Heparán sulfato

O heparán sulfato (HS) é un heteropolisacárido lineal presente en todos os tecidos animais do grupo dos glicosaminoglicanos. Como está unido a proteínas aparece en forma de proteoglicanos, nos cales dúas ou tres cadeas de heparán sulfato contiguas se unen a proteínas da superficie celular ou da matriz extracelular. É en forma de proteoglicano como o heparán sulfato se une a diversos ligandos proteicos e regula unha ampla variedade de actividades biolóxicas, como procesos de desenvolvemento, anxioxénese, coagulación do sangue e metástase de tumores. O heparán sulfato serve de receptor celular para diversos virus como o virus respiratorio sincicial (Hallak et al. 2000).

 Proteoglicanos do heparán sulfato 
Na superficie celular os principais proteoglicanos do heparán sulfato son os sindecanos transmembrana e os glipicanos ancorados á superficie celular por enlace covalente co glicosilfosfatidilinositol (GPI). Outras formas menos comúns de proteoglicanos de membrana do heparán sulfato son o betaglicano e a isoforma V-3 do CD44 presente nos queratinocitos e monocitos activados.

Na matriz extracelular, especialmente nas membranas basais, as proteínas perlecano multidominio, agrina e coláxeno tipo XVIII son as principais especies que se unen ao heparán sulfato.

 Estrutura e diferenzas con respecto á heparina 
O heparán sulfato é un glicosaminoglicano cunha estrutura moi similar á da heparina. Ambos os dous consisten nunha unidade repetitiva dun disacárido variablemente sulfatado. As principais unidades disacáridas que aparecen no heparán sulfato e na heparina son as que se mostran abaixo nas imaxes. Tamén se mostra máis abaixo o significado das abreviaturas que se usarán para o nome das moléculas.

A unidade disacárida máis común no heparán sulfato está composta por ácido glicurónico (GlcA) unido á N-acetilglicosamina (GlcNAc), que xeralmente constitúen arredor do 50% do total das unidades de disacárido. En comparación, a heparina do pulmón de boi ten un 85 % da unidade IdoA(2S)-GlcNS(6S), e as heparinas da mucosa intestinal porcina teñen un 75%. Porén, preséntase un problema cando se queren definir os glicosaminoglicanos híbridos, que conteñen tanto estruturas do tipo da heparina coma do tipo do heparán sulfato. Suxeriuse que estes híbridos deberían denominarse heparina só en caso de que o seu contido en grupos N-sulfato supere claramente o de grupos N-acetil e a concentración de grupos O-sulfato exceda a de grupos N-sulfato.

Aínda que non se mostran nas imaxes de máis abaixo, poden presentarse tamén unidades disacáridas que conteñan glicosamina con sulfatación 3-O (GlcNS(3S,6S) ou un grupo amino libre (GlcNH3+). En condicións fisiolóxicas os grupos éster e amida sulfato están desprotonados e atraen ións cargados positivamente para formar sales. Nesta forma é como se cre que se encontra o heparán sulfato na superficie celular.

 Abreviaturas 

 GlcA = β-L-ácido glicurónico
 IdoA = α-L-ácido idurónico
 IdoA(2S) = ácido 2-O-sulfo-α-L-idurónico
 GlcNAc = 2-desoxi-2-acetamido-α-D-glicopiranosil
 GlcNS = 2-desoxi-2-sulfamido-α-D-glucopiranosil
 GlcNS(6S) = 2-desoxi-2-sulfamido-α-D-glicopiranosil-6-O-sulfato

 Biosíntese do heparán sulfato 
As cadeas de heparán sulfato prodúcense en moitos tipos de células e con moi diferentes estruturas primarias. Por tanto, hai tamén unha grande variabilidade no modo en que ditas cadeas se sintetizan. Porén, o máis esencial para a formación do heparán sulfato en relación coa súa estrutura primaria son os encimas que interveñen, que son múltiples glicosiltransferases, sulfotransferases e unha epimerase, os cales tamén interveñen na síntese de heparina.

