蛋白質與糖類和脂類的相互作用一、蛋白質與糖類的相互作用主要內容：糖蛋白的研究概況糖蛋白的種類和分布糖蛋白的結構蛋白聚糖的結構糖蛋白和蛋白聚糖的生物功能1.1

糖蛋白的研究概況1890年,Hofmeister等首先將糖蛋白-卵白蛋白結晶；1895年,Hammersten等在教科書中提出糖蛋白的概念;20世紀30~40年代研究并明確糖蛋白中糖基結構、成分及部分生物學功能；20世紀50年代初Leloir等人闡明了糖蛋白中糖基的生物合成；20世紀60年代認識了糖蛋白中兩種糖苷鍵的類型；20世紀70年代后進行了對糖蛋白細胞內合成及基因克隆與表達的研究，有些制備了單克隆抗體，進一步對其抗原決定簇進行了分析與測定，從而推動了對糖蛋白的深入研究。用于糖蛋白研究的技術A.氣-質聯用：糖基中單糖組成、順序；B.凝集素親和柱：分離出糖蛋白上糖鏈的某些特性天線,研究糖鏈與細胞生長發育和癌變的關系；C.放射性同位素標記：檢測極微量物質；D.HPLC：分離和結構測定、定性和定量分析；E.NMR：測定糖蛋白的空間結構及結構定性；F.單克隆抗體：糖鏈結構的測定1.2

糖蛋白的種類與分布概念：糖蛋白是一類由糖類與多肽或蛋白質以共價鍵連接而成的結合蛋白。總體分類：糖蛋白和蛋白聚糖根據糖蛋白的分布和功能相結合的分類：粘液糖蛋白(mucous

glycoproteins

）糖蛋白血清糖蛋白(serumglycoproteins

）結構糖蛋白(structural

glycoproteins）膜糖蛋白(membraneglycoprotein）分類舉例血液糖蛋白胎球蛋白、血纖維蛋白、免疫球蛋白、血型蛋白等尿糖蛋白尿液糖蛋白激素糖蛋白絨毛膜促性腺激素、促卵泡激素釋放因子、促甲狀腺激素酶糖蛋白核糖核酸酶、胃蛋白酶、血清膽堿酯酶卵白糖蛋白卵白蛋白、抗生物素蛋白、卵類粘蛋白結締組織糖蛋白膠原蛋白細胞膜糖蛋白血型糖蛋白胞外膜糖蛋白膜基質糖蛋白、水晶體膜糖蛋白黏液糖蛋白頜下腺糖蛋白、胃液糖蛋白凝集素干擾素補體常見糖蛋白的分類

(南京大學鄭集教授)人、動物器官或組織糖蛋白類型母雞卵白卵白蛋白母雞、母鴨、母鵝卵白卵類粘蛋白人、牛、羊、山羊乳腺κ-酪蛋白人肝臟胎球蛋白人、馬、豬、兔、鼠、豚鼠肝臟α1-酸性糖蛋白人、馬、狗、兔、鼠、牛血漿細胞免疫球蛋白人肝臟、血清鐵傳遞蛋白、銅藍蛋白、觸珠蛋白羊、狗、牛、豬、貓頜下腺OSM、BSM人管狀細胞膜外糖蛋白層Tamm和Horsfall糖蛋白人、豬唾液、血漿、淚、膽汁血型特異性糖蛋白人甲狀腺甲狀腺球蛋白人、豬、雞、魚間質外胚層膠原蛋白人呼吸道的杯狀細胞呼吸粘蛋白人垂體、胎盤促性腺激素人肝臟膽堿酯酶人、牛胰腺核糖核酸酶人和動物的分泌液、體液的糖蛋白1.3

