Glicosilación
Unión covalente y posterior modificación de residuos de carbohidratos a una molécula de sustrato

La glicosilación es la reacción en la que un carbohidrato (o " glicano "), es decir, un donante de glicosilo , se une a un hidroxilo u otro grupo funcional de otra molécula (un aceptor de glicosilo ) para formar un glicoconjugado . En biología (pero no siempre en química), la glicosilación generalmente se refiere a una reacción catalizada por enzimas, mientras que la glicación (también "glicación no enzimática" y "glicosilación no enzimática") puede referirse a una reacción no enzimática. [1]

La glicosilación es una forma de modificación co-traduccional y postraduccional . Los glicanos cumplen una variedad de funciones estructurales y funcionales en las proteínas de membrana y secretadas. [2] La mayoría de las proteínas sintetizadas en el retículo endoplasmático rugoso experimentan glicosilación. La glicosilación también está presente en el citoplasma y el núcleo como la modificación O -GlcNAc . La aglicosilación es una característica de los anticuerpos diseñados para evitar la glicosilación. [3] [4] Se producen cinco clases de glicanos:

Objetivo

La glicosilación es el proceso por el cual un carbohidrato se une covalentemente a una macromolécula objetivo , típicamente proteínas y lípidos . Esta modificación cumple varias funciones. [5] Por ejemplo, algunas proteínas no se pliegan correctamente a menos que estén glicosiladas. [2] En otros casos, las proteínas no son estables a menos que contengan oligosacáridos unidos en el nitrógeno amida de ciertos residuos de asparagina . La influencia de la glicosilación en el plegamiento y la estabilidad de la glicoproteína es doble. En primer lugar, los glicanos altamente solubles pueden tener un efecto de estabilización fisicoquímica directa. En segundo lugar, los glicanos N -ligados median un punto de control de calidad crítico en el plegamiento de la glicoproteína en el retículo endoplásmico. [6] La glicosilación también juega un papel en la adhesión de célula a célula (un mecanismo empleado por las células del sistema inmunológico ) a través de proteínas de unión a azúcar llamadas lectinas , que reconocen fracciones específicas de carbohidratos. [2] La glicosilación es un parámetro importante en la optimización de muchos fármacos basados ​​en glicoproteínas, como los anticuerpos monoclonales . [6] La glicosilación también sustenta el sistema de grupos sanguíneos ABO . Es la presencia o ausencia de glicosiltransferasas la que determina qué antígenos de grupos sanguíneos se presentan y, por lo tanto, qué especificidades de anticuerpos se exhiben. Esta función inmunológica bien puede haber impulsado la diversificación de la heterogeneidad de los glicanos y crea una barrera a la transmisión zoonótica de virus. [7] Además, los virus suelen utilizar la glicosilación para proteger la proteína viral subyacente del reconocimiento inmunológico. Un ejemplo significativo es el denso escudo de glicanos de la espícula de la envoltura del virus de la inmunodeficiencia humana . [8]

En general, la glicosilación debe entenderse a partir de las probables presiones de selección evolutiva que la han moldeado. En un modelo, la diversificación puede considerarse puramente como resultado de la funcionalidad endógena (como el tráfico celular). Sin embargo, es más probable que la diversificación esté impulsada por el mecanismo de evasión de la infección por patógenos (por ejemplo, la adhesión de Helicobacter a los residuos sacáridos terminales) y que la diversidad dentro del organismo multicelular se explote de manera endógena.

La glicosilación también puede modular la estabilidad termodinámica y cinética de las proteínas. [9]

Diversidad de glicoproteínas

La glicosilación aumenta la diversidad en el proteoma , porque casi todos los aspectos de la glicosilación se pueden modificar, incluidos:

  • Enlace glucosídico : el sitio de unión del glicano
  • Composición de glicanos: los tipos de azúcares que están vinculados a una proteína determinada.
  • Estructura del glicano: pueden ser cadenas de azúcares ramificadas o no ramificadas.
  • Longitud del glicano: pueden ser oligosacáridos de cadena corta o larga.

Mecanismos

Existen varios mecanismos de glicosilación, aunque la mayoría comparte varias características comunes: [2]

Tipos

norte-glicosilación ligada

La N -glicosilación es una forma muy frecuente de glicosilación y es importante para el plegamiento de muchas glicoproteínas eucariotas y para la unión célula-célula y célula- matriz extracelular . El proceso de N -glicosilación ocurre en eucariotas en el lumen del retículo endoplasmático y ampliamente en arqueas , pero muy raramente en bacterias . Además de su función en el plegamiento de proteínas y la unión celular, los glicanos N -ligados de una proteína pueden modular la función de una proteína, en algunos casos actuando como un interruptor de encendido/apagado.

Oh-glicosilación ligada

La glicosilación ligada a O es una forma de glicosilación que ocurre en eucariotas en el aparato de Golgi , [11] pero también ocurre en arqueas y bacterias .

