גליקוזילציה

גליקוזילציה היא התהליך האנזימטי הקושר קבוצת סוכר למולקולה אחרת. המולקולה השנייה יכולה להיות סוכר אחר ליצירת רב סוכר או חלבון או ליפיד. גליקוזילציה יוצרת את אחד מארבעת רכיבי היסוד הקיימים בכל התאים (יחד עם חומצות גרעין, חלבונים וליפידים). בנוסף, היא משמשת למודיפיקציה של חלבונים לאחר התרגום. רוב החלבונים המיוצרים ברשתית התוך-פלזמטית עוברים לאחר מכן גליקוזילציה.

 מטרה 
גליקוזילציה היא התהליך שבו פחמימה נקשרת בקשר קוולנטי למקרומולקולה מטרה, בדרך כלל חלבונים וליפידים. שינוי זה ממלא מגוון תפקידים. לדוגמה, ישנם חלבונים שאינם מתקפלים כראוי אלא אם כן הם עברו גליקוזילציה. במקרים אחרים, חלבונים אינם יציבים אלא אם כן הם מכילים אוליגוסכרידים הקשורים לחנקן האמידי של שיירי אספרגין מסוימים. ההשפעת של גליקוזילציה על הקיפול והיציבות של גליקופרוטאינים היא כפולה. ראשית, גליקנים המסיסים מאוד עשויים להשפיע באופן ישיר על היציבות הפיזיקוכימית. שנית, גליקנים הקשורים ל-N מתווכים נקודת בקרה קריטית לאיכות תהליך קיפול הגליקופרוטאין ברשתית האנדופלסמטית. לגליקוזילציה יש גם תפקיד בהידבקות תאית (מנגנון בו משתמשים תאי מערכת החיסון) באמצעות חלבוני קישור לסוכרים הנקראים לקטינים, המזהים קבוצות פחמימה מסוימות. גליקוזילציה היא פרמטר חשוב גם באופטימיזציה של תרופות רבות המבוססות על גליקופרוטאינים כמו נוגדנים חד שבטיים. בנוסף, גליקוזילציה מהווה את הבסיס למערכת קבוצות הדם ABO. נוכחותם או היעדרם של אנזימי גליקוזילטרנספראז  הם שקובעים אילו אנטיגנים של קבוצות דם יוצגו ובהתאם לכך – אילו נוגדנים יופקו. תפקיד אימונולוגי זה עשוי היה להניע את הגיוון של ההטרוגניות בגליקנים וליצור מחסום בפני מעבר נגיפים מבעלי חיים לאדם. נגיפים משתמשים לעיתים קרובות בגליקוזילציה כדי להסתיר את חלבוני הנגיף עצמם מזיהוי על ידי מערכת החיסון. דוגמה בולטת לכך היא מעטפת הגליקנים הצפופה שעל גבי החלבון הספייק של נגיף ה-HIV.

בסך הכל, יש להבין גליקוזילציה דרך לחצי הברירה האבולוציוניים שסביר כי עיצבו אותה. לפי מודל אחד, ניתן לראות את הגיוון כתוצאה ישירה של פונקציונליות פנימית (כגון הובלה תוך תאית). עם זאת, סביר יותר שהגיוון נוצר מתוך צורך להימנע ממנגנוני הדבקה של פתוגנים (למשל, היצמדות הליקובקטר  לשיירי סוכר קצה) ולאחר מכן מנוצל הגיוון הזה באופן פנימי בתוך האורגניזם הרב-תאי.

גליקוזילציה יכולה גם לווסת את היציבות התרמודינמית והקינטית של החלבונים.

 מגוון גליקופרוטאינים 

הגליקוזילציה מגבירה את המגוון בפרוטאום, מכיוון שכמעט כל היבט של גליקוזילציה יכול לעבור שינוי, כולל:
 קשר גליקוזידי - אתר הקישור הגליקני
 הרכב גליקנים - סוגי הסוכרים המקושרים לחלבון נתון
 מבנה גליקן - יכול להיות שרשראות סוכרים לא מסועפות או מסועפות
 אורך גליקן - יכול להיות אוליגוסכרידים קצרי שרשרת או ארוכים

 מנגנון 

קיימים מנגנונים שונים לגליקוזילציה, אם כי לרובם יש מספר מאפיינים משותפים:
 גליקוזילציה, בשונה מגליקציה , היא תהליך אנזימטי. למעשה, גליקוזילציה נחשבת לשינוי שלאחר התרגום המורכב ביותר, בשל מספרם הרב של השלבים אנזימטיים המעורבים בו.
 מולקולת התורם היא לרוב סוכר נוקלאוטידי  מופעל.
 התהליך אינו מבוסס על תבנית (בניגוד לשעתוק DNA או תרגום חלבונים); במקום זאת, התא מסתמך על חלוקת האנזימים למדורים תאיים שונים (כגון הרשתית האנדופלסמטית, או הציסטרנות במנגנון גולג'י). לכן, גליקוזילציה היא שינוי התלוי באתר מסוים.

