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3: Carbohidratos y glicanos - Biología

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3: carbohidratos y glicanos

Fundamentos de la glicobiología [Internet]

Definida en el sentido más amplio, la glicobiología es el estudio de la estructura, biosíntesis, biología y evolución de los sacáridos (cadenas de azúcar o glicanos) que se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza en todas las formas de vida vivientes. La glicobiología es ahora uno de los campos de más rápido crecimiento en las ciencias naturales, con amplia relevancia para muchas áreas de investigación básica, biomedicina y biotecnología. El campo incluye la química de los carbohidratos, la enzimología de la formación y degradación de glucanos, el reconocimiento de glucanos por proteínas específicas, las funciones de los glucanos en sistemas biológicos complejos y su análisis o manipulación mediante diversas técnicas. La tercera edición de este libro de texto primario en el campo continúa en la tradición anterior, buscando proporcionar una descripción básica de la glicobiología, dirigida al estudiante universitario avanzado o al estudiante de posgrado principiante de biología molecular y celular y biomedicina. Si bien se han hecho esfuerzos para evitar un aumento importante en la extensión general del texto, los cambios y mejoras sustanciales incluyen lo siguiente: un enfoque más amplio en todos los linajes de formas de vida en la naturaleza una gama más amplia de temas, que van desde la biología y la medicina hasta la química y la ciencia de los materiales Junta editorial internacional ampliada que representa una gama más amplia de experiencia Una gama más amplia de autores contribuyentes con experiencia en áreas específicas Nomenclatura de símbolos de monosacáridos muy ampliada para la representación de glucanos y mayor atención a la informática, y relevancia para la exploración de glucanos.

Copyright 2015-2017 por The Consortium of Glycobiology Editors, La Jolla, California. Reservados todos los derechos.


Funciones clave de los carbohidratos

(1). Una modificación postraduccional común y esencial para la viabilidad celular es la unión de glucanos, como se muestra en la Figura 1. La glucosilación define las propiedades adhesivas de los glucoconjugados y es principalmente a través de las interacciones entre glucanos y proteínas que se producen los contactos entre células y células y células y patógenos, un hecho que destaca la importancia de la glicobiología. Teniendo en cuenta el papel central que desempeñan los glucanos en los encuentros moleculares, los fármacos y terapéuticos basados ​​en glucoproteínas y carbohidratos representan un mercado de más de 20.000 millones de dólares.

(2). Glycomics, el estudio sistemático de todas las estructuras de glucanos en un sistema biológico, se basa en técnicas enzimáticas y analíticas efectivas para la correlación de la estructura de glucanos con la función.


Implementación

El "GlycanBuilder" se basa en un algoritmo de renderizado automático capaz de transformar una estructura de glicanos codificada por computadora en una representación pictórica determinada por la notación simbólica elegida. La estructura codificada se analiza primero y se transforma en un objeto de datos que almacena toda la información sobre el glucano (sacáridos, sustituyentes, modificaciones, enlaces, marcadores). Luego, el objeto de datos se representa en el medio de salida deseado utilizando un modelo gráfico que representa la notación simbólica de su elección. El proceso de renderizado es completamente automático: la ubicación espacial y el aspecto de los residuos depende solo de la notación simbólica. Esto significa que el "GlycanBuilder" se puede utilizar como un componente automatizado para mostrar estructuras de glicanos. Además, cuando se emplea el "GlycanBuilder" como herramienta de dibujo interactivo, esta característica libera al usuario de cualquier responsabilidad con respecto al dibujo y crea interfaces más rápidas y fáciles de usar.

El objeto interno que se utiliza para almacenar y gestionar información sobre los glucanos en el "GlycanBuilder" es una estructura de árbol cuyos nodos son los residuos de glucanos y cuyos bordes son sus enlaces. Cada nodo representa un objeto dibujable, un concepto ampliado de constituyente estructural que comprende: sacáridos, especificadores y marcadores de extremos reductores, sustituyentes y modificaciones de sacáridos. Los especificadores del extremo reductor se utilizan para identificar posibles modificaciones en el terminal del extremo reductor (o ninguna modificación). También se define un nodo especial para recopilar terminales de glucanos con enlaces no especificados, una forma común de describir estructuras con información topológica incompleta (como la estructura de la Figura 3). Este nodo de "corchete" no tiene padre y todos los terminales inciertos se almacenan como sus hijos.