Moitos destes encimas foron purificados, clonados molecularmente e foron estudados os seus patróns de expresión. Fixéronse estudos nun sistema libre de células de mastocistoma de rato sobre as rutas biosintéticos do heparán sulfato/heparina que permitiron coñecer moitos datos sobre a orde das reaccións encimáticas e a súa especificidade.

 Iniciación da cadea 
A síntese do heparán sulfato comeza coa transferencia, catalizada pola xilosiltransferase (XT), de xilosa desde a UDP-xilosa a un residuo específico de serina da proteína base. Despois complétase a formación dun tetrasacárido de unión á proteína coa unión de dous residuos de galactosa (Gal) catalizada polas galactosiltransferases I e II (GalTI e GalTII), e un residuo de ácido glicurónico (GlcA) catalizada pola glicuronosiltransferase I (GlcATI), orixinando o tetrasacárido βGlcA-1,3-βGal-1,3-βGal-1,4-βXyl unido á proteína.

A unión da xilosa á proteína parece que ocorre no retículo endoplasmático, e a ensamblaxe posterior da rexión de unión (o tetrasacárido) e do resto da cadea ocorre no aparato de Golgi.

A ruta biosintética do heparán sulfato/heparina, do condroitín sulfato e do dermatán sulfato diverxen a partir da formación da estrutura de unión (tetrrasacárido), que é común en todos eles. Os seguintes encimas en actuar, a GlcNAcT-I ou a GalNAcT-I, dirixen a síntese, respectivamente, do heparán sulfato/heparina e do condroitínsulfato/dermatán sulfato.

 Elongación da cadea 
Despois da unión da primeira N-acetilglicosamina (GlcNAc) a elongación a partir do tetrasacárido de unión continúa coa adición paso a paso de residuos de ácido glicurónico e N-acetilglicosamina, que son transferidos desde nucleótidos UDP-azucre. Isto está catalizado por un ou varios encimas relacionados cuxos xenes pertencen á familia de xenes da exostose (EXT) de supresores de tumores.

Nos humanos as mutacións nos loci dos xenes EXT1-3 causa a incapacidade das células de producir heparán sulfato e o desenvolvemento da enfermidade exostose múltiple hereditaria (MHE). Esta doenza caracterízase pola formación de tumores cubertos de cartilaxe, chamados osteocondromas ou exostoses, que se desenvolven inicialmente nos ósos longos dos individuos afectados e que aparecen desde a infancia á puberdade. Aínda que as exostoses son benignas, pode ser necesaria a cirurxía para aliviar complicacións como a dor articular ou a restrición de movementos.

 Modificación da cadea 
Consonte a cadea se polimeriza, sofre unha serie de modificacións levadas a cabo por catro clases de sulfotransferases e unha epimerase. A dispoñibilidade do doante de sulfatos PAPS é esencial para a actividade das sulfotransferases.

 N-desacetilación/N-sulfatación 
A primeira modificación do polímero é a N-desacetilación/N-sulfatación de residuos de N-acetilglicosamina á forma sulfatada GlcNS. Isto é un prerrequisito para todas as subseguintes reaccións de modificación, e lévano a cabo un ou máis membros dunha familia de catro encimas "N-acetilglicosamina N-desacetilase/N-sulfotransferase" (NDSTs). Nos primeiros estudos realizados, observouse que os encimas modificadores podían recoñecer e actuar sobre calquera residuo N-acetilado do polímero en formación. Por tanto, a modificación de residuos de N-acetilglicosamina debería ocorrer aleatoriamente por toda a cadea. Porén, no heparán sulfato, os residuos N-sulfatados están principalmente agrupados e separados por rexións de N-acetilación nas que a N-acetilglicosamina permanece sen modificar.

