Los términos glicanos y polisacáridos están definidos por la IUPAC como sinónimos que significan "compuestos que consisten en una gran cantidad de monosacáridos unidos glucosídicamente". [1] Sin embargo, en la práctica, el término glicano también puede usarse para referirse a la porción de carbohidrato de un glicoconjugado , como una glicoproteína , un glicolípido o un proteoglicano , incluso si el carbohidrato es solo un oligosacárido . [2] Los glicanos generalmente consisten únicamente en enlaces O-glucosídicos de monosacáridos. Por ejemplo, la celulosa es un glicano (o, para ser más específicos, un glucano ) compuesto de D -glucosa unida por β-1,4 , y la quitina es un glicano compuesto de N -acetil- D -glucosamina unida por β-1,4. Los glicanos pueden ser homo- o heteropolímeros de residuos de monosacáridos, y pueden ser lineales o ramificados.
Los glicanos se pueden encontrar unidos a proteínas como en las glicoproteínas y los proteoglicanos. En general, se encuentran en la superficie exterior de las células. Los glicanos unidos a O y N son muy comunes en eucariotas , pero también se pueden encontrar, aunque con menor frecuencia, en procariotas .
Los glicanos unidos a N se unen en el retículo endoplasmático al nitrógeno (N) en la cadena lateral de asparagina (Asn) en el sequon . El sequon es una secuencia Asn-X-Ser o Asn-X-Thr, donde X es cualquier aminoácido excepto prolina y el glicano puede estar compuesto de N -acetilgalactosamina , galactosa , ácido neuramínico , N -acetilglucosamina , fucosa , manosa y otros monosacáridos.
En los eucariotas, los glicanos unidos a N se derivan de una unidad central de 14 azúcares ensamblada en el citoplasma y el retículo endoplasmático . Primero, dos residuos de N -acetilglucosamina se unen al monofosfato de dolicol , un lípido, en el lado externo de la membrana del retículo endoplasmático. Luego se agregan cinco residuos de manosa a esta estructura. En este punto, el glicano central parcialmente terminado se voltea a través de la membrana del retículo endoplasmático, de modo que ahora se encuentra dentro del lumen reticular. Luego, el ensamblaje continúa dentro del retículo endoplasmático, con la adición de cuatro residuos de manosa más. Finalmente, se agregan tres residuos de glucosa a esta estructura. Después del ensamblaje completo, el glicano es transferido en bloque por la glicosiltransferasa oligosacariltransferasa a una cadena peptídica naciente, dentro del lumen reticular. Esta estructura central de glicanos N-ligados consta, por tanto, de 14 residuos (3 de glucosa, 9 de manosa y 2 de N -acetilglucosamina).
Imagen: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.469
Los cuadrados oscuros son N -acetilglucosamina; los círculos claros son manosa; los triángulos oscuros son glucosa.
Una vez transferidos a la cadena peptídica naciente, los glicanos N-ligados, en general, experimentan extensas reacciones de procesamiento, mediante las cuales se eliminan los tres residuos de glucosa, así como varios residuos de manosa, dependiendo del glicano N-ligado en cuestión. La eliminación de los residuos de glucosa depende del plegamiento adecuado de la proteína. Estas reacciones de procesamiento ocurren en el aparato de Golgi . Las reacciones de modificación pueden implicar la adición de un grupo fosfato o acetilo a los azúcares, o la adición de nuevos azúcares, como el ácido neuramínico . El procesamiento y la modificación de los glicanos N-ligados dentro del Golgi no siguen una vía lineal. Como resultado, son posibles muchas variaciones diferentes de la estructura del glicano N-ligado, dependiendo de la actividad enzimática en el Golgi.
Los glicanos unidos a N son extremadamente importantes para el plegamiento adecuado de las proteínas en las células eucariotas. Las proteínas chaperonas del retículo endoplasmático, como la calnexina y la calreticulina , se unen a los tres residuos de glucosa presentes en el núcleo del glicano unido a N. Estas proteínas chaperonas sirven entonces para ayudar en el plegamiento de la proteína a la que está unido el glicano. Después del plegamiento adecuado, se eliminan los tres residuos de glucosa y el glicano pasa a otras reacciones de procesamiento. Si la proteína no se pliega correctamente, los tres residuos de glucosa se vuelven a unir, lo que permite que la proteína se vuelva a asociar con las chaperonas. Este ciclo puede repetirse varias veces hasta que una proteína alcanza su conformación adecuada. Si una proteína no se pliega correctamente repetidamente, se excreta del retículo endoplasmático y se degrada por las proteasas citoplasmáticas.
Los glicanos unidos a N también contribuyen al plegamiento de proteínas mediante efectos estéricos. Por ejemplo, los residuos de cisteína en el péptido pueden verse temporalmente bloqueados y no formar enlaces disulfuro con otros residuos de cisteína, debido al tamaño de un glicano cercano. Por lo tanto, la presencia de un glicano unido a N permite que la célula controle qué residuos de cisteína formarán enlaces disulfuro.