La notación simbólica se representa en el modelo gráfico interno como un conjunto de reglas que gobiernan la posición de un residuo alrededor de su padre y el estilo de dibujo de residuos y enlaces. El algoritmo de renderizado utiliza estas reglas para decidir cómo representar gráficamente los nodos y los bordes del objeto de datos interno. El modelo gráfico se analiza a partir de un archivo de configuración que se puede actualizar fácilmente con nuevas notaciones. El modelo gráfico es una entidad separada del renderizador de glucanos y se puede intercambiar fácilmente para pasar de una notación a otra.

La salida del proceso de renderizado se puede redirigir a un componente gráfico para crear una interfaz de usuario. De este modo, el usuario puede interactuar con la estructura mostrada y solicitar modificaciones del objeto de glucano, que luego se vuelve a mostrar. Alternativamente, la salida se puede transformar en un mapa de bits o una imagen de gráfico vectorial, útil para mostrar los resultados de una búsqueda en una base de datos o con fines de publicación.

El proceso de procesamiento de glicanos se compone de tres fases. En primer lugar, cada residuo se coloca en una región espacial genérica alrededor de su nodo principal. En segundo lugar, el cuadro delimitador de cada residuo se calcula para optimizar la ocupación espacial de la estructura mostrada y para evitar colisiones entre nodos y bordes. Finalmente, los símbolos de residuos y enlaces se muestran utilizando las coordenadas proporcionadas por los cuadros delimitadores. Cada fase se realiza utilizando algoritmos recursivos que navegan por la estructura de árbol del glucano.

Posicionamiento

Durante la fase de posicionamiento, cada residuo se coloca en una región espacial genérica alrededor de su padre (Figura 4). Estas regiones se utilizan durante el cálculo de los cuadros delimitadores para decidir la alineación y la ubicación espacial de los hijos de cada residuo. Una posición se identifica por el ángulo relativo en el que se encuentra la región con respecto a la orientación del padre. La orientación de cada residuo es inicialmente la misma que la orientación global de la estructura (de derecha a izquierda, de izquierda a derecha, de abajo hacia arriba o de arriba hacia abajo) pero se puede cambiar en cada paso en consecuencia. con la posición seleccionada. Dos de las posiciones disponibles se denominan regiones "de borde": las posiciones de borde tienen tratamientos especiales, ocupan menos espacio y se dibujan solo cuando las posiciones de borde de texto se utilizan para mostrar sustituyentes y modificaciones.

Posiciones disponibles para un residuo alrededor de su padre. Durante la fase de posicionamiento del algoritmo de renderizado, cada residuo se coloca en una región espacial genérica alrededor de su padre. Estas regiones se utilizan durante el cálculo de los cuadros delimitadores para decidir la alineación y la ubicación espacial de los hijos de cada residuo. La posición se identifica por el ángulo relativo en el que se encuentra la región con respecto a la orientación del padre.

El algoritmo de posicionamiento navega de forma recursiva desde la raíz hasta las hojas de la estructura del árbol utilizando el conjunto de reglas en el modelo gráfico para decidir las posiciones de los hijos de cada nodo. Una regla de posicionamiento está compuesta por un operador coincidente y un conjunto de atributos. El operador de coincidencia identifica si una regla se aplica a un triplete compuesto por el residuo padre, el residuo hijo y el enlace. El operador de coincidencia es una función booleana constituida por condiciones lógicas combinadas utilizando operadores booleanos (y, o negación, paréntesis). Cada condición coincide con un determinado atributo principal, de enlace o hijo: tipo de residuo, posición de enlace, estado anomérico, posición del carbono anomérico o clase de residuo (por ejemplo, sacáridos, extremos reductores, paréntesis). Los atributos de una regla son: un conjunto de posibles posiciones para este residuo, una bandera que identifica si el residuo está en una región fronteriza, una bandera que identifica si la orientación del hijo es la misma que la del padre o debe rotar de acuerdo con la posición ángulo, una bandera que identifica si la posición es "pegajosa". Si una posición es "pegajosa", todos los hijos posteriores se colocan en la posición 0: de esta manera es posible forzar subárboles en regiones con un cambio de orientación para que se dibujen como secuencias, evitando así la creación de series en espiral. de residuos (Figura 5). Ejemplos de reglas de posicionamiento son:

Efecto del atributo "pegajoso". Esta figura muestra el efecto del atributo "pegajoso" en la colocación de residuos. Si una posición es "pegajosa", todos los hijos posteriores se colocan en la posición 0: de esta manera es posible forzar subárboles en regiones con un cambio de orientación para que se dibujen como secuencias (a), evitando así la creación de una serie de residuos en espiral (b). La estructura dibujada en esta figura no representa un glucano real.


