Proteoglykane

Proteoglykane sind ein wichtiger Bestandteil der Extrazellulären Matrix, sind aber auch an der Zelloberfläche und in intrazellulären sekretorischen Granula lokalisiert.

Proteoglykane bilden eine Klasse von besonders stark glykosylierten Glykoproteinen (Makromoleküle, die aus einem Protein und einem oder mehreren kovalent gebundenen Glykosaminoglykanen bestehen). Diese Glykosaminoglykan-Ketten (GAG) sind lange, lineare Kohlenhydratgruppen, bestehend aus sich wiederholenden Disacchariden.

Funktion

Proteoglykane sind ein Hauptbestandteil der tierischen extrazellulären Matrix, die die Stabilisierung zwischen den Zellen eines Organismus bewerkstelligen. Hier bilden sie große Komplexe, sowohl zu anderen Proteoglykanen, als auch zu Hyaluronsäure, sowie zu Faserproteinen wie Kollagen. Sie sind außerdem an der Bindung von Kationen beteiligt und regulieren die Bewegung von Molekülen durch die Matrix. Es gibt Hinweise darauf, dass sie die Aktivität und Stabilität von Proteinen und Signalmolekülen innerhalb der Matrix beeinflussen können. Die Funktion des Proteoglykans kann teilweise dem Proteinkern oder der befestigten GAG-Kette zugeschrieben werden.

Bau und Struktur

Proteoglykane haben eine fedrige Struktur mit einer Hyaluronsäure als Kiel. Die „Seitenäste“ bestehen aus einem Kernprotein, das oft über hundert lineare Glykosaminoglykan-Ketten (GAG, modifizierte Kohlenhydratketten) kovalent gebunden hat.

Kleinere Oligosaccharide sind normalerweise über das Amid-N von Asparaginresten glykosidisch mit dem Kernprotein verbunden. Keratansulfat- und Chondroitinsulfat-Ketten sind glykosidisch mit dem Kernprotein verbunden via Oligosaccharide, welche kovalent mit Seitenketten O-Atomen von Serin- oder Threoninresten verbunden sind. Die zentrale Hyaluronsäure hat bis zu 100 Kernproteine gebunden, die wiederum je ca. 50 Keratansulfat-Ketten (mit bis zu 250 Dissaccharid-Einheiten) und ca. 100 Chondroitinsulfat-Ketten (mit bis zu 1000 Disaccharid-Einheiten) binden.

Proteoglykane sind negativ geladen und stark hydratisiert; sie werden auch häufig als saure Mucopolysaccharide bezeichnet.

Charakteristisch für die sehr heterogene Familie der Proteoglykane sind die am Proteinzentralfilament kovalent gebundenen polyanionischen Glykosaminoglykan-Ketten (GAG-Ketten). Diese setzen sich aus repetitiven Disaccharideinheiten zusammen, die über eine charakteristische Kohlenhydratbindungssequenz an das Zentralfilament kovalent gebunden sind.

Die Bindungsregion besteht aus der Tetrasaccharidsequenz:

Glukuronyl-β-(1→3)-Galaktosyl-β-(1→3)-Galaktosyl-β-(1→4)-Xylosyl-β-1-O-(Serin).

Die Disaccharideinheiten setzen sich aus einem N-Acetylhexosamin (N-Acetyl-glukosamin oder N-Acetylgalaktosamin) und einer Uronsäure (D-Glukuronsäure oder ihr C5-Epimer, die L-Iduronsäure) bzw. Galaktose zusammen. Diese Einheiten können mit Sulfamat- und Sulfatester-Gruppen modifiziert sein. Zu einer ausgeprägten Heterogenität bei den Glykosaminoglykanen führt sowohl die Variabilität im Ausmaß der Sulfatierung als auch der Grad der Epimerisierung.

Gruppierung von Proteoglykanen

Proteoglykane werden nach ihren Glykosaminoglykan-Ketten in verschiedene Gruppen eingeteilt:

• Heparansulfat-Proteoglykane
• Keratansulfat-Proteoglykane
• Chondroitinsulfat-Proteoglykane
• Dermatansulfat-Proteoglykane

Ein Proteoglykan kann auch mehr als einen Typ von Glykosaminoglykan-Ketten tragen; z. B. besitzt Aggrecan KS- und CS-Ketten. Außer den Glykosaminoglykan-Ketten tragen die Zentralfilamente zudem oft N- oder O-glykosidisch gebundene Oligosaccharide, wie sie auch in anderen Glykoproteinen vorkommen. Aufgrund der Größe des Proteinzentralfilaments werden die Proteoglykane der EZM in zwei Hauptgruppen, die großen und kleinen Proteoglykane, untergliedert. Wegen gemeinsamer struktureller Domänen werden die großen Proteoglykane unterteilt in Hyalektane (z. B. Aggrecan, Neurocan, Brevican, Versican und weitere), die einerseits Hyaluronsäure binden und andererseits das C-Typ-Lektin-Motiv enthalten, und in nicht hyaluronsäurebindende Proteoglykane (z. B. Perlecan, Agrin und andere). Zu den kleinen Proteoglykanen der EZM zählen die leucinreichen Proteoglykane (z. B. Decorin, Biglycan, Fibromodulin, Lumican und weitere).

Für Details der biologischen Funktion der Proteoglykane sei auf den Artikel zur extrazellulären Matrix (EZM) verwiesen.

Quellen

• S. Ayad, R.P. Boot-Hanford, M.J. Humphries, K.E. Kadler, C.A. Shuttleworth: The Extracellular Matrix (Facts Book). Academic Press (Harcourt Brace & Company, Publishers), Printed in Great Britain, S. 14 ff (1998), ISBN 0-12-068911-1