糖蛋白的結構（一）常見糖苷鍵類型

糖鏈中糖基的種類和數量相差很大，常見的單糖種類已超過10種，糖鏈中糖基數量可由1~30。糖殘基間的連接鍵稱為糖苷鍵，已發現的有N-型糖苷鍵、O-型糖苷鍵、S-型糖苷鍵、C-型糖苷鍵等。最常見的是前兩種。-Glcβ-Glc糖蛋白中常見單糖及其衍生物的結構OCH2OHOHOHOHOHOCH2OHOHOHOHOHOCH2OHOHOHOHOHOOHOHOHOHOCH2OHOHOHNHOHCOCH3OCH2OHOHOHNHOHCOCH3OCH3OHOHOHOHOOHOHOHOHCOOHOOHOHOHOHCOOHNHOCOOHCOOHCH3C-OHC-OHCH2OH

GlcGalManXyl

GlcNAc

GalNAcSA

GlcUA

IduA

Fuc

1.3.1N-型糖苷鍵N-糖苷鍵：由GlcNAc

的-

異頭C與Asn

的-酰胺N原子共價連接形成的。N-糖苷鍵在血漿糖蛋白中常見，故N-糖鏈又名血漿蛋白型糖鏈。所有的N-糖鏈都含有一個共同的結構花式：核心五糖（三甘露糖基核心）。1.3.1N-型糖苷鍵根據此核心連接區連接其它單糖殘基的情況可分

A.單純型：核心區糖鏈上僅連接ManB.復合型：核心區糖鏈上除Man外，還連有GlcNAc,Gal,SA,Fuc等肽鏈特點：

N-型糖苷鍵連接的糖鏈常在的Asn-X-Ser順序的片段中出現。其中

X：極性，復合糖鏈；非極性，單純型糖鏈1.3.2O-型糖苷鍵

此種連接有以下類型：GalNAc-Ser(Thr)：除GalNAc外，Gal,GlcNAc,SA,Fuc等也可以與Ser/Thr連接.多見于紅細胞膜、IgA1和黏液蛋白中；Gal-Gal-Xyl-Ser:還可以連接糖醛酸等糖基；Glc-Gal-HOLys:主要存在于膠原中。Ara-HOPro:主要存在于植物和海藻類的糖蛋白中。（二）糖鏈種類和數量的差異同一個糖蛋白中可以有多種類型的糖苷鍵:N-型和/或O-型；同一個糖蛋白中可以只有單一型糖鏈、復合型糖鏈，也可有單一型和復合型兩種糖鏈；有的糖蛋白中只有一個糖鏈，如牛核糖核酸酶B；有的糖蛋白中有800個以上糖鏈，如羊頜下腺糖蛋白。常見糖蛋白中所含糖基數和糖基的平均間距

糖蛋白分子中糖鏈數糖基間距核糖核酸酶B1124脫氧核糖核酸酶1270卵白蛋白1507人免疫球蛋白2776鼠皮膚膠原蛋白4770人血型糖蛋白168牛甲狀腺球蛋白19296豬頜下腺糖蛋白4968綿羊頜下腺糖蛋白8006人鐵傳遞蛋白2375人結合珠蛋白13113（三）糖鏈的生物學功能在糖蛋白新生肽鏈折疊和締合中的作用N-糖鏈參與新生肽鏈的折疊，維持蛋白質的正確構象；寡聚蛋白質中的糖鏈能影響亞基的締合。糖鏈影響糖蛋白的分泌和穩定性糖鏈參與分子識別1.4

蛋白聚糖的結構概念：一類特殊的糖蛋白，由一條或多條糖胺聚糖和一個核心蛋白共價連接而成。蛋白聚糖糖鏈的種類：透明質酸、4-硫酸軟骨素、6-硫酸軟骨素、硫酸角質素、硫酸皮膚素、硫酸類肝素、肝素等。蛋白聚糖糖鏈的結構特點：分子巨大，分子不分支，分子結構中有重復的二糖單位：[己糖醛酸-己糖胺]n，n=30~250。區別蛋白聚糖糖蛋白糖含量一般多于蛋白一般少于蛋白糖組成糖醛酸和乙酰氨基己糖無糖醛酸，常含Man,Gal,GlcNAc,GalNAc,SA,Fuc糖苷鍵O-型糖苷鍵O或N-型糖苷鍵糖基排列二糖單位連成直鏈多為分支，重復結構少分布細胞外，結締組織分布廣泛，細胞內外都有生理功能維持結締組織功能功能廣泛糖蛋白和蛋白聚糖的主要區別透明質酸