Glicosilación de fosfoserina

En la literatura se han descrito los glicanos de xilosa , fucosa , manosa y fosfoserina GlcNAc . La fucosa y la GlcNAc se han encontrado solo en Dictyostelium discoideum , la manosa en Leishmania mexicana y la xilosa en Trypanosoma cruzi . Recientemente se ha descrito la manosa en un vertebrado, el ratón Mus musculus , en el receptor de laminina de la superficie celular alfa distroglicano 4. Se ha sugerido que este raro hallazgo puede estar relacionado con el hecho de que el alfa distroglicano está altamente conservado desde los vertebrados inferiores hasta los mamíferos. [12]

do-manosilación

La molécula de manosa está unida al C2 del primer triptófano de la secuencia.

Al primer residuo de triptófano en la secuencia W–X–X–W (W indica triptófano; X es cualquier aminoácido) se le añade un azúcar manosa , formándose un enlace CC entre el primer carbono de la alfa-manosa y el segundo carbono del triptófano. [13] Sin embargo, no todas las secuencias que presentan este patrón están manosiladas. Se ha establecido que, de hecho, sólo dos tercios lo están y que existe una clara preferencia por que el segundo aminoácido sea uno de los polares (Ser, Ala , Gly y Thr) para que se produzca la manosilación. Recientemente se ha producido un gran avance en la técnica de predecir si la secuencia tendrá o no un sitio de manosilación que proporciona una precisión del 93% frente al 67% de precisión si sólo consideramos el motivo WXXW. [14]

Las trombospondinas son una de las proteínas más comúnmente modificadas de esta manera. Sin embargo, existe otro grupo de proteínas que experimentan C -manosilación, los receptores de citocinas tipo I. [ 15 ] La C -manosilación es inusual porque el azúcar está unido a un carbono en lugar de a un átomo reactivo como el nitrógeno o el oxígeno . En 2011, se determinó la primera estructura cristalina de una proteína que contiene este tipo de glicosilación: la del componente 8 del complemento humano. [16] Actualmente se establece que el 18% de las proteínas humanas , secretadas y transmembrana, experimentan el proceso de C-manosilación. [14] Numerosos estudios han demostrado que este proceso juega un papel importante en la secreción de proteínas que contienen trombospondina tipo 1 que se retienen en el retículo endoplásmico si no experimentan C-manosilación [14] Esto explica por qué un tipo de receptores de citocinas , el receptor de eritropoyetina , permaneció en el retículo endoplásmico si carecía de sitios de C-manosilación. [17]

Formación de anclajes GPI (glipiación)

La glicosilación es una forma especial de glicosilación que se caracteriza por la formación de un ancla GPI . En este tipo de glicosilación, una proteína se une a un ancla lipídica a través de una cadena de glicano. (Véase también prenilación ).

Glicosilación química

La glicosilación también se puede efectuar utilizando las herramientas de la química orgánica sintética . A diferencia de los procesos bioquímicos, la glicoquímica sintética depende en gran medida de los grupos protectores [18] (por ejemplo, el 4,6- O -bencilideno) para lograr la regioselectividad deseada. El otro desafío de la glicosilación química es la estereoselectividad, ya que cada enlace glicosídico tiene dos resultados estereoscópicos, α/β o cis / trans . En general, el α- o cis -glicósido es más difícil de sintetizar. [19] Se han desarrollado nuevos métodos basados ​​en la participación de disolventes o la formación de iones de sulfonio bicíclicos como grupos auxiliares quirales. [20]

Glicosilación no enzimática

La glicosilación no enzimática, también conocida como glicación o glucosilación no enzimática, es una reacción espontánea y un tipo de modificación postraduccional de las proteínas, es decir, altera su estructura y actividad biológica. Es la unión covalente entre el grupo carbonilo de un azúcar reductor (principalmente glucosa y fructosa) y la cadena lateral de aminoácidos de la proteína. En este proceso no es necesaria la intervención de una enzima. Se lleva a cabo a través y cerca de los canales de agua y los túbulos protuberantes. [21]

En un primer momento, la reacción forma moléculas temporales que posteriormente sufren diferentes reacciones ( transformaciones de Amadori , reacciones de bases de Schiff , reacciones de Maillard , reticulaciones ...) y forman residuos permanentes conocidos como productos finales de glicación avanzada (AGEs).