Secuenciación de glicanos usando exoglucosidasas

El análisis enzimático de oligosacáridos usando exoglucosidasas altamente específicas, ya sea secuencialmente o en una matriz, es una técnica poderosa para determinar la secuencia y estructura de los glucanos. Las exoglucosidasas eliminan los carbohidratos terminales del extremo no reductor de un glicano, pero no rompen los enlaces internos entre los carbohidratos. Mediante el uso de exoglucosidasas posicionalmente específicas, los residuos de glicano eliminados pueden identificarse por enlace así como por azúcar. Por ejemplo, la β (1 → 4) galactosidasa eliminará los residuos de β-galactosa terminales unidos con un enlace (1 → 4) pero no los residuos unidos con un enlace (1 → 3) o (1 → 6). En la secuenciación de glucanos, la combinación de glucanos se separa en oligosacáridos individuales y cada glucano purificado se digiere secuencialmente con varias enzimas exoglucosidasas específicas de enlace. Figura 1 muestra un ejemplo de un esquema de digestión con exoglucosidasa para el análisis estructural de un glucano unido a N del complejo triantenario.

Figura 1. Enzimas exoglucosidasas comúnmente utilizadas para determinar la estructura de glicanos ligados a N por degradación secuencial.

La digestión con exoglucosidasa, cuando se combina con técnicas de separación de alto rendimiento como la cromatografía o la electroforesis, es un método rápido y rentable para la caracterización de oligosacáridos. Al incorporar la digestión enzimática con electroforesis capilar en gel, se puede dilucidar la secuencia de cada glicano en un conjunto liberado. Cuando la fluorescencia inducida por láser es el método de detección, se pueden secuenciar cantidades picomolares de glicoproteínas purificadas. 1

Se han utilizado exoglucosidasas en métodos de secuenciación con etiquetas fluorescentes unidas al extremo reductor de glicanos y separaciones por electroforesis en gel de poliacrilamida. Se ha demostrado que la secuenciación integral de glucanos (IGS) identifica información de secuencia completa en un solo experimento. IGS integra la digestión de exoglucosidasa con un paso de escisión química y permite la secuenciación rápida de glicosaminoglicanos. 2

Se han secuenciado cantidades picomolares de decasacáridos de heparina mediante espectroscopía de masas de ionización / desorción láser asistida por matriz (MALDI-MS) después de la secuenciación integral de glucanos. 3 Las técnicas MALDI-MS incorporadas con IGS son sensibles y precisas, detectando tan solo 100 femtomoles de oligosacáridos con un error de masa informado de ± 1 Dalton. 3

Además de la degradación secuencial de glucanos usando exonucleasas, se han informado métodos más nuevos que son capaces de análisis estructural de glucopéptidos sin desglicosilación. Temporini, et al., Han desarrollado un método automatizado que incorpora la digestión en línea de glicoproteínas utilizando pronasa inmovilizada y espectrometría de masas en tándem multietapa posterior (MS n). Esta técnica redujo el tiempo de análisis de 3 días a una hora. 4 Degucih, et al., Han informado el uso de una combinación de métodos de espectrometría de masas de disociación inducida por colisión de iones negativos (CID) y disociación de captura de electrones de iones positivos (ECD) en modo de iones positivos y negativos. Los resultados de la espectrometría de masas en tándem multietapa (MS n) se utilizaron para asignar estructuras de O-glicano unidas a péptidos, secuencias de péptidos y ubicación del sitio de glicosilación. 5


