным образом, а иногда имеют несколько ответвлений.

Пример O-гликозидной связи (Источник: Tpirojsi через Wikimedia Commons)

В дисахаридах, таких как мальтоза, лактоза и сахароза, наиболее распространенной гликозидной связью является O-глюкозидный тип. Эти связи могут возникать между атомами углерода и -ОН изомерных форм α или β.

Образование гликозидных связей в олиго- и полисахаридах будет зависеть от стереохимической природы присоединенных сахаров, а также от количества их атомов углерода. Как правило, для сахаров с 6 атомами углерода линейные связи возникают между атомами углерода 1 и 4 или 1 и 6.

Существует два основных типа O-гликозидов, которые, в зависимости от номенклатуры, определяются как α и β или 1,2-цис- и 1,2-транс-гликозиды.

1,2-цис-гликозилированные остатки, α-гликозиды для D-глюкозы, D-галактозы, L-фукозы, D-ксилозы или β-гликозиды для D-маннозы, L-арабинозы; а также 1,2-транс (β-гликозиды для D-глюкозы, D-галактозы и α-гликозиды для D-маннозы и т. д.) имеют большое значение для многих природных компонентов.

О-гликозилирование

Одной из наиболее распространенных посттрансляционных модификаций является гликозилирование, которое заключается в добавлении углеводной части к растущему пептиду или белку. Муцины, секреторные белки, могут содержать большое количество олигосахаридных цепей, связанных О-глюкозидными связями.

Процесс O-гликозилирования происходит в комплексе Гольджи эукариот и состоит из связывания белков с углеводной частью через гликозидную связь между группой -OH аминокислотного остатка серина или треонина и аномерного углерода. сахара.

Также наблюдается образование этих связей между углеводами и остатками гидроксипролина и гидроксилизина, а также с фенольной группой остатков тирозина.

N-гликозидные связи

N-гликозидные связи являются наиболее распространенными среди гликозилированных белков. N-гликозилирование происходит в основном в эндоплазматическом ретикулуме эукариот с последующими модификациями, которые могут происходить в комплексе Гольджи.

Пример N-гликозидной связи (Источник: Tpirojsi, через Wikimedia Commons)

N-гликозилирование зависит от наличия консенсусной последовательности Asn-Xxx-Ser / Thr. Гликозидная связь возникает между амидным азотом боковой цепи остатков аспарагина и аномерным углеродом сахара, который связывается с пептидной цепью.

Формирование этих связей во время гликозилирования зависит от фермента, известного как олигосакарилтрансфераза, который переносит олигосахариды с фосфата долихола на амидный азот остатков аспарагина.

Другие типы гликозидных связей

S-глюкозидные связи

Они также встречаются между белками и углеводами, они наблюдались между пептидами с N-концевыми цистеинами и олигосахаридами. Первоначально пептиды с такими связями были выделены из белков мочи человека и эритроцитов, связанных с олигосахаридами глюкозы.

С-глюкозидные связи

Они впервые наблюдались как посттрансляционная модификация (гликозилирование) остатка триптофана в РНКазе 2, присутствующей в моче человека, и в РНКазе 2 эритроцитов. Манноза присоединяется к атому углерода в положении 2 индольного ядра аминокислоты через C-глюкозидную связь.

Номенклатура

Термин гликозид используется для описания любого сахара, аномерная группа которого заменена группой -OR (O-гликозиды), -SR (тиогликозиды), -SeR (селеногликозиды), -NR (N-гликозиды или глюкозамины) или даже -CR (C-гликозиды).

Их можно назвать тремя разными способами:

(1) заменяют концевой «-о» в названии соответствующей циклической формы моносахарида на «-идо» и перед записью в качестве другого слова название заместительной R-группы.

(2) использование термина «гликозилокси» в качестве префикса к названию моносахарида.

(3) использование термина O-гликозил, N-гликозил, S-гликозил или C-гликозил в качестве префикса для названия гидроксисоединения.

Ссылки

1. Бертоцци, CR, и Rabuka, D. (2009). Структурная основа разнообразия гликанов. В А. Варки, Р. Каммингс и Дж. Эско (ред.), Основы гликобиологии (2-е изд.). Нью-Йорк: Лаборатория Прессы Колд-Спринг-Харбор. Получено с www.ncbi.nlm.nih.gov
2. Бирманн, К. (1988). Гидролиз и другие расщепления гликозидных связей в полисахаридах. Успехи в химии и биохимии углеводов, 46, 251–261.
3. Демченко, А.В. (2008). Справочник по химическому гликозилированию: достижения в области стереоселективности и терапевтическая значимость. Wiley-VCH.
4. Лодиш, Х., Берк, А., Кайзер, Калифорния, Кригер, М., Бретчер, А., Плоег, Х., … Мартин, К. (2003). Молекулярная клеточная биология (5-е изд.). Фриман, WH & Company.
5. Нельсон, Д. Л., и Кокс, М. М. (2009). Принципы биохимии Ленингера. Omega Editions (5-е изд.).
6. Номенклатура углеводов (Рекомендации 1996 г.). (тысяча девятьсот девяносто шесть). Получено с www.qmul.ac.uk
7. Содерберг, Т. (2010). Органическая химия с акцентом на биологию, Том I. Химический факультет (Том 1). Миннесота: Цифровой колодец Морриса Университета Миннесоты. Получено с www.digitalcommons.morris.umn.edu
8. Тейлор, CM (1998). Гликопептиды и гликопротеины: фокус на гликозидную связь. Тетраэдр, 54, 11317-11362.