 סוגים 
 גליקוזילצית-N 
גליקוזילציה מסוג N היא צורה נפוצה מאוד של גליקוזילציה והיא חשובה לקיפול של גליקופרוטאינים אאוקריוטיים רבים באאוקריוטים וכן לחיבור בין תא לתא ובין תא למטריצה החוץ-תאית. תהליך הגליקוזילציה מסוג N מתרחש באיקריוטים בלומן של הרשתית האנדופלסמטית והוא שכיח גם בארכאונים, אך נדיר מאוד בחיידקים. בנוסף לתפקידה בקיפול חלבונים ובהיצמדות תאית, הגליקנים הקשורים ב-N על חלבון יכולים לווסת את תפקודו, ובמקרים מסוימים אף לשמש כמתג הפעלה/כיבוי.

 גליקוזילצית-O. 
גליקוזילציה מסוג O היא צורה של גליקוזילציה המתרחשת באיקריוטים במנגנון גולג'י, אך מתרחשת גם בארכאונים ובחיידקים.

 פוספואסרין גליקוזילציה 
בספרות דווח על גליקנים מסוג קסילוז, פוקוז , מנוז ו-GlcNAc . פוקוז ו-GlcNAc נמצאו רק ב-Dictyostelium discoideum, מנוז נמצא ב-Leishmania mexicana וקסילוז ב-Trypanosoma cruzi. לאחרונה דווח על מציאות מנוז גם בחולייתן – בעכבר (Mus musculus) – על פני השטח של קולטן הלמינין התאי אלפא-דיסטרוגליקן. הוצע שממצא נדיר זה עשוי להיות קשור לכך שאלפא דיסטרוגליקן הוא חלבון שמור מאוד מהחולייתנים הנמוכים ועד ליונקים.

 C-מנוזילציה 
ממוזער|מולקולת המנוז מחוברת ל-C2 של הטריפטופן הראשון ברצף

מולקולת מנוז מתווספת לשייר הטריפטופן הראשון ברצף W–X–X–W (W מייצג טריפטופן; X מייצג כל חומצת אמינו). נוצר קשר CC  בין הפחמן הראשון של אלפא-מנוז לבין הפחמן השני של הטריפטופן. עם זאת, לא כל הרצפים בעלי דפוס זה עוברים מנוזילציה. נמצא שלמעשה, רק שני שלישים מהם עוברים מנוזילציה, ושקיימת העדפה ברורה לכך שחומצת האמינו השנייה תהיה אחת מהחומצות הקוטביות (Ser, Ala, Gly ו-Thr) כדי שהתהליך יתרחש. לאחרונה הושגה פריצת דרך בטכניקה לחיזוי אם לרמסוים יכיל אתר מנוזילציה או לא, המספקת דיוק של 93% לעומת דיוק של 67% אם ניקח בחשבון רק את מוטיב WXXW.

תרומבוספונדינים  הם אחד מסוגי החלבונים הנפוצים ביותר העוברים שינוי זה. עם זאת, קיימת קבוצת חלבונים נוספת העוברת C- מנוזילציה, קולטני ציטוקינים מסוג I.

C - מנוזילציה היא תופעה לא שגרתית משום שהסוכר נקשר לפחמן ולא לאטום פעיל כמו חנקן או חמצן. בשנת 2011 נקבע לראשונה מבנה הגביש של חלבון המכיל סוג זה של גליקוזילציה - רכיב 8 של מערכת המשלים האנושי. נכון להיום נקבע כי 18% מהחלבונים האנושיים, המופרשים והטרנסממברנליים, עוברים תהליך של C-מנוזילציה. מחקרים רבים הראו שתהליך זה ממלא תפקיד חשוב בהפרשת חלבונים המכילים טרומבוספונדינים מסוג 1 , אשר נשמרים ברשתית האנדופלסמטית אם אינם עוברים C-מנוזילציה. דבר זה מסביר מדוע סוג מסוים של קולטני ציטוקינים, קולטני האריתרופויאטין,  נשארים ברשתית האנדופלסמטית אם חסרים בהם אתרי C-מנוזילציה.
 יצירת עוגני GPI 
גליפיאציה  היא צורה מיוחדת של גליקוזילציה המתאפיינת ביצירת עוגן GPI. בגליקוזילציה מסוג זה, חלבון נקשר לעוגן ליפידי באמצעות שרשרת גליקן. (ראו גם פרנילציה .)

