Введение

журнал
В самом узком смысле, гликобиология – это изучение структуры, биосинтеза и биологии сахаров (сахарных цепей или гликанов), широко распространенных в природе. Сахара или сахариды являются важнейшими компонентами всех живых организмов, а различные аспекты их биологических ролей исследуются в различных медицинских, биохимических и биотехнологических областях.

История

Согласно Оксфордскому словарю английского языка, специфический термин "гликобиология" был введен в 1988 году профессором Рэймондом Двеком для обозначения объединения традиционных дисциплин химии углеводов и биохимии. Это объединение стало возможным благодаря значительному углублению понимания клеточной и молекулярной биологии гликанов. Однако еще в конце XIX века пионерские работы Эмиля Фишера были направлены на установление структуры некоторых основных молекул сахаров. Ежегодно Общество гликобиологии присуждает премию имени Розалинд Корнфельд за вклад в гликобиологию на протяжении всей жизни.

Гликоконъюгаты

Сахара могут быть связаны с другими типами биологических молекул с образованием гликоконъюгатов. Ферментативный процесс гликозилирования создает сахара/сахариды, связанные между собой и с другими молекулами посредством гликозидной связи, тем самым образуя гликан. Гликопротеины, протеогликаны и гликолипиды – наиболее распространенные гликоконъюгаты, встречающиеся в клетках млекопитающих. Они преимущественно находятся на внешней клеточной мембране и в секретируемых жидкостях. Показано, что гликоконъюгаты играют важную роль во взаимодействиях между клетками благодаря наличию на клеточной поверхности различных рецепторов, связывающих гликан, в дополнение к самим гликоконъюгатам. Помимо их функции в сворачивании белков и клеточной адгезии, N-связанные гликан белка могут модулировать функцию белка, в некоторых случаях выступая в роли переключателя "вкл/выкл".

Проблемы в изучении структуры сахара

Часть изменчивости, наблюдаемая в структурах сахаридов, обусловлена тем, что моносахаридные звенья могут соединяться друг с другом множеством различных способов, в отличие от аминокислот белков или нуклеотидов в ДНК, которые всегда соединяются между собой стандартным образом. Изучение структур гликанов также усложняется отсутствием прямого матричного принципа для их биосинтеза, в отличие от белков, где последовательность аминокислот определяется соответствующим геном. Гликаны являются вторичными продуктами генов и, следовательно, образуются в результате согласованных действий множества ферментов в субклеточных компартментах клетки. Поскольку структура гликана может зависеть от экспрессии, активности и доступности различных биосинтетических ферментов, невозможно использовать технологии рекомбинантной ДНК для получения больших количеств гликанов для структурных и функциональных исследований, как это возможно для белков.

Современные инструменты и методы прогнозирования структуры гликана

Современные аналитические приборы и программное обеспечение, используемые в комплексе, позволяют раскрыть тайну строения гликанoв. Современные методы структурной аннотации и анализа гликанoв включают жидкостную хроматографию (LC), капиллярный электрофорез (CE), масс-спектрометрию (MS), ядерный магнитный резонанс (NMR) и лектинные микроматрицы. Масс-спектрометрия – один из наиболее распространенных методов, использующий три основных компонента: ионизатор, анализатор и детектор. Гликанные микроматрицы, такие как предлагаемые Консорциумом функциональной гликомики и Z Biotech LLC, содержат углеводные соединения, которые можно исследовать с помощью лектинов или антител для определения специфичности к углеводам и выявления лигандов.

Мониторинг множественной реакции (МРР)

МРМ – это метод, основанный на масс-спектрометрии, который в последнее время применяется для профилирования гликозилирования в определенных участках молекулы. Хотя МРМ широко используется в метаболомике и протеомике, его высокая чувствительность и линейный отклик в широком динамическом диапазоне делают его особенно подходящим для исследований и поиска гликанных биомаркеров. МРМ выполняется на приборе с тройным квадруполем (QqQ), который настроен на обнаружение предварительно определенного иона-предшественника в первом квадруполе, его фрагментацию во втором (коллизионном) квадруполе и предварительно определенного иона-фрагмента в третьем квадруполе. Это несканирующая методика, при которой каждый переход детектируется индивидуально, а одновременное детектирование нескольких переходов происходит в течение рабочих циклов. Противораковые препараты с новыми и разнообразными механизмами действия, а также противовоспалительные и противоинфекционные средства в настоящее время проходят клинические испытания. Они могут облегчать или дополнять существующие методы терапии. Несмотря на то, что эти гликоны – молекулы, которые сложно воспроизводимо синтезировать из-за их сложной структуры, эта новая область исследований весьма перспективна для будущего.