PROTEOGLYKANE: STRUKTUR, EIGENSCHAFTEN, FUNKTION, BEISPIELE - BIOLOGIE - 2025

Die Proteoglycane sind glykosylierte Proteine, die im Allgemeinen mit anionischen Glykosaminoglykansubstituenten (GAGs) assoziiert sind. Sie befinden sich normalerweise an der Außenseite der Zellmembran oder "füllen" den extrazellulären Raum, sodass sie Teil vieler Bindegewebe sind.

Von diesen komplexen Makromolekülen wurden am meisten Knorpelzellen bei Wirbeltieren untersucht und analysiert, da die extrazelluläre Matrix in diesen mehr als 90% des Trockengewichts des von ihnen zusammengesetzten Gewebes ausmacht, wo sie unter anderem Einfluss haben Beständigkeit gegen Kompression.

Struktur der extrazellulären Matrix, aus der der hyaline Knorpel besteht (Quelle: Siehe Seite für Autor / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) über Wikimedia Commons)

Strukturell tragen Proteoglykane zur Organisation der extrazellulären Matrix bei, die vielen einzelnen Geweben oder Zellen ihre charakteristischsten physikalischen Eigenschaften verleiht. Darüber hinaus sind diese für viele interzelluläre Kommunikations- und Signalereignisse wichtig.

Sie sind extrem häufig, allgegenwärtig (sie kommen in zahlreichen Zelltypen vor) und komplexe Proteine, deren biologische Funktionen und biochemischen Eigenschaften sich im Wesentlichen aus den Eigenschaften ihrer Kohlenhydratkomponenten ergeben, die eine große Hydratationskapazität aufweisen.

Sie sind aktiv an der interzellulären Kommunikation, an Adhäsions- und Migrationsprozessen beteiligt und waren auch an der Entwicklung verschiedener Gewebe bei Tieren beteiligt, beispielsweise der perineuronalen Netzwerke des Nervensystems.

Struktur und Eigenschaften von Proteoglykanen

Proteoglycane sind glykosylierte Proteine ​​auf der extrazellulären Oberfläche, obwohl einige in intrazellulären Kompartimenten gefunden werden können. Sie sind im Allgemeinen sehr häufig vorkommende Moleküle, aber ihre Häufigkeit hängt von der Art der betrachteten Zelle ab.

Normalerweise besteht der Kohlenhydratanteil eines Proteoglykans aus Glycosaminoglycanmolekülen, bei denen es sich um lineare Polysaccharide handelt, die aus sich wiederholenden Disacchariden bestehen, üblicherweise aus einem acetylierten Aminozucker, der sich mit Uronsäure abwechselt.

Seine allgemeine Struktur besteht daher aus einem Proteinkern, der mit mehr als 100 unverzweigten Glycosaminoglycan-Ketten assoziiert sein kann, die mittels O-Glycosylierung verbunden sind.

Sie sind in Bezug auf Struktur, Form und Funktion sehr unterschiedliche Moleküle. In den Zellen von Wirbeltieren wurden beispielsweise mehrere Kombinationen verschiedener Arten von Proteinen und verschiedener Klassen von Glykosaminoglykanen identifiziert, nämlich:

Protein

- Zelloberflächen-Transmembranproteine ​​(extrazelluläre Matrix)

- Proteine, die kovalent an Glycosylphosphatidylinositol (GPI) -Anker gebunden sind)

Glucosaminoglycane

- Hyaluronan (HA)

- Chondroitinsulfat (CS)

- Keratansulfat (KS)

- Dermatansulfat (DS)

- Heparansulfat (HS)

Schema von Proteoglykanen und einigen Kombinationen von Glykosaminoglykanen (Quelle: Mfigueiredo / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) über Wikimedia Commons)

Einige Proteoglycane wie Syndecane, die Transmembranproteine ​​sind, sind an 2 Ketten Heparansulfat und 1 Kette Chondroitinsulfat gebunden; Inzwischen hat ein anderes Proteoglycan, Aggrecan (knorpelspezifisch), etwa 100 Ketten Chondroitinsulfat und 30 Ketten Keratansulfat.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass die Glykosylierungseigenschaften jedes Proteins sowie der Zelltyp, zu dem es gehört, diejenigen sind, die die Identität jedes Proteoglykans auf der Zelloberfläche definieren.