 Xeración da GlcNH2 
Debido a que as actividades de N-desacetilase e de N-sulfotransferase as leva a cabo o mesmo encima, a N-sulfatación está normalmente combinada coa N-desulfatación. Na heparina e nalgunhas especies de heparán sulfato atopáronse residuos de GlcNH2 orixinados polo aparente desaxuste entre as dúas actividades.

 Epimerización e sulfatación 2-O 
A epimerización está catalizada por un só encima, a ácido glicurónico C5 epimerase ou heparosán-N-sulfato-glicuronato 5-epimerase (co número EC 5.1.3.17). Este encima epimeriza o ácido glicurónico a ácido idurónico (IdoA). O recoñecemento de substrato require que estea N-sulfatado o residuo de GlcN unido ao lado non redutor dun ácido glicurónico diana potencial. O encima uronosil-2-O-sulfotransferase (2OST) sulfata os residuos resultantes de ácido idurónico.

 Sulfatación 6-O 
Foron identificadas tres glicosaminil 6-O-transferases (6OSTs) que orixinan a formación de GlcNS(6S) adxacente a un ácido idurónico sulfatado ou non sulfatado. A GlcNAc(6S) tamén se atopa nas cadeas maduras de heparán sulfato.

 Sulfatación 3-O 
Actualmente coñécense sete glicosaminil 3-O-sulfotransferases (3OSTs) en mamíferos e oito no peixe cebra http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/17195182http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=3OST6%20xu. Os encimas 3OST crean varios posibles disacáridos con sulfatación 3-O, como a GlcA-GlcNS(3S±6S) (modificado por 3OST1 e 3OST5), IdoA(2S)-GlcNH2(3S±6S) (modificado por 3OST3a, 3OST3b, 3OST5 e 3OST6) e GlcA/IdoA(2S)-GlcNS(3S) (modificado por 3OST2 e 3OST4) Shukla, D., Liu, J., Blaiklock, P., Shworak, N.W., Bai, X., Esko, J.D., Cohen, G.H., Eisenberg, R.J., Rosenberg, R.D. and Spear, P.G. (1999). "A Novel Role for 3-O-Sulfated Heparan Sulfate in Herpes Simplex Virus 1 Entry." Cell 99: 13-22.Xia, G., Chen, J., Tiwari, V., Ju, W., Li, J.P., Malmstrom, A., Shukla, D. and Liu, J. (2002). "Heparan Sulfate 3-O-Sulfotransferase Isoform 5 Generates Both an Antithrombin-binding Site and an Entry Receptor for Herpes Simplex Virus, Type 1." The Journal Biological Chemistry 277(40): 37912-37919.Xu, D., Tiwari, V., Xia, G., Clement, C., Shukla, D. and Liu, J. (2005). "Characterization of heparan sulphate 3-O-sulphotransferase isoform 6 and its role in assisting the entry of herpes simplex virus type 1." Biochemistry Journal 385: 451-459.Lawrence, R., Yabe, T., HajMohammadi, S., Rhodes, J., McNeely, M., Liu, J., Lamperti, E.D., Toselli, P.A., Lech, M., Spear, P.G., Rosenberg, R.D. and Shworak, N.W. (2007). "The principal neuronal gD-type 3-O-sulfotransferases and their products in the central and peripheral nervous system tissues." Matrix Biology 26: 442-455.. Igual que todas as demais sulfotransferases do heparán sulfato, as 3OSTs utilizan o 3'-fosfoadenosina-5'-fosfosulfato (PAPS) como doante de sulfatos. A pesar de ser a familia máis grande de encimas modificadores do heparán sulfato, as 3OSTs producen as modificación máis raras do heparán sulfato, a sulfatación 3-O de residuos específicos de glicosamina nun resto C3-OH Shworak, N.W., HajMohammadi, S., de Agostini, A.I. and Rosenberg, R.D. (2003). "Mice deficient in heparan sulfate 3-O-silfotransferase-1: Normal hemostasis with unexpected perinatal phenotypes." Glycoconjugate Journal 19(4-5): 355-361..