Funciones biológicas de los glucanos

Se sabe desde hace mucho tiempo que los carbohidratos simples y complejos (glicanos) desempeñan funciones metabólicas, estructurales y físicas importantes en los sistemas biológicos. La unión microbiana dirigida a los glucanos del huésped también se ha estudiado durante décadas. Pero tales roles biológicos solo pueden explicar parte de la notable complejidad y diversidad orgánica de los glucanos en la naturaleza. Al revisar el tema hace aproximadamente dos décadas, se pudieron encontrar muy pocos casos claros de roles biológicos específicos de reconocimiento de glucanos de los glucanos que fueran de valor intrínseco para el organismo que los expresaba. En notable contraste, ahora hay una gran cantidad de ejemplos, de modo que esta revisión actualizada no puede ser completa. En cambio, se presenta una descripción histórica, se describen principios generales y se citan algunos ejemplos, que representan diversos tipos de roles, mediados por varias clases de glucanos, en diferentes linajes evolutivos. Lo que permanece sin cambios es el hecho de que, si bien todas las teorías sobre los roles biológicos de los glucanos están respaldadas por evidencia convincente, se pueden encontrar excepciones para cada una. En retrospectiva, esto no es sorprendente. Los glucanos complejos y diversos parecen ser ubicuos para todas las células de la naturaleza y esenciales para todas las formas de vida. Así, & gt3 mil millones de años de evolución generaron consistentemente organismos que usan estas moléculas para muchas funciones biológicas clave, incluso cuando a veces las cooptan para funciones menores. En este sentido, los glucanos no son diferentes de otros componentes macromoleculares importantes de la vida (ácidos nucleicos, proteínas y lípidos), simplemente evolucionan más rápidamente y son complejos. Es hora de que las diversas funciones funcionales de los glucanos se incorporen por completo a la corriente principal de las ciencias biológicas.

Palabras clave: glicanos de la evolución de los roles biológicos.

© The Author 2016. Publicado por Oxford University Press. Reservados todos los derechos. Para obtener permisos, envíe un correo electrónico a: [email protected]

Cifras

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7 Re: Carbohidratos y glicobiología: el "tercer alfabeto de la vida" después del ADN y las proteínas Mié 08 de julio de 2015 6:11 pm

Otangelo

Glicanos: la tercera revolución en la evolución 1

El desarrollo y mantenimiento de un organismo complejo compuesto por billones de células es una tarea extremadamente compleja. A nivel molecular, todo proceso requiere estructuras moleculares específicas para realizarlo, por lo que es difícil imaginar cómo un aumento de menos de diez veces en el número de genes entre bacterias simples y eucariotas superiores permitió este salto cuántico en complejidad. En este artículo en perspectiva presentamos la hipótesis de que la invención de los glucanos supuso la tercera revolución en la evolución (siendo la aparición de ácidos nucleicos y proteínas las dos primeras), lo que permitió la creación de nuevas entidades moleculares que no precisan de una plantilla genética directa. A diferencia de las proteínas y los ácidos nucleicos, que se fabrican a partir de una plantilla de ADN directa, los glucanos son producto de una vía biosintética compleja afectada por cientos de factores genéticos y ambientales. Por lo tanto, los glicanos permiten una respuesta adaptativa a los cambios ambientales y, a diferencia de otras modificaciones epiproteómicas, que actúan como interruptores de encendido / apagado, la glicosilación contribuye significativamente a la estructura de la proteína y permite funciones novedosas. La importancia de la glicosilación es evidente por el hecho de que casi todas las proteínas inventadas después de la aparición de la vida multicelular están compuestas por partes tanto de polipéptidos como de glicanos.