Funktion

Ihre Funktionen hängen von den strukturellen Eigenschaften der Proteoglykane ab. Dies gilt insbesondere für jene Eigenschaften, die mit dem Glycosaminoglycan-Anteil zusammenhängen, da diese Moleküle es dem Protein ermöglichen, mit anderen Elementen auf der Zelloberfläche zu interagieren.

Diese Proteine, die reich an Heparansulfatresten sind, können relativ leicht an verschiedene Wachstumsfaktoren, an andere Komponenten der extrazellulären Matrix, an Enzyme, Proteaseinhibitoren, Chemokine usw. binden, daher spielen sie eine grundlegende Rolle bei der Transduktion von Signale an die intrazelluläre Umgebung.

Somit können Proteoglycane strukturelle Funktionen in der Matrix erfüllen oder spezifischere Funktionen bei der Übertragung von Nachrichten von der extrazellulären Umgebung in den cytosolischen Raum haben.

In den letzten Jahren hat das Interesse an der Untersuchung von Proteoglykanen erheblich zugenommen, was mit der Entdeckung der Bedeutung zusammenhängt, die diese Moleküle für bestimmte pathologische Zustände beim Menschen haben.

Ein Beispiel hierfür ist das Simpson-Golabi-Behmel-Syndrom (GBSS), das durch übertriebenes Wachstum vor und nach der Geburt, Geburtsfehler und Anfälligkeit für Tumorbildung im Zusammenhang mit Mutationen in einem Heparansulfat-reichen Proteoglycan gekennzeichnet ist. und von GPI verankert.

Hauptproteoglykane der Arterien und Blutgefäße. Das Molekulargewicht des Proteinkerns wird über Wikimedia Commons angezeigt (Quelle: ALEISF / CC BY-SA (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)).

Zellfunktionen

Praktisch alle zellulären Prozesse, die molekulare Wechselwirkungen auf der Zelloberfläche beinhalten, wie Zellmatrix-, Zell-Zell- und Ligand-Rezeptor-Wechselwirkungen, haben auf die eine oder andere Weise mit Proteoglykanen zu tun, da sie in der Lage sind, an große Mengen zu binden von anderen Molekülen und sind an der Oberfläche sehr häufig.

Während der Entwicklung des Nervensystems und auch während der Invasion eines Tumors und der Metastasierung, dh Ereignisse, die mit Bewegungen und Zellverlängerungen oder -erweiterungen zu tun haben, üben Proteoglykane sehr aktive Funktionen aus.

Diese glykosylierten Proteine ​​sind auch an den Prozessen der Adhäsion, Proliferation und Etablierung der Zellform beteiligt, und diejenigen, die Transmembranproteine ​​sind, die eine cytosolische Domäne besitzen, sind an Transduktions- und Signalkaskaden beteiligt.

Beispiele für Proteoglykane

Aggrecano

Aggrecan ist das Hauptproteoglycan im Knorpelgewebe, das mit Fragmenten des Glycosaminoglycans "Hyaluronan" (HA) in der extrazellulären Matrix von Chondrozyten assoziiert ist.

Hyaluronan ist ein lineares Glycosaminoglycan, das aus alternierenden Resten von Glucuronsäure und N-Acetylglucosamin besteht und sowohl auf der Zelloberfläche als auch in der extrazellulären Matrix und in Zellen vorkommt.

Die Bindung von Hyaluronan an Aggrecan erfolgt über ein "Bindungsprotein", das wichtige Aggregate mit Molekulargewichten von bis zu mehreren Millionen Dalton bildet.

Viele altersbedingte Gelenkerkrankungen sind mit einer erhöhten Aggregation von Aggrecan und Hyaluronan verbunden.

Pelecano

In den Nierenglomeruli besteht die Basalmembran hauptsächlich aus einem Proteoglycan, das als Pelecan bekannt ist und mit Teilen von Heparansulfat assoziiert ist. Dieses Proteoglycan hat wichtige Funktionen als anionische Ladungsselektivitätsstelle während der glomerulären Filtration.

Dieses Proteoglycan hat den größten Proteinkern, der in einem dieser Moleküle beobachtet wurde, und es wird spekuliert, dass diese Proteindomäne mit anderen in der Basalmembran vorhandenen Makromolekülen interagieren könnte.

Decorin

Decorin ist ein kleines interstitielles Proteoglycan und zeichnet sich durch eine einzelne Glycosaminoglycan-Kette und einen kleinen Proteinkern aus. Es ist ein wichtiger Bestandteil vieler Bindegewebe, bindet an Kollagenfasern vom Typ I und ist am Aufbau der extrazellulären Matrix beteiligt.

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