結構生物化學/碳水化合物/凝集素
凝集素是識別並結合細胞表面特定碳水化合物的蛋白質。它們在細胞之間的相互作用和通訊中發揮作用，通常用於識別。一個細胞表面的碳水化合物與另一個細胞表面的凝集素結合位點結合。結合是由許多弱相互作用產生的，這些相互作用共同形成強大的吸引力。凝集素通常含有兩個或多個碳水化合物單元結合位點。此外，特定凝集素的碳水化合物結合特異性由結合碳水化合物的氨基酸殘基決定。凝集素是特異性碳水化合物結合蛋白：- 碳水化合物的巨大多樣性具有生物學意義：不同的單糖可以透過任何幾個-OH基團連線在一起。廣泛的分支是可能的。從4個糖形成的不同寡糖比從4個氨基酸形成的寡肽更多 - 凝集素促進細胞間的相互作用：凝集素是促進細胞接觸的凝集素和碳水化合物透過許多弱非共價相互作用連線在一起 C型（需要鈣）：蛋白質上的鈣離子透過與糖-OH基團的直接相互作用充當蛋白質和糖之間的橋樑 特定凝集素的碳水化合物結合特異性由結合碳水化合物的氨基酸殘基決定。- 流感病毒結合唾液酸殘基：流感病毒識別與細胞表面糖蛋白上的半乳糖殘基連線的唾液酸殘基。這些碳水化合物與血凝素結合，血凝素是一種病毒蛋白（病毒被細胞吞噬並開始複製）。神經氨酸酶是切割血凝素唾液酸殘基的糖苷鍵的酶，釋放病毒感染新細胞並傳播感染。
凝集素能夠與許多不同型別的碳水化合物結合。由於這種能力，凝集素結合碳水化合物的方式、結合所需的材料以及鍵的強度都各不相同。下面討論了一些不同的結合形式。
-單糖和二糖具有凝集素結合的淺溝，使鍵的親和力很低。由於凝集素在與這些碳水化合物結合時面臨的困難，因此需要亞位點多價性（即溝的空間延伸）來實現結合。這種延伸使得碳水化合物上的接觸位點嵌入到更復雜的接觸區域中。這種型別的結合對小凝集素最有效，凝集素 hevein 就是一個例子，它只有 43 個氨基酸長。快速的結合動力學也促進了凝集素與碳水化合物的結合。一個例子是唾液酸 Lewisx（四糖）與 P-選擇素的結合。快速的結合動力學允許碳水化合物的低能構象與凝集素的預先排列的結合位點之間達到空間互補性。
-碳水化合物中結合位點的形狀在它與凝集素的結合中起著作用。一個例子是半乳糖凝集素-1 與神經節苷脂 GM1（五糖）的結合。核磁共振和其他分子建模技術被用來分析這兩個分子之間的鍵。發現的影像表明碳水化合物的兩個分支與凝集素結合。α2, 3-唾液酸半乳糖連線能夠採用三種不同的低能構象體。其中一個構象體在能量上有利於半乳糖凝集素-與神經節苷脂 GM1 的結合。這個過程證明凝集素在決定如何與碳水化合物結合時更喜歡特定的構象（形狀）。這一證據表明寡糖具有有限的靈活性。這種有限的靈活性使寡糖成為非常有利的配體，因為它們避免了熵懲罰。
-已發現核心取代發生在 N-聚糖中。這些取代是在碳水化合物在組裝過程中被新增到特定的位置。這些取代已被發現顯著影響聚糖的性質。聚糖的性質受到如此大的影響，以至於它們甚至不需要在凝集素存在下就能被注意到。這些取代導致碳水化合物某些部分發生變化，充當控制聚糖形狀的分子開關。
-分支也引入了分子開關。這種特性在糖苷簇效應中最明顯。提高分子數量價會增加親和力。分支的型別似乎對這種親和力增加有顯著影響。
碳水化合物由於其各種可能的組成和結構而包含豐富的資訊。這些多樣的化合物是由於許多可用於連線的 OH 基團產生的，這些基團進一步允許廣泛的分支。此外，連線到異頭碳上的取代基可以假設 α 或 β 構型。這些各種碳水化合物在細胞表面的存在使得有效的細胞間通訊成為可能。
凝集素被認為在自然界中非常普遍。它們可以結合可溶性碳水化合物或作為糖蛋白或糖脂一部分的碳水化合物官能團。凝集素通常與某些動物細胞的這些碳水化合物結合，有時會導致糖綴合物沉澱。
在動物中，凝集素調節細胞對糖蛋白合成的粘附，控制血液中的蛋白質水平，並結合可溶性的細胞外和細胞內糖蛋白。此外，在免疫系統中，凝集素識別特定於病原體的碳水化合物，或者識別不出宿主細胞的碳水化合物。從臨床角度來看，純化的凝集素可用於識別個體紅細胞上的糖脂和糖蛋白以進行血型分析。
C型凝集素是那些需要鈣離子的凝集素。鈣離子透過與碳水化合物上的 OH 基團相互作用來幫助結合蛋白質和碳水化合物。鈣還可以形成碳水化合物與凝集素中谷氨酸之間的連線。透過凝集素側鏈與碳水化合物的 OH 基團之間形成的氫鍵進一步增強了結合。碳水化合物識別和結合是透過一個由 120 個氨基酸組成的同源域實現的。這些氨基酸決定了碳水化合物結合的特異性。