LOS GLICANOS SON UNO DE LOS CUATRO GRUPOS PRINCIPALES DE MACROMOLECULAS

Los carbohidratos son uno de los cuatro grupos principales de macromoléculas biológicamente importantes que se pueden encontrar en todas las formas de vida. Tienen muchas características bioquímicas, estructurales y funcionales que podrían proporcionar una serie de beneficios evolutivos o incluso estimular o mejorar algunos eventos evolutivos. Durante la evolución, los carbohidratos sirvieron como fuente de alimento y energía, brindaron protección contra la radiación ultravioleta y los radicales libres de oxígeno y participaron en la estructura molecular de organismos complejos. Con el tiempo, los carbohidratos simples se volvieron más complejos a través del proceso de polimerización y desarrollaron funciones nuevas. De acuerdo con la teoría del origen único de la vida, llamada glico-mundo, se cree que los carbohidratos son las moléculas originales de la vida, que proporcionaron la base molecular para la evolución de todos los seres vivos. (Stern y Jedrzejas, 2008). La ribosa y la desoxirribosa son partes integrales de las moléculas de ARN y ADN y la celulosa (polímero de glucosa) es la molécula más abundante del planeta. También hay evidencia de las propiedades catalíticas de algunos carbohidratos (Del Valle, 2004) que apoyan aún más la teoría sobre la capacidad de los glicanos para permitir la evolución de la vida.

Los carbohidratos son esenciales para todas las formas de vida. , pero la mayor variedad de sus funciones se encuentra ahora en eucariotas superiores. La mayoría de las proteínas eucariotas se modifican mediante la unión cotraduccional y postraduccional de oligosacáridos complejos (glicanos) para generar la modificación epiproteómica más compleja: la glicosilación de proteínas. Se puede producir un gran número de glicanos diferentes variando el número, orden y tipo de unidades de monosacáridos. Los monosacáridos más abundantes que se pueden encontrar en el glicano animal son: fucosa (Fuc), galactosa (Gal), glucosa (Glu), manosa (Man), N-acetilgalactosamina (GalNAc), N-acetilglucosamina (GlcNAc), ácido siálico ( Sia) y xilosa (Xyl). Hay dos formas principales de modificación de proteínas con glucanos: O-glicosilación y N-glicosilación. En la O-glicosilación, el glicano se une al átomo de oxígeno (O) del aminoácido serina o treonina en la proteína. Otro tipo de glicosilación de proteínas es la N-glicosilación, donde el glicano se une al átomo de nitrógeno (N) del aminoácido asparagina en la proteína.

Las superficies de todas las células eucariotas están cubiertas por una capa gruesa de glucanos complejos adheridos a proteínas o lípidos. Muchas células de nuestro organismo pueden funcionar sin los núcleos, pero no se conoce ninguna célula viva que pueda funcionar sin glucanos en su superficie. Cualquier cosa que se acerque a la célula, ya sea una proteína, otra célula o un microorganismo, tiene que interactuar con la capa de glucano celular. (Gagneux y Varki, 1999 Varki y Lowe, 2009 Varki, 2011). Esta parece ser una regla universal ya que incluso en las esponjas, que son los organismos multicelulares más simples formados por células más o menos independientes, el reconocimiento entre células se basa en glucanos. (Misevic y Burger, 1993). Uno de los pasos críticos en la evolución de la multicelularidad fue la formación de matriz extracelular. (ECM Sachs, 2008 Hynes, 2012). La vida multicelular evolucionó de forma independiente varias veces durante la evolución y hay dos teorías principales sobre cómo se formó el grupo multicelular inicial de células. La primera teoría dice que las células individuales se unieron para crear colonias simbióticas, y otra teoría es que las células permanecieron juntas después de la división celular (Sachs, 2008). La aparición de la matriz extracelular permitió que este grupo inicial de células comenzara a funcionar como una unidad coordinada. La matriz extracelular tiene una gran importancia para los organismos multicelulares (Hynes, 2009). Tiene un papel en la señalización celular, la comunicación entre células, la adhesión celular y en la transmisión de señales del medio ambiente, y también proporciona soporte estructural para células, tejidos y órganos. La matriz extracelular juega un papel esencial en numerosos procesos fundamentales como la diferenciación, proliferación, supervivencia y migración de células. Los componentes principales de la ECM son las glicoproteínas y los proteoglicanos y las mismas moléculas son responsables de las propiedades funcionales de la ECM. (Hynes y Naba, 2012). La matriz extracelular evolucionó en paralelo con los primeros organismos multicelulares (Hynes, 2012), por lo tanto, los glucanos de la ECM temprana probablemente participaron en la evolución de los organismos multicelulares al permitir la comunicación entre las células y, por lo tanto, proporcionaron señales de cooperación y diferenciación.