Os encimas 3OSTs divídense en dúas subcategorías funcionais: os que xeran un sitio de unión de antitrombina III (3OST1 e 3OST5), e os que xeran un sitio de unión para a glicoproteína D do virus herpes simplex 1 (HSV-1 gD) (3OST2, 3OST3a, 3OST3b, 3OST4, 3OST5 e 3OST6) Liu, J., Shworak, N.W., Fritze, L.M.S., Edelberg, J.M. and Rosenberg, R.D. (1996). "Purification of Heparan Sulfate D-Glucosaminyl 3-O-Sulfotransferase." The Journal Biological Chemistry 271(43): 27072-27082.Shworak, N.W., Liu, J., Fritze, L.M.S., Schwartz, J.J., Zhang, L., Logeart, D. and Rosenberg, R.D. (1997). "Molecular Cloning and Expression of Mouse and Human cDNAs Encoding Heparan Sulfate D-Glucosaminyl 3-O-Sulfotransferase." The Journal Biological Chemistry 272(44): 28008-28019.Shworak, N.W., Liu, J., Petros, L.M., Zhang, L., Kobayashi, M., Copeland, N.G., Jenkins, N.A. and Rosenberg, R.D. (1999). "Multiple Isoforms of Heparan Sulfate D-Glucosaminyl 3-O-Sulfotransferase." The Journal Biological Chemistry 274(8): 5170-5184.Chen, J., Duncan, M.B., Carrick, K., Pope, R.M. and Liu, J. (2003). "Biosynthesis of 3-O-sulfated heparan sulfate: unique substrate specificity of heparan sulfate 3-O-sulfotransferase isoform 5." Glycobiology 13(11): 785-794.Duncan, M.B., Chen, J., Krise, J.P. and Liu, J. (2004). "The biosynthesis of anticoagulant heparan sulfate by the heparan sulfate 3-O-sulfotransferase isoform 5." Biochimica et Biophysica Acta 1671: 34-43.Chen, J. and Liu, J. (2005). "Characterization of the structure of antithrombin-binding heparan sulfate generated by heparan sulfate 3-O-sulfotransferase 5." Biochimica et Biophysica Acta 1725: 190-200.Girardin, E.P., HajMohammadi, S., Birmele, B., Helisch, A., Shworak, N.W. and de Agostini, A.I. (2005). "Synthesis of Anticoagulantly Active Heparan Sulfate Proteoglycans by Glomerular Epithelial Cells Involves Multiple 3-O-Sulfotransferase isoforms and a Limiting Precursor Pool." The Journal Biological Chemistry 280(45): 38059-38070.. Como as 3OSTs son a maior familia de encimas modificadores do heparán sulfato e as súas accións son limitantes para a velocidade, son específicos de substrato e producen modificacións raras, tense hipotetizado que o heparán sulfato modificado por 3OST xoga un importante papel regulador nos procesos biolóxicos .

 Unión aos ligandos 
 Interferón-γ 
A rexión de unión receptora do interferón-γ da superficie celular solápase coa rexión de unión do heparán sulfato, preto do extremo C-terminal da proteína. Cando se une o heparán sulfato, bloquea o sitio de unión dese receptor e como resultado, os complexos proteína-heparán sulfato son inactivos.

Foron tamén estudadas as propiedades de unión ao heparán sulfato das seguintes proteínas:
 Antitrombina III
 Factores de crecemento dos fibroblastos
 Factor de crecemento do hepatocito
 Interleucina-8
 Factor de crecemento endotelial vascular
 Wnt/Wingless
 Endostatina

 Notas 

 Véxase tamén 
 Outros artigos 
 glicosaminoglicanos
 heparina

 Ligazóns externas 
 Exostose

Categoría:Carbohidratos
Categoría:Polisacáridos
Categoría:Glicosaminoglicanos