 גליקוזילציה כימית 

ניתן לבצע גליקוזילציה גם באמצעות הכלים של הכימיה האורגנית הסינתטית. בשונה מהתהליכים הביוכימיים, הגליקוכימיה הסינתטית מסתמכת במידה רבה על קבוצות מגן (למשל 4,6 - O- בנזילידן) על מנת להשיג את סלקטיביות מרחבית (regioselectivity) רצויה. אתגר נוסף בגליקוזילציה כימית הוא הסלקטיביות הסטריאוכימית, שכן לכל קשר גליקוזידי קיימות שתי תוצאות סטריאו אפשריות: α/β או ציס/טרנס. באופן כללי, הסינתזה של גליקוזיד מסוג α או ציס גליקוזיד היא מורכבת יותר. פותחו שיטות חדשות המבוססות על השתתפות הממס או על יצירת יוני סולפוניום דו-טבעתיים המשמשים כקבוצות עזר כיראליות.

 גליקוזילציה לא אנזימטית 

הגליקוזילציה הלא אנזימטית ידועה גם בשם גליקציה  או גליקציה לא אנזימטית. זהו תהליך ספונטני מסוג שינוי שלאחר התרגום (post-translational modification) של חלבונים, שמשמעותו היא שינוי המבנה והפעילות הביולוגית שלהם. מדובר בקשירה קוולנטית בין קבוצת הקרבוניל של סוכר מחזר (בעיקר גלוקוז ופרוקטוז) לבין שרשרת הצד  של חומצת האמינו בחלבון. בתהליך זה אין צורך בהתערבות של אנזים. הוא מתרחש בסמוך ולתוך תעלות מים ובשלוחות צינוריות בולטות.

בהתחלה, התגובה יוצרת מולקולות זמניות אשר בהמשך עוברות תגובות שונות (כגון שחלוף אמאדורי , תגובות שיף , תגובות מיילרד, קישרי צילוב ...) ויוצרות שיירים קבועים הידועים בשם תוצרי סיום גליקציה מתקדמים (AGEs – Advanced Glycation End-products)

תוצרי סיום גליקציה מתקדמים (AGEs) מצטברים בחלבונים חוץ-תאיים ארוכי-חיים כגון קולגן שהוא החלבון המסוכרר ביותר והנפוץ ביותר בבני האדם. בנוסף, מספר מחקרים הראו כי ליזין עשוי לעורר גליקוזילציה לא-אנזימטית ספונטנית.

 תפקידם של AGEs 
תוצרי סיום גליקציה מתקדמים (AGEs) אחראים לתופעות רבות. מולקולות אלו ממלאות תפקיד חשוב במיוחד בתזונה - הן אחראיות לצבע החום, לארומות ולטעמים של מאכלים מסוימים. הוכח כי בישול בטמפרטורות גבוהות גורם לכך שמוצרי מזון שונים מכילים רמות גבוהות של AGEs.

רמות גבוהות של AGEs בגוף משפיעות ישירות על התפתחותן של מחלות רבות. יש להן השפעה ישירה בסוכרת מסוג 2 שיכולה להוביל לסיבוכים רבים כגון: קטרקט, אי ספיקת כליות, ופגיעה בלב. בנוסף, כאשר רמות ה־AGEs נמוכות, האלסטיות של העור יורדת – וזהו סימן חשוב של הזדקנות.

הם גם מהוים חומרי מוצא של הורמונים רבים, ומווסתים ומשנים את מנגנוני הקולטנים שלהם ברמת ה-DNA.

 דה-גליקוזילציה 
קיימים אנזימים שונים שמסירים את הגליקנים מהחלבונים או מסירים חלק מסוים משרשרת הסוכר.
 α2-3,6,8,9-נוירמינידאז (מ-Arthrobacter ureafaciens ): מפרק את כל חומצות הסיאליות  המסועפות והלא מסועפות בקצה הלא-מחזר.
 β1,4-גלקטוזידאז (מסטרפטוקוקוס פנאומיונה): משחרר רק גלקטוז סופי לא מחזר, מסוג β1,4, מפחמימות מורכבות וגליקופרוטאינים.
 β-N- אצטילגלוקוזמינידאז (מסטרפטוקוקוס פנאומיונה): מפרק את כל שיירי N-אצטילגלוקוזאמין מסוג β בקצה הלא מחזר מפחמימות מורכבות וגליקופרוטאינים.
 אנדו- α-N-אצטילגלקטוסאמינידאז  (O- גליקוזידאז מסטרפטוקוקוס פנאומיונה): מסיר את הגליקוזילציה מסוג O. אנזים זה חותך Galβ1,3GalNAc לא מותמר המקושר לסרין או תריאונין.
 PNGase F  : חותך אוליגוסכרידים הקשורים לאספרגין אלא אם כן הם עוברים פוקוזילציה עם ליבת α1,3.

