结构生物化学/碳水化合物/凝集素
凝集素是识别并结合细胞表面特定碳水化合物的蛋白质。它们在细胞之间的相互作用和通讯中发挥作用，通常用于识别。一个细胞表面的碳水化合物与另一个细胞表面的凝集素结合位点结合。结合是由许多弱相互作用产生的，这些相互作用共同形成强大的吸引力。凝集素通常含有两个或多个碳水化合物单元结合位点。此外，特定凝集素的碳水化合物结合特异性由结合碳水化合物的氨基酸残基决定。凝集素是特异性碳水化合物结合蛋白：- 碳水化合物的巨大多样性具有生物学意义：不同的单糖可以通过任何几个-OH基团连接在一起。广泛的分支是可能的。从4个糖形成的不同寡糖比从4个氨基酸形成的寡肽更多 - 凝集素促进细胞间的相互作用：凝集素是促进细胞接触的凝集素和碳水化合物通过许多弱非共价相互作用连接在一起 C型（需要钙）：蛋白质上的钙离子通过与糖-OH基团的直接相互作用充当蛋白质和糖之间的桥梁 特定凝集素的碳水化合物结合特异性由结合碳水化合物的氨基酸残基决定。- 流感病毒结合唾液酸残基：流感病毒识别与细胞表面糖蛋白上的半乳糖残基连接的唾液酸残基。这些碳水化合物与血凝素结合，血凝素是一种病毒蛋白（病毒被细胞吞噬并开始复制）。神经氨酸酶是切割血凝素唾液酸残基的糖苷键的酶，释放病毒感染新细胞并传播感染。
凝集素能够与许多不同类型的碳水化合物结合。由于这种能力，凝集素结合碳水化合物的方式、结合所需的材料以及键的强度都各不相同。下面讨论了一些不同的结合形式。
-单糖和二糖具有凝集素结合的浅沟，使键的亲和力很低。由于凝集素在与这些碳水化合物结合时面临的困难，因此需要亚位点多价性（即沟的空间延伸）来实现结合。这种延伸使得碳水化合物上的接触位点嵌入到更复杂的接触区域中。这种类型的结合对小凝集素最有效，凝集素 hevein 就是一个例子，它只有 43 个氨基酸长。快速的结合动力学也促进了凝集素与碳水化合物的结合。一个例子是唾液酸 Lewisx（四糖）与 P-选择素的结合。快速的结合动力学允许碳水化合物的低能构象与凝集素的预先排列的结合位点之间达到空间互补性。
-碳水化合物中结合位点的形状在它与凝集素的结合中起着作用。一个例子是半乳糖凝集素-1 与神经节苷脂 GM1（五糖）的结合。核磁共振和其他分子建模技术被用来分析这两个分子之间的键。发现的图像表明碳水化合物的两个分支与凝集素结合。α2, 3-唾液酸半乳糖连接能够采用三种不同的低能构象体。其中一个构象体在能量上有利于半乳糖凝集素-与神经节苷脂 GM1 的结合。这个过程证明凝集素在决定如何与碳水化合物结合时更喜欢特定的构象（形状）。这一证据表明寡糖具有有限的灵活性。这种有限的灵活性使寡糖成为非常有利的配体，因为它们避免了熵惩罚。
-已发现核心取代发生在 N-聚糖中。这些取代是在碳水化合物在组装过程中被添加到特定的位置。这些取代已被发现显着影响聚糖的性质。聚糖的性质受到如此大的影响，以至于它们甚至不需要在凝集素存在下就能被注意到。这些取代导致碳水化合物某些部分发生变化，充当控制聚糖形状的分子开关。
-分支也引入了分子开关。这种特性在糖苷簇效应中最明显。提高分子数量价会增加亲和力。分支的类型似乎对这种亲和力增加有显着影响。
碳水化合物由于其各种可能的组成和结构而包含丰富的信息。这些多样的化合物是由于许多可用于连接的 OH 基团产生的，这些基团进一步允许广泛的分支。此外，连接到异头碳上的取代基可以假设 α 或 β 构型。这些各种碳水化合物在细胞表面的存在使得有效的细胞间通讯成为可能。
凝集素被认为在自然界中非常普遍。它们可以结合可溶性碳水化合物或作为糖蛋白或糖脂一部分的碳水化合物官能团。凝集素通常与某些动物细胞的这些碳水化合物结合，有时会导致糖缀合物沉淀。
在动物中，凝集素调节细胞对糖蛋白合成的粘附，控制血液中的蛋白质水平，并结合可溶性的细胞外和细胞内糖蛋白。此外，在免疫系统中，凝集素识别特定于病原体的碳水化合物，或者识别不出宿主细胞的碳水化合物。从临床角度来看，纯化的凝集素可用于识别个体红细胞上的糖脂和糖蛋白以进行血型分析。
C型凝集素是那些需要钙离子的凝集素。钙离子通过与碳水化合物上的 OH 基团相互作用来帮助结合蛋白质和碳水化合物。钙还可以形成碳水化合物与凝集素中谷氨酸之间的连接。通过凝集素侧链与碳水化合物的 OH 基团之间形成的氢键进一步增强了结合。碳水化合物识别和结合是通过一个由 120 个氨基酸组成的同源域实现的。这些氨基酸决定了碳水化合物结合的特异性。
C型凝集素具有广泛的功能，如细胞间粘附、对异物的免疫反应和自我细胞破坏。C型凝集素被归类为不同的亚组，这些亚组特定于不同的蛋白质功能域。这些凝集素依赖于钙离子，并在它们的碳水化合物识别域中共享线性结构同源性。在真核生物和动物界中，这种广泛的蛋白质家族包括内吞受体、收集素和选择素，是含量最丰富的。该家族成员之间的差异在于识别具有高极性和亲和力的不同类型的碳水化合物复合物。C型凝集素参与免疫防御机制，帮助保护机体免受肿瘤细胞的侵害。