Casi todas las proteínas de membrana y secretadas se modifican mediante la adición covalente de glucanos con una ocupación de sitio muy alta. La ausencia de glicosilación es embrionariamente letal.
Las partes de glucano de (gluco) proteínas son elementos integrales de la estructura molecular final y, junto con los aminoácidos en la estructura polipeptídica, forman una entidad molecular única que realiza funciones biológicas. A diferencia de otras modificaciones postraduccionales que generalmente funcionan como interruptores de encendido / apagado, la glicosilación genera grandes estructuras complejas con funciones más profundas. No se debe ignorar el papel de los glicanos en el proceso biológico, ya que gran parte del panorama se pierde cuando se estudian proteínas sin sus glicanos.

Dos grandes obstáculos en el estudio de los glucanos son su estructura química compleja no lineal y la ausencia de una plantilla genética directa. A diferencia de los polipéptidos, que son una traducción directa del gen correspondiente, los glucanos están codificados en una red dinámica compleja que comprende cientos de genes

LOS GLICANOS PROPORCIONAN EUCARIOTAS MÁS ALTAS CON VENTAJAS ÚNICAS

La glicosilación, como la modificación epiproteómica más compleja, otorga a los organismos superiores algunas ventajas únicas. Por ejemplo, la IgG es una de las armas más importantes de nuestro "arsenal", que nos permite luchar con éxito contra los microorganismos, a pesar de sus altas tasas de mutación y reproducción.

La proteína Notch es el actor principal en la vía de señalización Notch que desempeña un papel en el desarrollo adecuado de los organismos multicelulares. Notch es un receptor transmembrana compuesto por dominios extracelulares, transmembrana e intracelular. Tras la unión del ligando, el dominio intracelular se escinde y se recluta en el núcleo para regular la expresión de los genes diana.

LOS GLICANOS PERMITEN UNA ADAPTACIÓN EPIGENÉTICA DINÁMICA

Generalmente se asume que la aparición de ácidos nucleicos autorreplicantes (la primera revolución en la evolución) proporcionó la base para el desarrollo de la vida temprana. Luego, los ácidos nucleicos reclutaron aminoácidos para crear proteínas, que siguen siendo los principales efectores de la vida a nivel celular (la segunda revolución). Sin embargo, la integración de diferentes células en un organismo multicelular complejo requería una capa adicional de complejidad. Aquí proponemos que la invención de la glicosilación de proteínas (la tercera revolución) a través de su capacidad inherente para crear estructuras novedosas sin la necesidad de alterar la información genética permitió el desarrollo de la vida multicelular en su complejidad actual.

La mayor ventaja evolutiva que los glicanos confieren a los eucariotas superiores es la capacidad de crear nuevas estructuras sin introducir cambios en la preciosa herencia genética. En principio, todas las modificaciones postraduccionales permiten esto hasta cierto punto, pero la mayoría de ellas funcionan como simples interruptores moleculares de encendido / apagado. , mientras que los glicanos representan componentes estructurales importantes que contribuyen con hasta un 50% en masa e incluso mucho más al volumen molecular de muchas proteínas. El hecho de que partes tan grandes de la molécula no estén integradas en el genoma proporciona un mecanismo de adaptación epiproteómico rápido y extenso..

Se encuentra que un ejemplo del papel de la glicosilación en el proceso de adaptación es importante para la función de los espermatozoides de mamíferos y para el proceso de reproducción en sí. Los espermatozoides de mamíferos están enmascarados con azúcares sialilados para evitar el reconocimiento como células extrañas en el sistema reproductor femenino. Después de la adaptación exitosa de los espermatozoides al nuevo entorno, la eliminación de los residuos de ácido siálico de los glucanos de la superficie del esperma es el paso necesario en el proceso de maduración de los espermatozoides y el establecimiento de la interacción entre los espermatozoides y los óvulos. Otro ejemplo interesante de cómo la glicosilación de proteínas puede asegurar la adaptación y la supervivencia proviene del reino de las arqueobacterias.