 וויסות מסלול האיתות של Notch 
איתות Notch  הוא מסלול איתות תאי שתפקידו, בין היתר, לשלוט בתהליך ההתמיינות של תאים מקדימים  שווי ערך. משמעות הדבר היא שהוא חיוני בהתפתחות העוברית, עד כדי כך שנבדק בעכברים כי הסרת גליקנים מחלבוני Notch עלולה לגרום למוות עוברי  או למומים באיברים חיוניים כמו הלב.

חלק מהמודולטורים הספציפיים השולטים בתהליך זה הם גליקוזילטרנספראזות  הממוקמות ברשתית האנדופלסמטית ובמנגנון גולג'י. חלבוני Notch עוברים דרך אברונים אלה בתהליך הבשלתם ויכולים להיות נתונים לסוגים שונים של גליקוזילציה: גליקוזילציה מסוג - N וגליקוזילציה מסוג-O (ליתר דיוק: גלוקוז מקושר ל-O ופוקוז מקושר ל-O).

כל חלבוני Notch עוברים שינויים מסוג O-פוקוז, משום שיש להם מאפיין משותף: רצפי קונצנזוס ל-O-פוקוזילציה. אחד המווסתים המתערבים בתהליך זה הוא הפרינג', גליקוזילטרנספראז שמשנה את ה-O-פוקוז כדי להפעיל או לבטל חלקים מהאיתות, ופועל כווסת חיובי או שלילי, בהתאמה.

 קליני 
ישנם שלושה סוגים של הפרעות בגליקוזילציה, הממוינות לפי סוג השינויים בתהליך הגליקוזילציה: שינויים מולדים, שינויים נרכשים ושינויים נרכשים לא אנזימטיים.
 שינויים מולדים: דווח על יותר מ-40 הפרעות מולדות של גליקוזילציה  (CGD) בבני אדם. ניתן לחלק אותן לארבע קבוצות: הפרעות בגליקוזילציה מסוג N,של חלבונים, הפרעות בגליקוזילציה מסוג O של חלבונים, הפרעות בגליקוזילציה של שומנים והפרעות במסלולי גליקוזילציה אחרים או במסלולים מרובים. לא ידוע על טיפול יעיל לאף אחת מההפרעות האלו. 80% מהן משפיעות על מערכת העצבים.
 שינויים נרכשים: בקבוצה השנייה ההפרעות העיקריות הן מחלות זיהומיות, מחלות אוטואימוניות או סרטן. במקרים אלו, השינויים בגליקוזילציה הם הגורם לאירועים ביולוגיים מסוימים. לדוגמה, בדלקת מפרקים שגרונית (RA), גוף החולה מייצר נוגדנים כנגד האנזים לימפוציטים גלקטוזילטרנספראז, אשר מעכב את הגליקוזילציה של IgG. לכן, השינויים בגליקוזילציה מסוג N גורמים לחוסר חיסוני הכרוך במחלה זו. בקבוצה השנייה ניתן למצוא גם הפרעות הנגרמות ממוטציות באנזימים השולטים בגליקוזילציה של חלבוני Notch, כגון תסמונת Alagille .
 שינויים נרכשים לא אנזימטיים: הפרעות לא אנזימטיות נרכשות גם הן, אך הן נגרמות עקב חוסר באנזימים שמצמידים אוליגוסכרידים לחלבון. בקבוצה זו המחלות הבולטות הן מחלת אלצהיימר וסוכרת.

כל המחלות הללו קשות לאבחון משום שהן לא משפיעות רק על איבר אחד, הן משפיעות על רבים מהם ובדרכים שונות. כתוצאה מכך, הן גם קשות לטיפול. עם זאת, הודות להתקדמות הרבה שהושגה בריצוף דור חדש, מדענים יכולים כעת להבין טוב יותר את ההפרעות הללו וגילו סוגים חדשים שלהפרעות מולדות בגליקוזילציה (CGDs).

 השפעות על יעילות טיפולית 

דווח כי גליקוזילציה ביונקים יכולה לשפר את היעילות הטיפולית של תרופות ביולוגיות . לדוגמה, יעילות טיפולית של אינטרפרון גמא אנושי  רקומביננטי, שמובא לידי ביטוי בפלטפורמת HEK 293, השתפרה מול תאי סרטן שחלות עמידים לתרופות.

ראו גם
 גליקציה

 הערות שוליים 

קטגוריה:ביוכימיה
קטגוריה:פחמימות