（Hyaluronicacid,HA）高等動物組織中發現(細菌中也有存在)，主要存在于結締組織如眼球玻璃體、雞冠、臍帶、軟骨等組織。主要功能是在組織中吸著水，有潤滑劑作用，對組織起保護作用。糖胺聚糖中結構最簡單的一種，

D-GlcUA與D-GlcNAc以-1,3相連構成重復的二糖單位，二糖單位以-1,4連接，分子鏈狀、無分支，分子量很大，可達1000萬以上，分子中不含硫酸取代基，生理pH下為多聚陰離子。硫酸軟骨素

（Chondroitinsulfate,CS）軟骨的主要成分，廣泛存在于結締組織、筋腱、皮膚等。分子量一般低于10萬（約250個重復二糖），個別可超過30萬.有4-硫酸軟骨素（硫酸軟骨素A）和6-硫酸軟骨素（硫酸軟骨素C）兩種，二糖單位為D-GlcUA與GalNAc以-1,3相連，二糖單位以-1,4連接。糖鏈生成后由專一性酶在4位或6位進行硫酸化。

→

4GlcUA1→3GalNAc

1→肝素

（Heparin,Hp）最早由肝臟和心臟中分離到，以肝臟中豐富，廣泛存在于哺乳動物組織和體液中，豬腸黏膜是較好的材料來源。結構復雜，常被用作抗凝劑，防止血栓形成，輸血時添加肝素作抗凝劑。其二糖單位為GlcUA或L-IdoUA與GlcN以α1,4鍵相連,二糖單位間也以α1,4鍵相連.有些部位發生-OSO3-硫酸角質素

（Keratansulfate,KS）重復二糖單位為:

