Die Glykobiologie ist die Untersuchung der Struktur, Funktion und Biologie von Glykanen — den komplexen Kohlenhydraten, die Zelloberflächen bedecken und Proteine sowie Lipide modifizieren. Glykane sind essenziell für die Zell-Zell-Kommunikation, Immunerkennung, Proteinfaltung und viele andere biologische Prozesse.

Glykosylierung

Glykosylierung ist die enzymatische Anheftung von Glykanen an Proteine oder Lipide. Sie ist die häufigste und vielfältigste posttranslationale Modifikation; es wird geschätzt, dass über die Hälfte aller menschlichen Proteine glykosyliert sind. Die Glykosylierung findet hauptsächlich im endoplasmatischen Retikulum und im Golgi-Apparat statt.

N-Glykosylierung

N-Glykane werden an den Amidstickstoff von Asparaginresten innerhalb der Konsensussequenz Asn-X-Ser/Thr gebunden, wobei X jede beliebige Aminosäure außer Prolin sein kann. Der Prozess beginnt im ER mit der Übertragung eines vormontierten 14-Zucker-Vorläufer-Oligosaccharids von einem Dolicholphosphat-Träger auf das naszierende Polypeptid. Dieser Vorläufer wird dann beschnitten und modifiziert, während sich das Glykoprotein durch das ER und den Golgi bewegt.

N-Glykane teilen eine gemeinsame Kernstruktur aus zwei N-Acetylglucosamin- und drei Mannoseresten. Sie werden in drei Typen eingeteilt: Hochmannose-, komplexe und hybride, je nach Bearbeitungsgrad. Komplexe N-Glykane enden oft mit Sialinsäure-, Galactose- oder Fucose-Resten.

O-Glykosylierung

O-Glykane werden an den Hydroxylsauerstoff von Serin- oder Threoninresten gebunden. Anders als bei der N-Glykosylierung werden O-Glykane einen Zucker nach dem anderen aufgebaut, beginnend mit N-Acetylgalactosamin im Golgi-Apparat. Es gibt keine Konsensussequenz für die O-Glykosylierung, jedoch werden Regionen, die reich an Serin, Threonin und Prolin sind, bevorzugt.

O-Glykane finden sich auf Mucinen, stark glykosylierten Proteinen, die die Atemwege, den Verdauungstrakt und den Fortpflanzungstrakt auskleiden. Diese Mucine sorgen für Schmierung und Schutz vor Krankheitserregern. Die O-GlcNAc-Modifikation, die Anheftung eines einzelnen N-Acetylglucosamins an Serin oder Threonin, findet im Zellkern und Cytoplasma statt und fungiert als Nährstoffsensor analog zur Proteinphosphorylierung.

Glykoproteine und Proteoglykane

Glykoproteine tragen ein oder mehrere Glykane, die an ihr Polypeptidrückgrat gebunden sind. Die Glykane beeinflussen die Proteinstruktur, Faltung, Stabilität, den Transport und die Rezeptorbindung. Die ABO-Blutgruppenantigene werden durch spezifische Glykanstrukturen auf Glykoproteinen der Erythrozytenoberfläche bestimmt.

Proteoglykane bestehen aus einem Kernprotein mit einer oder mehreren kovalent gebundenen Glycosaminoglycan-Ketten wie Heparansulfat, Chondroitinsulfat oder Keratansulfat. Sie sind Hauptbestandteile der extrazellulären Matrix, wo sie strukturelle Unterstützung bieten, Wachstumsfaktor-Signale regulieren und die Zelladhäsion modulieren.

Glykane in der Zell-Zell-Erkennung

Glykane auf der Zelloberfläche fungieren als Erkennungsmarker in der interzellulären Kommunikation. Selektine auf Endothelzellen binden an Sialyl-Lewis-X-Antigene auf Leukozyten und vermitteln die Rolladhäsion, die Immunzellen zu Entzündungsherden bringt. Glykanveränderungen treten auf der Oberfläche von Krebszellen auf und korrelieren oft mit metastatischem Potenzial und Immunumgehung.

Lektine

Lektine sind kohlenhydratbindende Proteine, die spezifische Glykanstrukturen erkennen. Sie vermitteln Zell-Zell-Adhäsion, intrazellulären Transport und Immunantworten. Pflanzliche Lektine wie Concanavalin A und Weizenkeimagglutinin werden häufig als Forschungsinstrumente eingesetzt. Galectine und C-Typ-Lektine sind wichtige Säugetier-Lektinfamilien, die an der Immunregulation und Entwicklung beteiligt sind.