Se ha informado que la regulación epigenética de la expresión génica es importante para la glicosilación de proteínas y esto podría explicar la estabilidad temporal observada de la glicina. Los estudios comparativos de la glicina en diferentes organismos son raros, pero indican tasas más altas de divergencia en los glicanos que en las proteínas o el ADN. Las interacciones establecidas a través de los glucanos no se limitan solo a las interacciones y la comunicación célula-célula que podrían haber jugado un papel importante en la evolución de las formas de vida multicelulares. Los glicanos también juegan un papel importante en la interacción entre diferentes organismos, incluidas las interacciones huésped-patógeno o las interacciones entre simbiontes. El efecto de la glicosilación sobre la composición de la microbiota intestinal humana ha sido bien examinado. Las bacterias simbióticas intestinales son muy importantes para los humanos, ya que ayudan en la digestión de los alimentos, producen algunas vitaminas y brindan protección contra las bacterias patógenas.. A cambio, las bacterias simbióticas utilizan moléculas de glucanos del huésped como receptores para la colonización del intestino y, además, los glucanos del huésped y de la dieta sirven como fuente de energía para las bacterias simbióticas. Se informa que las personas que no secretan glucanos de grupos sanguíneos en la mucosa intestinal tienen una cantidad y diversidad reducidas de bacterias probióticas en el intestino. A excepción de los alimentos, las bacterias simbióticas también usan azúcares que son muy abundantes en el intestino para la glicosilación de su superficie con el fin de escapar del sistema inmunológico humano. Además, la digestión de azúcares por bacterias simbióticas permite la activación del sistema de señalización que controla la patogenicidad de algunas bacterias no simbióticas. Sobre la base de estos hechos, se puede suponer con seguridad que Los glucanos juegan un papel importante en la evolución de la relación simbiótica entre los seres humanos y las bacterias intestinales.

En algunos sistemas biológicos, como por ejemplo los grupos sanguíneos AB0, los glucanos actúan como simples interruptores moleculares que introducen la variabilidad interindividual de las superficies celulares. En otros sistemas, como la glicosilación de inmunoglobulinas, permiten nuevas funciones fisiológicas, que no podrían realizarse sin esta compleja herramienta postraduccional. La glicosilación es particularmente compleja en el cerebro humano, pero las tecnologías actualmente disponibles no permiten un estudio detallado de este sistema tan intrincado. Dado que todas las células eucariotas están muy glicosiladas (a un costo metabólico significativo) y se están descubriendo mecanismos elaborados que regulan la glicosilación, proponemos que la invención de la glicosilación fue la tercera gran revolución en la evolución, que permitió el desarrollo de organismos multicelulares complejos.

Última edición por Admin el jueves 09 de julio de 2015 a las 4:24 pm editado 5 veces en total


Los autores declaran que la investigación se llevó a cabo en ausencia de relaciones comerciales o financieras que pudieran interpretarse como un posible conflicto de intereses.

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Palabras clave: glucanos, carbohidratos, glucoinmunología, proteína de unión a glucanos (GBP), biología química.

Cita: Macauley MS, Rademacher C y Mari & # x000F1o KV (2020) Editorial: Abordar las funciones de los glicanos en inmunología mediante biología química. Parte delantera. Chem. 8: 471. doi: 10.3389 / fchem.2020.00471

Recibido: 29 de abril de 2020 Aceptado: 06 de mayo de 2020
Publicado: 11 de junio de 2020.

Editado y revisado por: John D. Wade, Universidad de Melbourne, Australia

Copyright & # x000A9 2020 Macauley, Rademacher y Mari & # x000F1o. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la Licencia de atribución Creative Commons (CC BY). Se permite el uso, distribución o reproducción en otros foros, siempre que se acredite al autor (es) original (es) y al propietario (es) de los derechos de autor y se cite la publicación original en esta revista, de acuerdo con la práctica académica aceptada. No se permite ningún uso, distribución o reproducción que no cumpla con estos términos.


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Todos los datos de secuenciación profunda sin procesar están disponibles públicamente en http://ligacloud.ca/ con URL específicas de datos enumeradas en la Tabla complementaria 3. Las secuencias de ADN de las tres construcciones de fagos LiGA se depositaron en GenBank (MN865131, MN865132, MN872303). Todos los datos públicos de CFG se descargaron del sitio web de CFG utilizando un script Python automatizado como se describe en la sección Acceso a los datos de CFG. Se puede acceder a cada conjunto de datos manualmente en el sitio web de CFG en http://www.functionalglycomics.org/glycomics/publicdata/primaryscreen.jsp. Los datos originales se proporcionan con este documento.