→

3Gal1→4Glc

NAc

1→

(唯一不含糖醛酸).糖胺聚糖的生物學功能

A.具有很強的親水性，對保持疏松結締組織中的水分有重要意義。B.糖胺聚糖為多價陰離子，對K+、Na+、Ca2+

、Mg2+

等有較大親和性，故能調節這些離子在組織中的分布。

C.糖胺聚糖的粘滯性很大，對關節具潤滑和保護作用。

D.促進傷口愈合作用。胞外基質蛋白多糖聚合體1.5糖蛋白和蛋白聚糖的生物學功能分布：二者分布于人與動物體內，幾乎分布于各種器官、組織、細胞及體液中；功能：酶催化、激素控制、免疫防護與調節、離子傳遞、血液凝固、表面保護、結構支持、細胞粘附、細胞間反應及潤滑作用等。此外，免疫球蛋白、植物體內的糖蛋白如辣根過氧化物酶，在細胞免疫和體液免疫的應用研究中起較大作用。外源凝集素也稱植物血凝素,它是植物中與寡糖特異性非共價結合的非抗體的蛋白質或糖蛋白,可結合于糖鏈的不同部位，包括許多細胞的表面糖蛋白。常見的凝集素有：刀豆素A，植物血凝素，大豆凝集素，小扁豆凝集素，蓖麻籽凝集素，馬鈴薯外源凝集素，麥芽凝集素，美洲商陸有絲分裂原。某些外源凝集素能凝集細胞。在凝集紅細胞時，表現出血型的特異性。免疫球蛋白：在免疫球蛋白中常見的糖有11種：Gal,Glc,Man,Xyl,Ara,Fuc,GalNAc,GlcNAc,GlcUA,IduA,SA等。免疫球蛋白中，除IgA糖肽鍵為O-型糖苷鍵外，其余均為N-型糖苷鍵。免疫球蛋白中的糖鏈功能還不清楚，可能與蛋白穩定，分子識別相關。載體和運輸糖蛋白：鐵傳遞蛋白、銅藍蛋白、觸珠蛋白、運輸皮質激素蛋白、甲狀腺素結合球蛋白、運輸組織胺蛋白等。血液凝固因子糖蛋白：纖維蛋白原、凝血酶原、VII、IX、X因子等都是糖蛋白。有些糖殘基影響蛋白的作用，如纖維蛋白原中糖基SA去除，則形成的凝塊不夠穩定。糖蛋白激素：促性腺激素、促甲狀腺激素、促紅細胞生成素都為糖蛋白。黏液糖蛋白：具有潤滑、保護、對有關物質吸收等。如消化道糖蛋白、呼吸道糖蛋白、泌尿系統糖蛋白、卵子表面糖蛋白等。細胞膜糖蛋白：細胞膜表面有N-型、O-型糖蛋白，還有蛋白多糖。其功能有：維持細胞的壽命，如細胞膜表面唾液酸去除的紅細胞易為脾臟清除；血型區分；膜表面的糖蛋白會影響胞內微管和微絲的運動，從而影響細胞代謝與活動；B淋巴細胞表面有免疫球蛋白受體等；用于分子生物學工具：HRP、堿性磷酸酶（AP）、葡萄糖氧化酶（GO）等。蛋白聚糖的作用：潤滑、支持、保護等作用。二、蛋白質與脂類的相互作用主要內容：膜蛋白與膜脂的相互作用研究膜蛋白-膜脂相互作用的模型脂蛋白的結構與功能動脈硬化與脂蛋白的關系2.1膜蛋白與膜脂的相互作用膜的結構和功能影響水相中膜結構穩定的作用力可能來自與膜平面垂直的作用力:疏水/親水與膜平面平行的作用力:疏水/靜電力膜組分之間的相互作用疏水相互作用范德華力靜電引力2.1.1膜脂與膜脂的相互作用疏水相互作用是相成脂雙層的主要推動力2.1.2膜蛋白與膜脂的相互作用

