10.5. A „cukorkód” és jelentősége

A cukrok biológiai szerepével foglalkozó glikobiológia (a biokémia egy ága) a reneszánszát éli, köszönhetően annak a felismerésnek, hogy a glikokonjugátumok monoszacharid egységei változatosságuk folytán biológiai információt hordozhatnak – ezt nevezik manapság „cukorkódnak”. Az információtartalom méretére egy példa: 20 féle monoszacharidból 6,4 × 107 hexamert (ez a glikoproteinek oligoszacharid-csoportjainak átlagos monomer száma) lehet alkotni.

Az oligoszacharid-csoportoknak szerepük lehet a fehérjék intracelluláris célbajuttatásában (targeting), a sejt-sejt kapcsolatok kialakításában, a sejt- és szöveti differenciálódásban és általában az extracelluláris jeltovábbító rendszerekben.

A cukorkód megfejtését az tette lehetővé, hogy az oligoszacharid-csoportokat „szekvenálni” lehet, azaz a glikoproteineken (glikolipideken) a cukoregységek sorrendjét, elágazásait meg lehet határozni. A szekvenálás alapja, hogy az olioszacharidokat speciális N- és O-glikozid specifikus glikoziláz enzimekkel le lehet hasítani a glikokonjugátumokról. A hidrolizátum komponensei szeparálás után tömegspektrometriával azonosíthatók. Az 10.14. ábra egy tömegspektrogramot mutat be (a 7 és 19 monomer közötti méretű oligoszacharidok tömegét és összetételét is feltüntettük). Egy organizmus teljes cukorkészletével, beleértve az glikroproteinek glikán-csoportjait is, a rendszerbiológia része, a glikomika foglalkozik.

10.14. ábra: Oligoszacharidok analízise tömegspektrometriával

10.14. ábra: Oligoszacharidok analízise tömegspektrometriával

A cukorkód szerepét a specifikus szénhidrátkötő fehérjéken, a lektineken keresztül mutatjuk be.

10.5.1. Specifikus szénhidrátkötő fehérjék: lektinek

Fontos tudatosítanunk, hogy a lektinek nem glikoproteinek, hanem a glikoproteineken a szénhidrát-kódot felismerő fehérjék (nevüket a latin legere, kiválasztani szóból kapták). Legfontosabb szerepük a sejt-sejt, valamint a sejt és az ECM közötti felismerés közvetítése, azon kívül jeltovábbítás különböző szabályozási útvonalakon. A fehérjékről „lelógó” oligoszacharid-csoportoknak határozott térszerkezete van, amit a lektinek kötőhelye „leolvas”, azaz specifikusan felismer. A felismerésben a már sokszor ismertetett másodlagos kötőerők játszanak szerepet. Egy-egy ilyen kölcsönhatás gyenge, de a lektinen egyrészt több glikán-kötőhely lehet, másrészt több lektin egyszerre közvetít például egy sejt-sejt kölcsönhatást, s érvényesül a „sok kicsi sokra megy” elv, a számos gyenge interakció szinergikus módon erős kötést eredményez. Néhány lektint a 10.3. táblázat sorol fel.

10.3. táblázat: Lektin fehérjék

10.3. táblázat: Lektin fehérjék

Sok lektin homotetramer, mint például a növényi eredetű konkanavalin-A. A növényi lektinek szerepe nem teljesen tisztázott (talán a rovarok elriasztása a magok elfogyasztásától), de glikoprotein-specifitásukat ki lehet használni glikánok és glikokonjugátumok izolálására affinitás-kromatográfiával.

A ricin magjában előforduló ricin az egyik legerősebb fehérjeméreg. A fél-letális dózisa (LD50) 1,7 mg/felnőtt. (A ricin két, diszulfidhíddal összekötött láncból áll. A B-lánc egy lektin, ami elősegíti a fehérje sejtekbe jutását. Az A-lánc egy rendkívül specifikus N-glikozidáz, amely egyetlen adenint lehasítva az eukarióta riboszóma 28S RNS komponenséről inaktiválja a riboszómát. Az utóbbi tulajdonsága magyarázza, hogy a RIP, azaz riboszóma inaktviáló protin toxinok családjába tartozik)

A szelektinek Ca2+-kötő sejtadhéziós molekulák (CAM: cell adhesion molecule). Szerepükre szép példa a vérlemezek (platelet) és endotél sejtek felszínén található P-szelektinek (platelet-típus) és L-szelektinek (leukocita-típus), melyek kettős kapcsolatot létesítenek a véredények endotélsejtjei és az érfal mentén „gördülő” neutrofil limfociták sejtfelszíni glikoproteinjeivel. Ez a kölcsönhatás, kiegészülve az integrin transzmembrán fehérjék sejt-sejt kölcsönhatásaival, gyulladás szignál hatására alakul ki, leállítja a keringő fehérvérsejtet, amely aktív mozgással kipréselődik az endotélsejtek között (extravazáció), hogy a fertőzés helyén gyulladást okozzon.