C型凝集素具有廣泛的功能，如細胞間粘附、對異物的免疫反應和自我細胞破壞。C型凝集素被歸類為不同的亞組，這些亞組特定於不同的蛋白質功能域。這些凝集素依賴於鈣離子，並在它們的碳水化合物識別域中共享線性結構同源性。在真核生物和動物界中，這種廣泛的蛋白質家族包括內吞受體、收集素和選擇素，是含量最豐富的。該家族成員之間的差異在於識別具有高極性和親和力的不同型別的碳水化合物複合物。C型凝集素參與免疫防禦機制，幫助保護機體免受腫瘤細胞的侵害。
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P型凝集素含有磷酸基團。CD-MPR 和 CI-MPR 是 P-凝集素家族的兩個成員，一個是陽離子依賴性的，一個是陽離子非依賴性的。P型凝集素在真核細胞中的主要功能包括將新合成的可溶性酸性水解酶遞送至溶酶體。它們透過與水解酶的 N-連線寡糖上的甘露糖-6-磷酸殘基結合來實現這一點。
當對 II 型粘多糖沉積症（一種溶酶體貯積症）進行研究時，發現了 MPR（甘露糖-6-磷酸受體）。Hickman 和 Neufeld 發現來自 II 型 ML 患者的成纖維細胞能夠吸收正常細胞分泌的溶酶體酶，而來自正常患者的成纖維細胞則不能吸收溶酶體酶。Hickman 和 Neufeld 假設溶酶體酶具有識別標籤，這些標籤允許透過受體介導的攝取和轉運至溶酶體。這些標籤後來被稱為 MPR。
CI-MPR 的分子量約為 300 kDA，以二聚體形式存在。CI-MPR 的整體摺疊與 CD-MPR 相似，但與 CD-MPR 不同的是，CI-MPR 是陽離子無關的。此外，CI-MPR 與帶有 MPR 標籤的蛋白質、IFG-II（一種肽激素）和其他非溶酶體水解酶結合。CI-MPR 的 N 端三個結構域以單體形式存在，並形成一個三葉盤狀結構，它們之間有顯著的接觸。三葉盤狀結構的這種特性對於維持其糖結合位點的結構至關重要。磷酸化聚糖微陣列顯示，CI-MPR 在結合具有一個或兩個磷酸單酯的聚糖方面幾乎沒有差異。這與 CD-MPR 不同，CD-MPR 已被證明對具有兩個磷酸單酯的聚糖具有親和力。此外，CI-MPR 在細胞表面與配體結合，而 CD-MPR 則不。總體而言，CI-MPR 的所有配體結合位點都位於奇數編號的結構域上。CD-MPR 和 CI-MPR 結構域 3 中的四個特徵性殘基是保守的，並且已被發現以相同的方式與 Man-6-P 反應，這表明 Man-6-P 結合口袋是相似的。已發現的一個區別是 CD-MPR 的口袋中含有 Mn 2+，而 CI-MPR 的結合口袋中沒有。這可能是 CI-MPR 陽離子無關的原因。
CD-MPR 是一種 46 kDA 陽離子依賴性同二聚體。CD-MPR 胞外區域六個半胱氨酸殘基形成的三個二硫鍵是同二聚體摺疊的關鍵。由於與其他結構域相比，心房外區域的 15 個連續結構域的大小和氨基酸序列相似，因此可以理解 CD-MPR 和 CI-MPR 具有相似的三級結構。事實上，CD-MPR 結構域 1、2、3、11、12、13 和 14 與 CI-MPR 在心房外區域具有相同的摺疊。CD-MPR 單體的整體摺疊由一個扁平的 β 桶組成，該桶包含兩個反平行 β 片，一個有四個鏈，另一個有五個鏈。CD-MPR 二聚體包含兩個五鏈反平行 β 片。透過對 CD-MPR 的誘變研究發現，E133、Y143、Q66 和 R111 是 Man-6-P 結合的關鍵。CD-MPR 的結合和解離機制類似於血紅蛋白的氧合-脫氧轉變。總體運動被描述為二聚體介面兩個亞基之間的“剪下和扭曲”運動。這兩個亞基透過鹽橋連線。這種鹽橋的缺失會導致與溶酶體酶的結合更弱，這表明兩個亞基之間離子相互作用在結合中的重要性。
選擇素
[edit | edit source]**選擇素** 是一種 C 型凝集素，在 **免疫系統** 中起作用。選擇素包含 L、E 和 P 型，它們與淋巴結血管、內皮和活化的血小板上的碳水化合物結合。它們的行為類似於 C 型凝集素，因為它們都對鈣結合具有高親和力，並且負責免疫反應。選擇素是糖結合聚合物，在其他細胞之間具有粘附性，這使其在針對區域性區域的炎症反應中非常有效。選擇素只靶向特定型別的結合位點，但這允許它與白細胞級聯結合使用，以最大限度地減少對感染區域的侵入性靶向。
凝集素的例子
[edit | edit source]胚胎透過 L-選擇素附著在子宮內膜上。這激活了一個訊號，允許植入。
大腸桿菌能夠透過識別腸道中碳水化合物的凝集素駐留在胃腸道中。
流感病毒含有血凝素，它識別宿主細胞表面糖蛋白上的唾液酸殘基。這使病毒能夠附著並進入宿主細胞。
參考文獻
[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.