外周蛋白可與膜脂的極性頭部或/和內嵌蛋白極性部分特殊位點結合。結合力為靜電引力、氫鍵和范德華力。

內嵌蛋白主要通過疏水相互作用與膜脂相結合,但結合方式各異.疏水相互作用蛋白質分子中氨基酸殘基的非極性側鏈與脂雙層的疏水的烴尾都與水分子疏遠。如短桿菌肽A疏水/親水相互作用某些跨膜的內嵌蛋白分子如血型糖蛋白A就表現出疏水/親水特性，它與細胞識別有關。界面脂即生物膜中內嵌蛋白分子周圍的一層或幾層緊密結合的膜脂分子,其流動性大大低于不與內嵌蛋白直接結合的流動脂區。界面脂是內嵌蛋白維持活性的必要條件。2.1.2膜蛋白與膜脂的相互作用界面脂對磷脂的數量和專一性有要求。界面脂分子在雙分子層兩側面的分布是對稱的。2.1.3膜蛋白結合對膜脂的作用柱狀蛋白質分子只對鄰近的膜脂發生影響,使蛋白疏水核附近脂鏈排列發生改變當蛋白質的疏水核為楔形,或只有部分滲入脂雙層中時,蛋白質分子使脂分子發生楔形變化2.1.3膜蛋白結合對膜脂的作用當蛋白質的疏水核為楔形且只有部分滲入脂雙層中時,蛋白質分子也可使脂雙層發生局部彎曲當蛋白質疏水部分長度與脂分子長度不相符時,則蛋白質的結合使脂雙層壓縮(蛋白質疏水部分較短)或膨脹(蛋白質疏水部分較長)2.1.3膜蛋白結合對膜脂的作用膜蛋白質與膜脂結合后，對膜脂的流動性有顯著性影響：蛋白質的嵌入，使膜的微粘度增加；使膜脂的相變溫度變寬。蛋白質與脂類的影響是相互的：當膜流動性降低時，內嵌蛋白暴露于水相部分就相應地增加；反之，內嵌蛋白將會有更多部分深入膜脂內部。2.2研究膜蛋白-膜脂相互作用的模型多采用分離提純膜蛋白,再與人工膜進行重組,形成較簡單的模型體系。常用的人工膜有3種：單分子磷脂層、雙分子磷脂層和脂質體（磷脂分子在水中形成的由脂雙分子層圍成的囊狀結構，應用最廣）。分離提純的膜蛋白重建于脂質體的常用方法有：去污劑透析法、冰凍融化法和保溫法。2.2研究膜蛋白-膜脂相互作用的模型對于可溶性蛋白如RNase、聚-L-Lys等，因結構致密牢固，依其異性電荷結合到膜脂質體上。離子強度↑→重建消除，對脂雙層相變溫度影響小。某些可溶性蛋白如白蛋白及周圍蛋白如收縮蛋白、cyt.c等，初始依電荷結合→蛋白變性，肽鏈伸展→疏水區暴露→與脂肪酸側鏈結合→雙分子層特性嚴重改變(雙分子層擴張、通透性改變等)。內嵌膜蛋白如髓磷脂蛋白質，依其疏水相互作用插入膜的疏水環境，且只與其周圍脂分子（界面脂）相互作用，從而改變脂質體的通透性。2.3血漿脂蛋白的結構與功能脂蛋白主要分為膜脂蛋白(生物膜結構與功能的參與者)和運輸脂蛋白(其中血漿脂蛋白研究最活躍,脂質運輸的載體)。血漿脂蛋白中的蛋白質部分稱為載脂蛋白(Apolipo-proteins,Apo)。血漿脂蛋白中Apo含量、脂質種類和含量與功能相關。2.3.1血漿脂蛋白的分類血漿脂蛋白:在人類血漿中脂類的含量和類型主要依據膳食習慣和個體的代謝狀況而定。根據密度不同,分為5種主要類型：乳糜微粒(Chyl)，極低密度脂蛋白（VLDL），低密度脂蛋白（LDL），高密度脂蛋白（HDL），極高密度脂蛋白（VHDL）。根據電泳也可分為：α-脂蛋白（HDL），β-脂蛋白（LDL），β-前脂蛋白（VLDL）、乳糜微粒。血漿脂蛋白的分類、組分和主要功能脂蛋白密度/(g·cm-3)顆粒直徑/nm脂質蛋白質功能CM<0.96100～50098%(主要為TG)2%運輸外源性的TG到體內

VLDL（前β-脂蛋白）0.95～1.00630～8091%(主要為TG)8～12%運輸內源性的TGLDL+IDL(β-脂蛋白)1.006～1.06318～2875%(主要為膽固醇和膽固醇酯)25%

運輸內源性膽固醇HDL(α-脂蛋白)1.063～1.215～1550%（主要為磷脂、膽固醇）50%吸收周圍細胞的膽固醇，對脂蛋白酯酶、卵磷脂一膽固醇酰基轉移酶有激活作用電泳法分類2.3.2血漿脂蛋白的化學性質（一）脂質脂質包括：磷脂（磷脂酰膽堿、鞘磷脂、磷脂酰絲氨酸、磷脂酰肌醇等）、膽固醇酯、游離膽固醇、甘油三酯等；中性脂質含量越高，脂蛋白顆粒密度越小；LDL是血漿中的主要脂蛋白，占總脂蛋白的50%；（富含膽固醇及其酯）隨著年齡增大，血漿脂蛋白中LDL和VLDL含量增加。（二）載脂蛋白人血清脂蛋白中的載脂蛋白載脂蛋白MW（kD）主要脂蛋白族C-端N-端備注ApoAI28.3HDLGlnAsp,Tyr純蛋白質,無糖ApoAII17.4HDLGlnPCA不含His/Arg/TrpApoAIII20HDLSerApoB273LDLGlu

理化特性了解不多ApoCI7VLDL,ChylSerThrApoCII9.5VLDL,ChylGluThrApoCIII8.7VLDL,ChylAlaSerApoD20HDLSer

