GANGLIOSIDE: STRUKTUR, FUNKTIONEN, SYNTHESE UND ANWENDUNGEN - BIOLOGIE - 2025

Die Ganglioside sind Membransphingolipide, die zur Klasse der sauren Glycosphingolipide gehören. Sie gehören zu den am häufigsten vorkommenden Glykolipiden und sind an der Regulation vieler Membraneigenschaften sowie der damit verbundenen Proteine ​​beteiligt. Sie kommen besonders häufig in Nervengeweben vor.

Sie zeichnen sich durch das Vorhandensein von Zuckerresten mit Carboxylgruppen (Sialinsäuren) aus und enthalten zusammen mit Sulfatiden eine O-Sulfatgruppe, die an einen Glucose- oder Galactoserest gebunden ist. Sie repräsentieren eine der beiden Familien der sauren Glycosphingolipide in Eukaryoten.

Beispiel für die Struktur eines Gangliosids (Quelle: Caitlin Sedwick, via Wikimedia Commons)

Der Begriff Gangliosid wurde 1939 vom deutschen Biochemiker Ernst Klenk geprägt, als er sich auf eine Mischung von Verbindungen bezog, die aus dem Gehirn eines Patienten mit Niemann-Pick-Krankheit extrahiert wurden. Die erste Struktur eines Gangliosids wurde jedoch 1963 aufgeklärt.

Sie teilen das hydrophobe Ceramidgerüst mit den anderen Sphingolipiden, das aus einem Sphingosinmolekül besteht, das durch eine Amidbindung an eine Fettsäure mit 16 bis 20 Kohlenstoffatomen gebunden ist, wobei eine trans-Doppelbindung zwischen den Kohlenstoffen in den 4 Positionen besteht und 5.

Struktur

Ganglioside zeichnen sich durch Oligosaccharidketten in ihrer polaren Kopfgruppe aus, in deren Zusammensetzung sich Sialinsäuremoleküle befinden, die durch β-Glucosidbindungen an das hydrophobe Gerüst des Ceramids gebunden sind.

Sie sind angesichts der vielfältigen möglichen Kombinationen zwischen den Oligosaccharidketten, den verschiedenen Arten von Sialinsäure und den am Ceramidgerüst gebundenen unpolaren Schwänzen, sowohl von Sphingosin als auch von den Fettsäuren, die durch Amidbindungen an das Gerüst gebunden sind, äußerst unterschiedliche Moleküle.

Im Nervengewebe sind Palmitinsäure und Stearinsäure die häufigsten Fettsäureketten unter den Gangliosiden.

Eigenschaften der polaren Gruppe

Die polare Kopfregion dieser Sphingolipide verleiht ihnen einen starken hydrophilen Charakter. Diese polare Gruppe ist im Vergleich zu Phospholipiden wie beispielsweise Phosphatidylcholin sehr sperrig.

Der Grund für diese Masse hängt mit der Größe der Oligosaccharidketten sowie der Menge der mit diesen Kohlenhydraten verbundenen Wassermoleküle zusammen.

Allgemeine Struktur von Gangliosiden (Quelle: Ryan_1991, über Wikimedia Commons)

Sialinsäuren sind Derivate von 5-Amino-3,5-didesoxy-D-glycero-D-galacto-non-2-ulopyranosoesäure oder Neuraminsäure. Es gibt drei bekannte Arten von Sialinsäuren in Gangliosiden: 5-N-Acetyl, 5-N-Acetyl-9-O-Acetyl und 5-N-Glycolyl-Derivat, das bei gesunden Menschen am häufigsten vorkommt.

Im Allgemeinen können Säugetiere (einschließlich Primaten) 5-N-Glycolylneuraminsäure synthetisieren, aber der Mensch muss sie aus Nahrungsquellen beziehen.

Die Klassifizierung dieser Lipide kann sowohl auf der Anzahl der Sialinsäurereste (von 1 bis 5) als auch auf ihrer Position im Glycosphingolipidmolekül basieren.

Die häufigste Oligosaccharidsequenz ist das Tetrasaccharid Galβ1-3GalNAcβ1-4Galβ1-4Glcβ, es können jedoch auch weniger Reste gefunden werden.

Eigenschaften

Die genauen biologischen Auswirkungen von Gangliosiden sind noch nicht vollständig geklärt. Sie scheinen jedoch an der Zelldifferenzierung und -morphogenese, an der Bindung einiger Viren und Bakterien sowie an typspezifischen Zelladhäsionsprozessen als Liganden für Proteine ​​beteiligt zu sein. selectins.

Im Nervensystem

Glycosphingolipide mit Sialinsäure sind im Nervensystem von besonderer Bedeutung, insbesondere in den Zellen der grauen Substanz des Gehirns. Dies hat damit zu tun, dass Glykokonjugate im Allgemeinen als effiziente Informations- und Speichervehikel für Zellen anerkannt werden.

Sie befinden sich überwiegend in der äußeren Monoschicht der Plasmamembran und sind daher neben Glykoproteinen und Proteoglykanen maßgeblich am Glykokalyx beteiligt.