Los glicanos ligados a N también desempeñan un papel importante en las interacciones entre células. Por ejemplo, las células tumorales producen glicanos ligados a N que son anormales. Estos son reconocidos por el receptor CD337 de las células Natural Killer como una señal de que la célula en cuestión es cancerosa.
Dentro del sistema inmunológico, los glicanos ligados a N en la superficie de una célula inmune ayudarán a dictar el patrón de migración de la célula, por ejemplo, las células inmunes que migran a la piel tienen glicosilaciones específicas que favorecen el asentamiento en ese sitio. [3] Los patrones de glicosilación en las diversas inmunoglobulinas, incluidas IgE, IgM, IgD, IgE, IgA e IgG, les otorgan funciones efectoras únicas al alterar sus afinidades por Fc y otros receptores inmunes. [3] Los glicanos también pueden estar involucrados en la discriminación de "propio" y "no propio", lo que puede ser relevante para la fisiopatología de varias enfermedades autoinmunes; [3] incluida la artritis reumatoide [4] y la diabetes tipo 1. [5]
La orientación de las enzimas lisosomales degradativas también se lleva a cabo mediante glicanos N-ligados. La modificación de un glicano N-ligado con un residuo de manosa-6-fosfato sirve como señal de que la proteína a la que está unido este glicano debe ser trasladada al lisosoma. Este reconocimiento y tráfico de enzimas lisosomales por la presencia de manosa-6-fosfato se lleva a cabo por dos proteínas: CI-MPR ( receptor de manosa-6-fosfato independiente de cationes ) y CD-MPR (receptor de manosa-6-fosfato dependiente de cationes).
En los eucariotas, los glicanos unidos a O se ensamblan de a un azúcar por vez en un residuo de serina o treonina de una cadena peptídica en el aparato de Golgi. A diferencia de los glicanos unidos a N , todavía no se conoce una secuencia de consenso . Sin embargo, la ubicación de un residuo de prolina en -1 o +3 en relación con la serina o treonina es favorable para la glicosilación unida a O.
El primer monosacárido que se une en la síntesis de glicanos O -ligados es la N-acetil-galactosamina. Después de esto, son posibles varias vías diferentes. Una estructura Core 1 se genera mediante la adición de galactosa. Una estructura Core 2 se genera mediante la adición de N-acetil-glucosamina a la N-acetil-galactosamina de la estructura Core 1. Las estructuras Core 3 se generan mediante la adición de una sola N-acetil-glucosamina a la N-acetil-galactosamina original. Las estructuras Core 4 se generan mediante la adición de una segunda N-acetil-glucosamina a la estructura Core 3. Son posibles otras estructuras core, aunque menos comunes.
Imágenes:
Español: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.561 : Generación de núcleo 1 y núcleo 2. Cuadrado blanco = N-acetil-galactosamina; círculo negro = galactosa; Cuadrado negro = N-acetil-glucosamina. Nota: Hay un error en este diagrama. El cuadrado inferior siempre debe ser blanco en cada imagen, no negro.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=glyco.figgrp.562 : Generación Core 3 y Core 4.
Un tema estructural común en los glicanos O-ligados es la adición de unidades de polilactosamina a las diversas estructuras centrales. Estas se forman mediante la adición repetida de unidades de galactosa y N-acetil-glucosamina. Las cadenas de polilactosamina en los glicanos O-ligados suelen estar rematadas por la adición de un residuo de ácido siálico (similar al ácido neuramínico). Si también se añade un residuo de fucosa al penúltimo residuo, se forma una estructura Sialyl-Lewis X (SLex).
Sialyl Lewis X es importante en la determinación del antígeno sanguíneo ABO .
La SLex también es importante para una respuesta inmunitaria adecuada. La liberación de P- selectina de los cuerpos de Weibel-Palade , en las células endoteliales de los vasos sanguíneos, puede ser inducida por varios factores. Uno de estos factores es la respuesta de la célula endotelial a ciertas moléculas bacterianas, como el peptidoglicano . La P-selectina se une a la estructura SLex que está presente en los neutrófilos en el torrente sanguíneo y ayuda a mediar la extravasación de estas células al tejido circundante durante la infección.
Se ha descubierto que los glicanos unidos a O , en particular la mucina , son importantes para el desarrollo de una microflora intestinal normal. Ciertas cepas de bacterias intestinales se unen específicamente a la mucina, lo que les permite colonizar el intestino.
Ejemplos de glicoproteínas O -ligadas son:
Otro tipo de glicano celular son los glicosaminoglicanos (GAG). Estos comprenden 2-aminoazúcares unidos de forma alternada con ácidos urónicos , e incluyen polímeros como la heparina , el heparán sulfato , la condroitina , el queratán y el dermatán . Algunos glicosaminoglicanos, como el heparán sulfato, se encuentran adheridos a la superficie celular, donde se unen a través de un tetrasacárido enlazante mediante un residuo xilosilo a una proteína (formando una glicoproteína o proteoglicano ).
