Общий план строения молекулы
Протеогликаны кардинально отличаются от большинства обычных гликопротеинов своим химическим составом: на белковую часть здесь приходится около 5% массы, а остальные 95% составляют длинные углеводные цепи — гликозаминогликаны (ГАГ).
Центральным элементом молекулы выступает коровый белок, представляющий собой одну полипептидную цепь (ее молекулярная масса может сильно варьировать). К этому белковому ядру ковалентно присоединяются гликозаминогликаны. Важное исключение: гиалуроновая кислота никогда не связывается с белком ковалентно.
Крепление углеводных цепей к белку происходит в строго определенных местах:
- Через ОН-группу аминокислот серина или треонина (образуется O-гликозидная связь).
- Через $NH_2$-группу аспарагина (N-гликозидная связь).
Типичная область сцепления (на примере серина) включает специфический связующий трисахарид: Ксилоза — Галактоза — Галактоза. Уже к нему надстраивается длинная полисахаридная цепь, состоящая из повторяющихся дисахаридных единиц (гексуроновая кислота и аминосахар).
Агрекан — основа хрящевого матрикса
Самый известный представитель протеогликанов — агрекан. Это гигантская молекула, которая служит основным структурным компонентом матрикса хрящевой ткани.
Коровый белок агрекана имеет массу около 220 кДа и структурно разделен на три глобулярных домена: G1, G2 (на N-конце) и G3 (на C-конце). Углеводные цепи крепятся преимущественно на участке между доменами G2 и G3. К одному такому белку присоединяется внушительное количество ГАГ:
- Около 100 цепей длинного хондроитинсульфата (составляют основную массу).
- Около 30 цепей кератансульфата (располагаются ближе к N-концу, между доменом G2 и зоной хондроитинсульфатов).
Надмолекулярные агрегаты
В межклеточном веществе мономеры агрекана не плавают поодиночке. Они объединяются в колоссальные супрамолекулярные комплексы.
Центральной осью такого комплекса служит длинная нить гиалуроновой кислоты. К ней нековалентно присоединяется около 100 молекул агрекана (взаимодействие идет через домен G1). Чтобы эта массивная конструкция не рассыпалась, ее дополнительно стабилизируют около 100 молекул небольшого связывающего белка (link protein), который фиксирует агрекан на гиалуроновой кислоте.
В результате формируется гигантский комплекс с молекулярной массой более $200 \cdot 10^6$ Дальтон, напоминающий ершик для мытья посуды, где проволока — это гиалуроновая кислота, а щетинки — мономеры агрекана.
Функции и физиологическая роль
Основная локализация протеогликанов — межклеточное вещество тканей, которые постоянно подвергаются механическим деформациям и высоким нагрузкам. Это суставные хрящи, межпозвоночные диски, мениски, связки, сухожилия и кожа.
Благодаря огромному количеству отрицательно заряженных групп (сульфатных и карбоксильных), гликозаминогликаны обладают высочайшей гидрофильностью — они притягивают и прочно удерживают воду. Это обеспечивает рессорную функцию. При механическом давлении протеогликаны сжимаются, выделяя часть воды, а при снятии нагрузки мгновенно возвращают ее обратно, амортизируя удары.
Протеогликаны базальных мембран
Отдельную важную группу составляют гепарансульфатсодержащие протеогликаны (ГСПГ), которые являются ключевым элементом базальных мембран.
По структуре они делятся на две разновидности:
- ГСПГ низкой плотности (имеют крупное многодоменное белковое ядро и три очень длинные цепи гепарансульфата).
- ГСПГ высокой плотности (отличаются небольшим ядром и четырьмя короткими углеводными цепями).
Молекулы ГСПГ являются сильными полианионами (несут выраженный отрицательный заряд). Благодаря этому в почечных клубочках они создают мощный электростатический фильтрационный барьер, который отталкивает другие отрицательно заряженные молекулы плазмы, не позволяя им проникать в первичную мочу.
Чтобы легко запомнить трисахарид в области присоединения ГАГ к белку, используйте фразу: «Ксилофон Гали и Гали» (Ксилоза — Галактоза — Галактоза).
Вопросы с занятий и экзамена
Почему рост человека утром на пару сантиметров больше, чем вечером?
В течение дня под действием силы тяжести и ходьбы вода механически выдавливается из межпозвоночных дисков, они уплощаются, и рост уменьшается. Ночью, в горизонтальном положении, нагрузка исчезает, и благодаря высокой гидрофильности протеогликанов вода возвращается в диски, восстанавливая их высоту.
Какая аминокислота корового белка не участвует в присоединении ГАГ: серин, треонин, аспарагин или аланин?
Аланин. Гликозаминогликаны присоединяются ковалентно только по гидроксильным группам серина и треонина (О-гликозидная связь) или по аминогруппе аспарагина (N-гликозидная связь).
В чем главное функциональное значение ГСПГ в почках?
Гепарансульфатсодержащие протеогликаны базальной мембраны клубочков работают как электростатический фильтр. Будучи полианионами, они препятствуют потере белков плазмы (которые также заряжены отрицательно) с мочой.
Что ещё разобрать по теме
- Структурная организация глобулярных доменов G1, G2 и G3 корового белка агрекана.
- Биохимический механизм взаимодействия домена G1 со связывающим белком и гиалуроновой кислотой.
- Отличия в строении гепарансульфатсодержащих протеогликанов высокой и низкой плотности.
- Строение повторяющихся дисахаридных единиц (гексуроновая кислота + аминосахар) различных ГАГ.
- Роль протеогликанов в обеспечении взаимодействия клеток с внеклеточным матриксом.
Разберите тему целиком в курсе «Биохимия»
Здесь — выжимка. В курсе — всё, что спрашивают на занятии и экзамене.
- Полная методичка по теме «Протеогликаны» и ещё 3 574 страниц предмета
- Задания и тесты после каждой темы — как на коллоквиуме
- AI-тьютор ответит на вопрос по теме в любое время
- 115 видеоуроков по предмету
Другие темы раздела «Биохимия межклеточного матрикса»
Бесплатные видеоуроки: биохимияКороткие уроки с конспектами — без регистрации.
Материал подготовлен преподавателями Школы Сеченова по учебной программе медицинских вузов. Носит образовательный характер.