Diese Glykokalyx- oder extrazelluläre Matrix ist für die Zellbewegung und Aktivierung von Signalwegen, die an Wachstum, Proliferation und Genexpression beteiligt sind, wesentlich.

In der Zellsignalisierung

Wie bei anderen Sphingolipiden haben auch die Nebenprodukte des Gangliosidabbaus wichtige Funktionen, insbesondere bei Signalprozessen und beim Recycling von Elementen zur Bildung neuer Lipidmoleküle.

Innerhalb der Doppelschicht kommen Ganglioside hauptsächlich in sphingolipidreichen Lipidflößen vor, in denen "Glyco-Signalisierungsdomänen" eingerichtet sind, die auch interzelluläre Wechselwirkungen und Transmembransignale durch Stabilisierung und Assoziation mit integralen Proteinen vermitteln. Diese Lipidflöße erfüllen wichtige Funktionen im Immunsystem.

In der Struktur

Sie fördern die Konformation und korrekte Faltung wichtiger Membranproteine ​​wie des GM1-Gangliosids bei der Aufrechterhaltung der helikalen Struktur des α-Synuclein-Proteins, dessen aberrante Form mit der Parkinson-Krankheit assoziiert ist. Sie wurden auch mit den Pathologien der Huntington-, Tay-Sachs- und Alzheimer-Krankheit in Verbindung gebracht.

Synthese

Die Glycosphingolipid-Biosynthese hängt stark vom intrazellulären Transport durch den Vesikelfluss vom endoplasmatischen Retikulum (ER) durch den Golgi-Apparat ab und endet an der Plasmamembran.

Der Biosynthesevorgang beginnt mit der Bildung des Ceramidgerüsts auf der zytoplasmatischen Seite des ER. Die Bildung von Glycosphingolipiden erfolgt später im Golgi-Apparat.

Die für diesen Prozess verantwortlichen Glycosidaseenzyme (Glucosyltransferase und Galactosyltransferase) befinden sich auf der cytosolischen Seite des Golgi-Komplexes.

Die Addition von Sialinsäureresten an die wachsende Oligosaccharidkette wird durch einige membrangebundene, aber eingeschränkte Glycosyltransferasen an die Lumenseite der Golgi-Membran katalysiert.

Verschiedene Hinweise deuten darauf hin, dass die Synthese der einfachsten Ganglioside in der frühen Region des Golgi-Membransystems stattfindet, während die komplexesten in den „späten“ Regionen stattfinden.

Verordnung

Die Synthese wird in erster Linie durch die Expression von Glycosyltransferasen reguliert, es können jedoch auch epigenetische Ereignisse wie die Phosphorylierung der beteiligten Enzyme und andere beteiligt sein.

Anwendungen

Einige Forscher haben ihre Aufmerksamkeit auf die Nützlichkeit eines bestimmten Gangliosids, GM1, gerichtet. Das von V. cholera bei Cholera-Patienten synthetisierte Toxin hat eine Untereinheit, die für die spezifische Erkennung dieses Gangliosids verantwortlich ist, das auf der Oberfläche der Schleimzellen des Darms vorhanden ist.

Daher wurde GM1 zur Erkennung von Markern dieser Pathologie verwendet, da es in der Synthese von Liposomen enthalten ist, die zur Diagnose von Cholera verwendet werden.

Andere Anwendungen umfassen die Synthese spezifischer Ganglioside und ihre Bindung an stabile Träger zu diagnostischen Zwecken oder zur Reinigung und Isolierung von Verbindungen, für die sie eine Affinität aufweisen. Es wurde auch festgestellt, dass sie als Marker für einige Krebsarten dienen können.

Verweise

1. Groux-Degroote, S., Guérardel, Y., Julien, S. & Deannoy, P. (2015). Ganglioside bei Brustkrebs: Neue Perspektiven. Biochemistry (Moskau), 80 (7), 808 & ndash; 819.
2. Ho, JA, Wu, L., Huang, M., Lin, Y., Baeumner, AJ, Durst, RA & York, N. (2007). Anwendung von Gangliosid-sensibilisierten Liposomen in einem immunoanalytischen System zur Durchflussinjektion zur Bestimmung des Choleratoxins. Anal. Chem., 79 (1), 10795 & ndash; 10799.
3. Kanfer, J. & Hakomori, S. (1983). Sphingolipid-Biochemie. (D. Hanahan, Hrsg.), Handbook of Lipid Research 3 (1. Aufl.). Plenumpresse.
4. H. Lodish, A. Berk, CA Kaiser, M. Krieger, A. Bretscher, H. Ploegh, K. Martin (2003). Molecular Cell Biology (5. Aufl.). Freeman, WH & Company.
5. O'Brien, J. (1981). Gangliosid-Speicherkrankheiten: eine aktualisierte Übersicht. Ital. J. Neurol. Sci., 3, 219–226.
6. Sonnino, S. (2018). Ganglioside. In S. Sonnino & amp; A. Prinetti (Hrsg.), Methods in Molecular Biology 1804. Humana Press.
7. Tayot, J.-L. (1983). 244.312. Vereinigte Staaten.
8. van Echten, G. & Sandhoff, K. (1993). Gangliosid-Stoffwechsel. The Journal of Biological Chemistry, 268 (8), 5341-5344.