Un informe de 2012 del Consejo Nacional de Investigación de Estados Unidos pide un nuevo enfoque en la glicociencia, un campo que explora las estructuras y funciones de los glicanos y promete grandes avances en áreas tan diversas como la medicina, la generación de energía y la ciencia de los materiales. [6] Hasta ahora, los glicanos han recibido poca atención de la comunidad investigadora debido a la falta de herramientas para investigar sus estructuras y propiedades a menudo complejas. [7] El informe presenta una hoja de ruta para transformar la glicociencia de un campo dominado por especialistas a una disciplina ampliamente estudiada e integrada.
Ver glicolípidos
Véase glicofosfatidilinositol
Los siguientes son ejemplos de las técnicas comúnmente utilizadas en el análisis de glicanos: [8] [9]
Los métodos más comúnmente aplicados son MS y HPLC , en los que la parte de glicano se escinde enzimática o químicamente del objetivo y se somete a análisis. [10] En el caso de los glicolípidos, se pueden analizar directamente sin separación del componente lipídico.
Los N- glicanos de las glicoproteínas se analizan rutinariamente mediante cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC de fase inversa, fase normal y de intercambio iónico) después de marcar el extremo reductor de los azúcares con un compuesto fluorescente (marcado reductor). [11] En los últimos años se ha introducido una gran variedad de etiquetas diferentes, donde la 2-aminobenzamida (AB), el ácido antranílico (AA), la 2-aminopiridina (PA), la 2-aminoacridona (AMAC) y la 3-(acetilamino)-6-aminoacridina (AA-Ac) son solo algunas de ellas. [12] Se deben utilizar diferentes etiquetas para los diferentes modos de ESI y los sistemas MS utilizados. [13]
Los O- glicanos generalmente se analizan sin ninguna etiqueta, debido a que las condiciones de liberación química impiden etiquetarlos.
Los glicanos fraccionados de los instrumentos de cromatografía líquida de alto rendimiento (HPLC) se pueden analizar más a fondo mediante MALDI -TOF-MS(MS) para obtener más información sobre la estructura y la pureza. A veces, los grupos de glicanos se analizan directamente mediante espectrometría de masas sin prefraccionamiento, aunque la discriminación entre las estructuras isobáricas de los glicanos es más difícil o incluso no siempre posible. De todos modos, el análisis directo mediante MALDI -TOF-MS puede conducir a una ilustración rápida y sencilla del grupo de glicanos. [14]
En los últimos años, la cromatografía líquida de alto rendimiento en línea acoplada a la espectrometría de masas se ha vuelto muy popular. Al elegir carbón grafítico poroso como fase estacionaria para la cromatografía líquida, se pueden analizar incluso glicanos no derivatizados. La detección se realiza aquí mediante espectrometría de masas, pero en lugar de MALDI -MS, se utiliza con más frecuencia la ionización por electrospray ( ESI ). [15] [16] [17]
Aunque la MRM se ha utilizado ampliamente en metabolómica y proteómica, su alta sensibilidad y respuesta lineal en un amplio rango dinámico la hacen especialmente adecuada para la investigación y el descubrimiento de biomarcadores de glucanos. La MRM se realiza en un instrumento de triple cuadrupolo (QqQ), que está configurado para detectar un ion precursor predeterminado en el primer cuadrupolo, un ion fragmentado en el cuadrupolo de colisión y un ion fragmento predeterminado en el tercer cuadrupolo. Es una técnica sin escaneo, en la que cada transición se detecta individualmente y la detección de múltiples transiciones ocurre simultáneamente en ciclos de trabajo. Esta técnica se está utilizando para caracterizar el glicoma inmunitario. [3] [18]
Tabla 1 : Ventajas y desventajas de la espectrometría de masas en el análisis de glicanos
Las matrices de lectinas y anticuerpos permiten realizar un cribado de alto rendimiento de muchas muestras que contienen glicanos. Este método utiliza lectinas naturales o anticuerpos monoclonales artificiales , ambos inmovilizados en un chip determinado e incubados con una muestra de glicoproteína fluorescente.
Las matrices de glicanos, como la que ofrecen el Consorcio para la Glicómica Funcional y Z Biotech LLC, contienen compuestos de carbohidratos que pueden analizarse con lectinas o anticuerpos para definir la especificidad de los carbohidratos e identificar ligandos.
El marcaje metabólico de los glicanos se puede utilizar como una forma de detectar las estructuras de los glicanos. Una estrategia bien conocida implica el uso de azúcares marcados con azida que pueden reaccionar mediante la ligación de Staudinger . Este método se ha utilizado para la obtención de imágenes in vitro e in vivo de los glicanos.
La cristalografía de rayos X y la espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) para el análisis estructural completo de glicanos complejos es un campo difícil y complejo. Sin embargo, la estructura del sitio de unión de numerosas lectinas , enzimas y otras proteínas que se unen a los carbohidratos ha revelado una amplia variedad de la base estructural para la función de los glicanos. La pureza de las muestras de prueba se ha obtenido mediante cromatografía ( cromatografía de afinidad, etc.) y electroforesis analítica ( PAGE (electroforesis de poliacrilamida) , electroforesis capilar , electroforesis de afinidad , etc.).