類似ApoAIIIApoE39VLDLAlaLysApoF27HDLApoD27HDLSerLeuGRP0.49HDLGlyApoLP250-300HDL2.3.3血漿脂蛋白的結構脂蛋白的多種組分是如何怎樣結合在一起的？現在還沒有完全闡明。“脂質核心”模型

即脂蛋白是球形的或準球形的顆粒,它具有一個非極性核心(由甘油三酯和/或膽固醇酯構成的疏水核心)和外表面極性單層(磷脂、膽固醇和載脂蛋白構成）。血漿脂蛋白的密度和顆粒大小取決于非極性核心與極性表面的比例,以及各成分間的相對比例。2.3.3血漿脂蛋白的結構HDL結構模型（Jackson）載脂蛋白的-螺旋區平行于脂蛋白顆粒的表面，非極性氨基酸殘基伸展到顆粒的非極性核心區域，磷脂的脂肪鏈則垂直于脂蛋白顆粒表面載脂蛋白的-螺旋。-螺旋的疏水面與磷脂脂肪鏈C2~C4部分相互作用。膽固醇(酯)埋在HDL顆粒的親脂核心內(含有磷脂脂肪鏈和載脂蛋白的非螺旋親脂部分)，游離的膽固醇可能與顆粒表面的磷脂(極性頭)和載脂蛋白結合。2.3.3血漿脂蛋白的結構載脂蛋白磷脂膽固醇（酯）9.5-11nmHDL結構模型血漿脂蛋白的結構2.3.4血漿脂蛋白的結構單位和功能脂蛋白的結構單位

脂蛋白可分為兩種亞結構：結構亞單位:

負責保持脂蛋白結構的完整性，如ApoB是乳糜微粒、VLDL、LDL等脂蛋白的結構亞單位；功能亞單位:

與脂質的運輸、降解、有關酶的激活相關，如ApoC激活LPL；ApoAII

激活LCAT(卵磷脂:膽固醇酰基轉移酶)等。脂蛋白定位功能作用成分Chyl腸裝配、分泌ApoA、B,PL,CHL,CHL-E,TG淋巴運輸ApoC、E血漿運輸ApoC，CHL內皮細胞脂解TG，PL運輸FA，CHL，PL，ApoC、EVLDL肝臟裝配、分泌ApoB、C，CHL，PL，TG，CHL-E血漿運輸ApoC、E，CHL-E內皮細胞脂解TG，PL運輸FA，CHL，PL，ApoC、ELDL血漿生成來自VLDL和Chyl交換CHL，PLHDL外周組織、肝臟攝取、降解、調節CHL，CHL-E肝臟裝配、分泌ApoA、E，PL，CHL血漿生成來自Chyl酰基轉移PL，CHL運輸CHL-E，ApoC、E交換ApoC，CHL，PLVHDL肝臟、外周組織攝取，降解CHL，CHL-E血漿脂蛋白的功能和代謝2.3.5載脂蛋白的生理功能脂蛋白分布功能ApoAIHDL，ChylLCAT激活因子ApoAIIHDL，ChylLCAT抑制因子ApoAIVChyl可能參與Chyl代謝ApoBChyl，VLDL，LDL結構蛋白，與分泌Chyl和VLDL有關，激活LDL受體ApoCIChyl，VLDL，HDLLCAT激活因子ApoCIIChyl，VLDL，HDLLPL激活因子ApoCIIIChyl，VLDL，HDLLPL和肝臟攝取Chyl殘粒的抑制劑ApoDHDL參與脂蛋白之間CHL-E的轉移ApoEChyl，VLDL，HDL，LDL存在于III型高脂蛋白血癥患者或飼以高脂動物血漿內，激活LDL受體主要的人血漿載脂蛋白的分布與功能2.4動脈硬化與脂蛋白的關系動脈硬化的直接原因：血漿中Chyl和VLDL富含TG，而LDL攜帶60%~70%CHL，