Los AGE se acumulan en proteínas extracelulares de larga duración, como el colágeno [22] , que es la proteína más glicosilada y estructuralmente abundante, especialmente en los seres humanos. Además, algunos estudios han demostrado que la lisina puede desencadenar una glicosilación no enzimática espontánea. [23]

Papel de las AGE

Las AGE son responsables de muchas cosas. Estas moléculas juegan un papel importante especialmente en la nutrición, son responsables del color amarronado y de los aromas y sabores de algunos alimentos. Está demostrado que cocinar a altas temperaturas da como resultado varios productos alimenticios con altos niveles de AGE. [24]

Tener niveles elevados de AGEs en el organismo tiene un impacto directo en el desarrollo de muchas enfermedades. Tiene una implicación directa en la diabetes mellitus tipo 2 que puede derivar en muchas complicaciones como: cataratas , insuficiencia renal , daño cardíaco... [25] Y, si están presentes en un nivel disminuido, se reduce la elasticidad de la piel lo que es un síntoma importante del envejecimiento. [22]

También son precursores de muchas hormonas y regulan y modifican sus mecanismos receptores a nivel del ADN . [22]

Desglicosilación

Existen diferentes enzimas para eliminar los glicanos de las proteínas o eliminar alguna parte de la cadena de azúcar .

Regulación de la señalización Notch

La señalización Notch es una vía de señalización celular cuya función es, entre muchas otras, controlar el proceso de diferenciación celular en células precursoras equivalentes . [26] Esto significa que es crucial en el desarrollo embrionario, hasta el punto de que se ha probado en ratones que la eliminación de glicanos en las proteínas Notch puede resultar en muerte embrionaria o malformaciones de órganos vitales como el corazón. [27]

Algunos de los moduladores específicos que controlan este proceso son las glicosiltransferasas localizadas en el retículo endoplasmático y el aparato de Golgi . [28] Las proteínas Notch pasan por estos orgánulos en su proceso de maduración y pueden ser objeto de diferentes tipos de glicosilación: glicosilación ligada a N y glicosilación ligada a O (más específicamente: glucosa ligada a O y fucosa ligada a O). [26]

Todas las proteínas Notch son modificadas por una O-fucosa, porque comparten un rasgo común: las secuencias consenso de O-fucosilación . [26] Uno de los moduladores que intervienen en este proceso es Fringe, una glicosiltransferasa que modifica la O-fucosa para activar o desactivar partes de la señalización, actuando como regulador positivo o negativo, respectivamente. [28]

Clínico

Existen tres tipos de trastornos de la glicosilación clasificados según el tipo de alteraciones que se realizan en el proceso de glicosilación: alteraciones congénitas, alteraciones adquiridas y alteraciones adquiridas no enzimáticas.

  • Alteraciones congénitas: Se han descrito más de 40 trastornos congénitos de la glicosilación (CGD) en humanos. [29] Estos pueden dividirse en cuatro grupos: trastornos de la N -glicosilación de proteínas , trastornos de la O -glicosilación de proteínas, trastornos de la glicosilación de lípidos y trastornos de otras vías de glicosilación y de múltiples vías de glicosilación. No se conoce ningún tratamiento eficaz para ninguno de estos trastornos. El 80% de ellos afectan al sistema nervioso. [ cita requerida ]
  • Alteraciones adquiridas: En este segundo grupo las principales enfermedades son las infecciosas, las enfermedades autoinmunes o el cáncer . En estos casos, las alteraciones en la glicosilación son la causa de determinados eventos biológicos. Por ejemplo, en la Artritis Reumatoide (AR) , el organismo del paciente produce anticuerpos contra la enzima galactosiltransferasa de los linfocitos que inhibe la glicosilación de las IgG. Por tanto, las alteraciones en la N-glicosilación producen la inmunodeficiencia propia de esta enfermedad. En este segundo grupo también podemos encontrar trastornos causados ​​por mutaciones en las enzimas que controlan la glicosilación de las proteínas Notch, como el síndrome de Alagille . [28]
  • Alteraciones no enzimáticas adquiridas: Las alteraciones no enzimáticas, también son adquiridas, pero se deben a la falta de enzimas que fijan los oligosacáridos a la proteína. En este grupo destacan la enfermedad de Alzheimer y la diabetes . [30]

Todas estas enfermedades son difíciles de diagnosticar porque no afectan sólo a un órgano, sino a muchos de ellos y de diferentes maneras. Como consecuencia, también son difíciles de tratar. Sin embargo, gracias a los muchos avances que se han hecho en la secuenciación de nueva generación , los científicos ahora pueden comprender mejor estos trastornos y han descubierto nuevos CDG. [31]

Efectos sobre la eficacia terapéutica

Se ha informado que la glicosilación de mamíferos puede mejorar la eficacia terapéutica de los bioterapéuticos . Por ejemplo, la eficacia terapéutica del interferón gamma humano recombinante , expresado en la plataforma HEK 293 , mejoró contra líneas celulares de cáncer de ovario resistentes a fármacos. [32]

Véase también

  • Producto final de glicación avanzada  : proteínas o lípidos que se vuelven glicosilados como resultado de la exposición a azúcares.Páginas que muestran descripciones breves de los objetivos de redireccionamiento
  • Glicosilación química  : reacción de un donador y un aceptor de glicosilo
  • Fucosilación  : La unión covalente de un grupo fucosilo a una molécula aceptora.
  • Glicación  : unión de un azúcar a una proteína o lípido.
  • Glicorandomización  : tecnología que permite una rápida diversificación de moléculas

Referencias

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