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Membranproteine

Modifizierung von Proteinen im ER: Die Glycosylierung

Während eine Glycosylierung bei cytoplasmatischen Proteinen relativ selten ist, gehört sie zu den häufigsten chemischen Modifikationen von sezernierten Proteinen, Lumen- und Membranproteinen. Membran-Glycoproteine vermitteln wichtige Funktionen der eukaryontischen Zelloberfläche, sie sorgen z.B. für die Zell-Zell-Erkennung und die Adhäsion von Zellen. Der Kohlenhydrat-Anteil kann dabei mehr als 50 % der molekularen Masse eines Protein ausmachen und besteht meistens aus kovalent gebundenen Oligosaccharid-Seitenketten mit 4-15 Zuckerresten. Diese Seitenketten können auch verzweigt sein.

Die O-glycosidische Bindung

Die O-glycosidische Bindung ist eine alkali-labile Verbindung zwischen der Hydroxy-Gruppe von Serin (oder Threonin) und einem Aminozucker. Die O-verbundenen Oligosaccharide sind kleiner als die N-verbundenen Ketten und werden Zucker für Zucker ankondensiert. Die entsprechenden Enzyme sind im ER und im Golgi-Apparat zu finden.

Die N-glycosidische Bindung

Abb.1
N-glycosidisch verknüpftes Glycoprotein

Die N-glycosidische Bindung ist eine alkali-stabile Verbindung zwischen dem Amid-Stickstoff von Asparagin und dem C1-Atom eines Aminozuckers. Die grün unterlegten Zucker bilden die Kernregion (core) dieses Oligosaccharids.

Eine N-glycosidische Modifizierung findet man häufig in der Sequenz Asn-x-Ser oder Asn-x- Thr, wobei x jede Aminosäure außer Prolin sein kann. Die N-verbundene Glycosylierung von Lumen-, Membranproteinen und sezernierten Proteinen erfolgt in zwei Schritten: die so genannten Basis- oder core-Kohlenhydrate werden von der Glycosyltransferase im ER im Ganzen als ein großes Oligosaccharid angehängt. An diese core-Einheit werden in einem zweiten Schritt während der Passage durch den Golgi-Apparat weitere Zucker angehängt.

In einigen Fällen ist die Glycosylierung essenziell für die korrekte Faltung bzw. den korrekten Zusammenbau eines aus mehreren Untereinheiten bestehenden Proteins, denn die großen, hydrophilen Kohlenhydrat-Ketten positionieren das Protein-Segment, an das sie gebunden sind, auf der Oberfläche des Proteins.

Die kovalente Addition von Zucker-Molekülen erfordert Energie. Für die Kondensationsreaktion verwendet die Glycosyltransferase aktivierte Kohlenhydrate, die an membrangebundene Lipidcarrier gebunden sind (über Pyrophosphate). Die Hydrolyse der Pyrophosphate liefert hinreichend Energie für den Transfer des Oligosaccharids auf das Protein.

Warum ist überhaupt ein Lipidcarrier notwendig?

Die Zucker stammen aus dem Cytoplasma und müssen in das Lumen des endoplasmatischen Retikulums transportiert werden, wo die Glycosylierung stattfindet. Da phosphorylierte Kohlenhydrate stark polar sind, können sie nicht ohne weiteres durch die Membran transportiert werden. Der lipophile Carrier besteht aus Poly(iso)prenyl-Einheiten, die an den Diphosphozucker gebunden sind.

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