A szelektinek terminális sziálsavat tartalmazó glikoproteinekhez kötődnek. A sziálsav az ún. szialil-Lewis-X tetraszacharid antigén (Neu5Ac(α2→3)Gal(β1→4)Fuc(α1→3)GlcNAc) része. Ez az antigén az áttétre hajlamos tumorsejtek felszínén is megjelenik, ezért a szelektin-sziálsav kölcsönhatás (lásd 10.15. ábra) gátlása ígéretes gyógyszercélpont.

10.15. ábra: Egy szelektin és a szialil-Lewis-X antigén komplexének térszerkezete.A fehérjét szalaggal, a ligandumot golyókkal ábrázoltuk. A sziálsav piros, a többi cukoregység zöld, a ligandumkötésben résztvevő Ca2+sárga (PDB: 1G1R).

10.15. ábra: Egy szelektin és a szialil-Lewis-X antigén komplexének térszerkezete. A fehérjét szalaggal, a ligandumot golyókkal ábrázoltuk. A sziálsav piros, a többi cukoregység zöld, a ligandumkötésben résztvevő Ca2+ sárga (PDB: 1G1R).

A fenti folyamat molekuláris részleteit (beleértve a sejten belüli molekuláris történéseket, a génaktivációt, a transzlációt, a citokinek kijutását a sejtből, a citoszkeleton átalakulását, a sejtfelszíni CAM fehérjék kapcsolódását) mutatja be a függelékben megtekinthető „Inner Life of a Cell” című 1. animáció.

A mannóz-6-foszfát egy fehérje lokalizációs szignál, a hordozója végső soron a lizoszómába fog kerülni. A mannóz-6-foszfát-receptor a fehérjék célbajuttatásában (protein targeting) fontos szerepet betöltő organellum, a Golgi-komplex membránjában lokalizálódik. A receptor extracitoplazmatikus doménje (amely a Golgi-komplex belseje felé néz) és a cukorcsoport közötti kölcsönhatást a 10.16. ábra szemlélteti. A Man-6-foszfát megkötésében egy mangánionnak is szerepe van. Az ábrán feltüntettük a cukorcsoport és a receptor ligandum-kötő oldalláncai között kialakuló H-hidakat. A lizoszómában a ligandum disszociál a receptorról, mivel, a savanyú pH-n az egyik hisztidin (His105) imidazol oldallánca protonálódik, ezáltal megszűnik egy H-híd kölcsönhatás, ami az affinitás csökkenésével jár.

10.16. ábra: A mannóz-6-foszfát receptor és a Man-6-foszfát ligandum térszerkezete.A jobb oldalon kölcsönhatási felszín részletei láthatók (PDB: 1M6P)

10.16. ábra: A mannóz-6-foszfát receptor és a Man-6-foszfát ligandum térszerkezete. A jobb oldalon kölcsönhatási felszín részletei láthatók (PDB: 1M6P)

Az influenzavírus a gazdasejtekhez a virális hemagglutinin (HA) lektinen keresztül kötődik. A homotrimer HA a membránban található glikoproteinek terminális Neu5Ac(α2→6)Gal(β1→4)Glc oligoszacharid-csoportját (elsősorban a terminális sziálsavat) ismeri fel (lásd 10.17. ábra).

A vírusrészecske az RNS genom szaporodása után sejtmembránnal körülvéve kerül ki a sejtből, s hogy újabb sejteket fertőzhessen, meg kell szabadulnia membránkapcsolattól. Erre szolgál egy másik virális fehérje, a neuraminidáz (NA), amely a sziálsavat egy glikozidos kötéssel lehasítja a membrán glikoproteinekről, ezáltal a vírusrészecske felszabadul. A neuraminidáz inhibitorait (például Tamiflu) az influenza elleni gyógyszerként használják. Megemlítjük, hogy a HA szénhidrát-specifitásának a vírus fajspecifitásában is szerepe van: a H5N1 szerotípus (a rövidítés a vírus szerotípusokban antitestekkel megkülönböztethető HA és NA izoformákra utal) madarakat fertőz, mert a HA más szénhidrátokat ismer fel.

10.17. ábra: Influenza vírus és a gazdasejt kapcsolata(A)és hemagglutinin fehérje szerkezete(B) (PDB: 1HGD)

10.17. ábra: Influenza vírus és a gazdasejt kapcsolata (A) és hemagglutinin fehérje szerkezete (B) (PDB: 1HGD)

A cukorkód sokoldalú szerepét a lektinek működésében a 10.18. ábra foglalja össze.

10.18. ábra: A lektinek és glikoproteinek szerepe sejt-sejt kapcsolatok és a sejtadhézió kialakításában

10.18. ábra: A lektinek és glikoproteinek szerepe sejt-sejt kapcsolatok és a sejtadhézió kialakításában