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P型凝集素含有磷酸基团。CD-MPR 和 CI-MPR 是 P-凝集素家族的两个成员，一个是阳离子依赖性的，一个是阳离子非依赖性的。P型凝集素在真核细胞中的主要功能包括将新合成的可溶性酸性水解酶递送至溶酶体。它们通过与水解酶的 N-连接寡糖上的甘露糖-6-磷酸残基结合来实现这一点。
当对 II 型粘多糖沉积症（一种溶酶体贮积症）进行研究时，发现了 MPR（甘露糖-6-磷酸受体）。Hickman 和 Neufeld 发现来自 II 型 ML 患者的成纤维细胞能够吸收正常细胞分泌的溶酶体酶，而来自正常患者的成纤维细胞则不能吸收溶酶体酶。Hickman 和 Neufeld 假设溶酶体酶具有识别标签，这些标签允许通过受体介导的摄取和转运至溶酶体。这些标签后来被称为 MPR。
CI-MPR 的分子量约为 300 kDA，以二聚体形式存在。CI-MPR 的整体折叠与 CD-MPR 相似，但与 CD-MPR 不同的是，CI-MPR 是阳离子无关的。此外，CI-MPR 与带有 MPR 标签的蛋白质、IFG-II（一种肽激素）和其他非溶酶体水解酶结合。CI-MPR 的 N 端三个结构域以单体形式存在，并形成一个三叶盘状结构，它们之间有显著的接触。三叶盘状结构的这种特性对于维持其糖结合位点的结构至关重要。磷酸化聚糖微阵列显示，CI-MPR 在结合具有一个或两个磷酸单酯的聚糖方面几乎没有差异。这与 CD-MPR 不同，CD-MPR 已被证明对具有两个磷酸单酯的聚糖具有亲和力。此外，CI-MPR 在细胞表面与配体结合，而 CD-MPR 则不。总体而言，CI-MPR 的所有配体结合位点都位于奇数编号的结构域上。CD-MPR 和 CI-MPR 结构域 3 中的四个特征性残基是保守的，并且已被发现以相同的方式与 Man-6-P 反应，这表明 Man-6-P 结合口袋是相似的。已发现的一个区别是 CD-MPR 的口袋中含有 Mn 2+，而 CI-MPR 的结合口袋中没有。这可能是 CI-MPR 阳离子无关的原因。
CD-MPR 是一种 46 kDA 阳离子依赖性同二聚体。CD-MPR 胞外区域六个半胱氨酸残基形成的三个二硫键是同二聚体折叠的关键。由于与其他结构域相比，心房外区域的 15 个连续结构域的大小和氨基酸序列相似，因此可以理解 CD-MPR 和 CI-MPR 具有相似的三级结构。事实上，CD-MPR 结构域 1、2、3、11、12、13 和 14 与 CI-MPR 在心房外区域具有相同的折叠。CD-MPR 单体的整体折叠由一个扁平的 β 桶组成，该桶包含两个反平行 β 片，一个有四个链，另一个有五个链。CD-MPR 二聚体包含两个五链反平行 β 片。通过对 CD-MPR 的诱变研究发现，E133、Y143、Q66 和 R111 是 Man-6-P 结合的关键。CD-MPR 的结合和解离机制类似于血红蛋白的氧合-脱氧转变。总体运动被描述为二聚体界面两个亚基之间的“剪切和扭曲”运动。这两个亚基通过盐桥连接。这种盐桥的缺失会导致与溶酶体酶的结合更弱，这表明两个亚基之间离子相互作用在结合中的重要性。
选择素
[edit | edit source]**选择素** 是一种 C 型凝集素，在 **免疫系统** 中起作用。选择素包含 L、E 和 P 型，它们与淋巴结血管、内皮和活化的血小板上的碳水化合物结合。它们的行为类似于 C 型凝集素，因为它们都对钙结合具有高亲和力，并且负责免疫反应。选择素是糖结合聚合物，在其他细胞之间具有粘附性，这使其在针对局部区域的炎症反应中非常有效。选择素只靶向特定类型的结合位点，但这允许它与白细胞级联结合使用，以最大限度地减少对感染区域的侵入性靶向。
凝集素的例子
[edit | edit source]胚胎通过 L-选择素附着在子宫内膜上。这激活了一个信号，允许植入。
大肠杆菌能够通过识别肠道中碳水化合物的凝集素驻留在胃肠道中。
流感病毒含有血凝素，它识别宿主细胞表面糖蛋白上的唾液酸残基。这使病毒能够附着并进入宿主细胞。
参考文献
[edit | edit source]Gabius, Hans-Joachim, Sabine Andre, Jesus Jimenez-Barbero, Antonio Romero, and Dolores Solis. "From Lectin Structure to Functional Glycomics: Principles of the Sugar Code." Trends in Biochemical Sciences 36.6 (2011): 298-313. Print.