Modulación del reconocimiento de glicanos por parches de sacáridos agrupados

2 Reconocimiento de glicanos por GBP

Las interacciones de glicanos con GBP son a menudo muy específicas, y cada tipo de estructura en el bosque de glicanos puede mediar interacciones específicas con ciertas GBP (revisado en Cohen y Varki, 2010). Aunque son muy específicas, estas interacciones suelen tener una afinidad débil (KD valores en rango micromolar a milimolar) (Collins y Paulson, 2004 Cummings y Esko, 2009 Varki, 1994). Los glicanos a menudo logran una unión biológicamente significativa a través de la avidez multivalente, y su interacción involucra a más de un par de socios en estrecha proximidad física. This review focuses on GBP interactions at the highest level of glycan complexity (the forest), which are not well represented by current analytical techniques, even by modern glycan microarrays. At this level of glycan complexity “clustered saccharide patches” (CSPs) can be formed by multiple glycans interacting with each other, with or without involvement of proteins or lipids. The spatial organization of glycans within such patches can influence the specificity of their interaction with GBPs.

The two major groups of GBPs are lectins and sulfated glycosaminoglycan-binding proteins ( Varki et al., 2009a ). This review will focus on lectins, but many of the principles discussed may apply to other types of GBPs. Lectin-binding specificity is often defined by the structure of the terminal glycan, the linkage to the underlying glycans, the structure of the underlying glycans, and the type of linkage (N- or O-) to the underlying protein/lipid ( Cummings and Esko, 2009 Varki, 1994 Varki et al., 2009a Weis and Drickamer, 1996 ). Lectin–glycan interactions are typically stabilized in two ways: by hydrogen bonding between amino acids in the carbohydrate-recognition domain (CRD) and the glycan hydroxyl groups, and by van der Waals packing of the hydrophobic glycan face against the aromatic amino acid side chain ( Weis and Drickamer, 1996 ). Because these interactions tend to be weak, multivalency is often required to generate biologically relevant binding ( Dam and Brewer, 2008 ). There are three different ways to achieve this: simple multivalency, spatial clustering of the GBPs, or clustering of the glycans into a saccharide patch.

The typical CRD of a GBP accommodates 1–4 monosaccharides ( Weis and Drickamer, 1996 ), in some cases simple multivalency of either the GBP or the glycans is sufficient to promote binding ( Fig. 3.1 A ). For example, the influenza hemagglutinin has a very low affinity, but high specificity for its sialylated glycan ligands. The multivalency of the hemagglutinin trimer and the large number and density of hemagglutinin molecules on the virus envelope together promote high avidity binding. In similar fashion, a precomplexing of recombinant soluble influenza hemagglutinins with antibodies is required for specific binding to glycans on microarrays ( Stevens et al., 2006 ). In many cases, the high-density presentation of glycans on a microarray is sufficient to allow binding of GBP ( Rillahan and Paulson, 2011 ). Another possible way to enhance carbohydrate–protein interactions is multivalent aggregation of the GBPs ( Fig. 3.1 B). For example, a pentamer of cholera toxin B subunit binds to ganglioside GM1 at a KD valor de

40 nM ( Kuziemko et al., 1996 Merritt et al., 1994 ). Experimental reports on avidity suggest that such multivalent interaction increase the binding affinity by a minimum of an order of magnitude compared to typical protein–carbohydrate interactions ( Kuziemko et al., 1996 ). A third potential way to enhance both affinity and specificity of GBP–glycan interactions is by binding to a “CSP,” in which several closely spaced saccharides interact to generate a specific recognition epitope (see Fig. 3.1 C–F for variations in this theme) ( Varki, 1994 ). This review focuses on this third aspect of GBP biology, which is currently poorly understood.

Figure 3.1 . Models of multivalent glycan binding to a carbohydrate recognition domain (CRD). (A) Simple multivalent binding of multiple proteins to multiple glycans. (B) Multimerization of glycan-binding proteins (GBPs) can significantly enhance the affinity for glycan binding. (C–F) Binding to a clustered saccharide patch (CSP) enhances both affinity and specificity of GBP–glycan interactions. CSP may be formed by multiple glycans located on a single (C), or several (D) proteins or lipids, or by a glycan-sulfate cluster (E), or a patch comprised of glycan and adjacent peptide sequence (F).


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