Sacharidy a glykobioinformatika Význam sacharidů Aplikovaná bioinformatika, Jaro 2016 ZÁKLADNÍ FUNKCE CUKRŮ Red_Bl1 Nosič informace Strukturní role Zdroj energie ANd9GcTayYbrDlNg-VN1KaLe3CJshbPQD2x4zC-WZp4eJRlfPzrHXW3D ANd9GcQdhaVqwoWOK97q9eNw9RvJKaRnkX5DYvB6QUgDTerKc8acNF9X Sacharosa, glukosa,... Krevní skupiny,... Celulosa, chitin... CUKRY – ZDROJ ENERGIE ANd9GcQLSL8Osqd2ubtksyrZZHF9TAVSmVhrfrJy0GedEgABclgnNMzRZQ ANd9GcQh7yNsTJZ26_wciZrPllCbCUL0ZJhUjuZG8NfV0oX-O4mFS56Z ANd9GcSM9XwLAI6LiZU_I65fV4Cjd1qNR74Yl27ROskTcZVXZ4EY3Sh1 ANd9GcSrrM5lzhs0ULniJaRxNSmAxjlAKLmt7UFlP34Oawbcu8knJwMeKw Řepa cukrová (Beta vulgaris) Cukrová třtina (Saccharum officinarum) http://www.e-nadobi.cz/Fotografie/Zbozi/Original/652602.jpg http://www.vltava2000.cz/shops/8849/images-goods/kandys%20sv%C4%9Btl%C3%BD.jpg CUKRY – ZDROJ ENERGIE Základní pojmy z biochemie, V. Mikeš, Katedra biochemie PřF Masarykovy Univerzity v Brně, 2. doplněné vydání 2001 Sacharosa (α-D-glukopyranosyl- β-D-fruktofuranosid hydrolýza CUKRY – STAVEBNÍ MATERIÁL https://public.ornl.gov/site/gallery/originals/Fig2_Cellulose_Structure_a.jpg Celulosa CUKRY – STAVEBNÍ MATERIÁL Chitin Alginát http://web.virginia.edu/Heidi/chapter7/Images/8883n07_29.jpg http://web.virginia.edu/Heidi/chapter7/Images/8883n07_29.jpg http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/8/8e/Kelp-forest-Monterey.jpg/220px-Kelp-forest -Monterey.jpg http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/biomol/imagenes/glucido/mariquita.jpg http://recepty.mraveniste.cz/pcs/pcs_ingredience/humr-recepty-humrove.jpg VÝSKYT CUKRŮ V BUŇCE •Jádro – součást nukleových kyselin (ribosa, deoxyribosa) •Cytosol – volné monosacharidy •Endoplasmatické retikulum, Golgiho aparát – glykované proteiny •Buněčná stěna – vázané oligo a polysacharidy •Glykokalix – polysacharidy, glykolipidy •... http://www.griffith.edu.au/__data/assets/image/0003/24780/glycome.jpg •Glykom – soubor všech sacharidů přítomných v/na buňkách určitého organismu ve volné či vázané podobě VÝSKYT CUKRŮ V BUŇCE Buňka Protein Lipid Glykany •Kovalentně vázané cukry (monosacharidy, oligosacharidy) se nacházejí na povrchu všech buněk. •Jsou součástí mnoha makromolekul. •Mohou se v buňce nacházet i samostatně. Buňka Protein Lipid •Kovalentně vázané cukry (monosacharidy, oligosacharidy) se nacházejí na povrchu všech buněk. •Jsou součástí mnoha makromolekul. •Mohou se v buňce nacházet i samostatně. Glykolipidy Glykoproteiny VÝSKYT CUKRŮ V BUŇCE CUKRY – KOMUNIKAČNÍ NÁSTROJE Buňka Protein Lipid •Protože se nacházejí na povrchu buněk a makromolekul, mohou se cukry uplatňovat v komunikaci a interakcích mezi buňkami a molekulami. Glykolipidy Glykoproteiny Buňka Buňka + Lipid Buňka Protein + Molekula Buňka + Patogen Buňka •Interakce buňka-buňka, buňka-molekula, buňka-patogen CUKRY – KOMUNIKAČNÍ NÁSTROJE SLOŽENÍ GLYKANŮ Monosacharid Molekula - aglykon Glykan Oligosacharid Molekula Glykan Polysacharid Molekula Glykan Monosacharid Molekula - aglykon Glykan Oligosacharid Molekula Glykan Polysacharid Molekula Glykan Glykokonjugát SLOŽENÍ GLYKANŮ BIOINFORMATICKÝ POTENCIÁL BIOMOLEKUL Protein NA O Sacharid O •Bioinformatický potenciál je určen množstvím „slov“ (isomerů), které je možné sestavit z jednotlivých „písmen“ (monomerů). •Nukleotidy a aminokyseliny vytvářejí lineární polymery, spojované stále stejným způsobem (fosfodiesterová vazba, peptidová vazba). •K dokonalému popisu obsažené informace stačí pouze jednoduchá sekvence (sled) monomerů: • ATGCTGGTGATTGTGGATGCCGTTACCCTGCTGAGCGCCTATCCGGAAGCCAGCCGTGATCCGGCCGCCCCGACCGTGATTGATGGTCGCCACCTGTAT GTTGTTAGCCCGGGCGATGCCGC • Protein NA O Sacharid O •Bioinformatický potenciál je určen množstvím „slov“ (isomerů), které je možné sestavit z jednotlivých „písmen“ (monomerů). •Nukleotidy a aminokyseliny vytvářejí lineární polymery, spojované stále stejným způsobem (fosfodiesterová vazba, peptidová vazba). •K dokonalému popisu obsažené informace stačí pouze jednoduchá sekvence (sled) monomerů: • • MLVIVDAVTLLSAYPEASRDPAAPTVIDGRHLYVVSPGDA BIOINFORMATICKÝ POTENCIÁL BIOMOLEKUL Protein NA O Sacharid O •Pro přesný popis oligo(poly)sacharidu je kromě sekvence nutné znát i typ vazby, anomerii a velikost kruhu. OH OH HO HO α β BIOINFORMATICKÝ POTENCIÁL CUKRŮ Protein NA O Sacharid O OH OH HO HO α β D-glukosa + D-glukosa: α1-2 kojibiosa α1-3 nigerosa α1-4 maltosa α1-6 isomaltosa α1-1´α trehalosa β1-2 soforosa β1-3 laminaribiosa β1-4 cellobiosa β1-6 gentibiosa BIOINFORMATICKÝ POTENCIÁL CUKRŮ Protein NA O Sacharid O OH OH HO HO α β •Glykosidické vazby může tvořit i více než jedna OH skupina, vzniká rozvětvený oligosacharid. •Klasickým příkladem rozvětvených oligosacharidů jsou antigeny ABH(0) krevních skupin. BIOINFORMATICKÝ POTENCIÁL CUKRŮ BIOINFORMATICKÝ POTENCIÁL CUKRŮ Sacharid O •Cukry mohou být modifikovány redukcí, oxidací nebo vazbou dalších funkčních skupin. PO4 SO4 NHAc H > COOH Tkáňové a krevní skupiny ABO (H) Krevní skupina Red_Bl1 GlcNAc Gal O O H OH O O H O A c N O HO „CUKERNÝ“ KÓD Tkáňové a krevní skupiny ABO (H) Krevní skupina Red_Bl1 Fuc GlcNAc Gal H O H (0) „CUKERNÝ“ KÓD Fuc GlcNAc Gal Tkáňové a krevní skupiny ABO (H) Krevní skupina Red_Bl1 Gal B „CUKERNÝ“ KÓD GalNAc A Fuc GlcNAc Gal Tkáňové a krevní skupiny ABO (H) Krevní skupina Red_Bl1 „CUKERNÝ“ KÓD [USEMAP] Příjemce krevní skupina Dárce krevní skupina A A 0 0 0 B B 0 AB A B 0 AB Transfuzní oddělení a krevní banka ü http://www.nobelprize.org/educational/medicine/bloodtypinggame/ „CUKERNÝ“ KÓD Příjemce krevní skupina Dárce krevní skupina A A 0 0 0 B B 0 AB A B 0 AB http://www.wondersandmarvels.com/wp-content/uploads/2011/03/transfusion-JPEG-300x186.jpg http://biomed.brown.edu/Courses/BI108/BI108_2007_Groups/group09/files/images/bloodlamb.jpg JEHNĚ ? JEHNĚ ? JEHNĚ ? JEHNĚ ? „CUKERNÝ“ KÓD ČTENÍ „CUKERNÉHO“ KÓDU •Protilátky •Lektiny – proteiny, které specificky a reverzibilně vážou mono- a oligosacharidy. Nejsou produkty imunitního systému. Buňka Buňka Bakterie Virus Toxin Glykoproteiny a glykolipidy Lektin Lektin Buňka Buňka Bakterie Virus Toxin Glykoproteiny a glykolipidy Lektin Lektin •Lektiny plní rozpoznávací a adhezivní funkci v mnoha různých biologických procesech. • ČTENÍ „CUKERNÉHO“ KÓDU Rostliny Zvířata Houby Bakterie Viry 1hup_bio_r_500 Ricin (Ricinus communis) MBP (Homo sapiens) viruses_avian_flu_4_web 1 Hemagglutinin (Influenza virus) pseudomonas_aeruginosa_ppyocyanea PAIIL_secondary Aleuria_aurantia_Orange_Peel_Fungus02 Crystal structure of Aleuria aurantia lectin in complex with fucose. AAL (Aleuria aurantia) PA-IIL (Pseudomonas aeruginosa) VÝSKYT LEKTINŮ HEMAGLUTININ VIRU CHŘIPKY Virus Glykoproteiny a glykolipidy Lektin Buňka •Virus chřipky A obsahuje povrchový glykoprotein, hemaglutinin (HA). Tento protein je lektin, který rozpoznává hostitelské buňky a řídí adhezi a vstup viru do buněk. • H5_zepredu H5_zboku Virus Glykoproteiny a glykolipidy Lektin Buňka Chřipka, chřipka v revíru! •Virus chřipky A obsahuje povrchový glykoprotein, hemaglutinin (HA). Tento protein je lektin, který rozpoznává hostitelské buňky a řídí adhezi a vstup viru do buněk. HEMAGLUTININ VIRU CHŘIPKY Označení Antigenní typ Vznik Poznámka Španělská chřipka H1N1 Antigenní posun Pandemie v roce 1918/1919 způsobila smrt 20 miliónů lidí. Virus byl přenesen do Evropy americkými vojáky z Kansasu. Asijská chřipka H2N2 Antigenní zvrat, kmen H1N1 získal nové alely z ptačího rezervoáru V roce 1957 nahrazuje H2N2 kmen H1N1. Hong Kong H3N2 Antigenní zvrat, nové alely opět získány z ptačího viru. Nastupuje v roce 1968 s rozsáhlou pandemií. Ruská chřipka H1N1 Pravděpodobný únik z laboratoře Nastupuje v roce 1977, od této doby působí v lidské populaci kmeny H3N2 i H1N1. HEMAGLUTININ VIRU CHŘIPKY ANd9GcTcWQlsOne3yPfiohaVCuqX830-9B-nOCfw6TF1Xpl1-j7pMOm03g H5N1 Ptačí chřipka 1990 H1N1 (nový a lepší) Prasečí chřipka 2009 KDO ČEKÁ ZA DVEŘMI? Nebezpečí hrozí, pokud virus získá schopnost snadného přenosu z člověka na člověka… FIMBRIE E. COLI Buňka Bakterie Fimbrie Buňka Bakterie Glykoproteiny a glykolipidy •Bakterie většinou obsahují lektiny na povrchu fimbrií, příkladem mohou být mannosa-specifické fimbrie E. coli. Pomocí těchto fimbrií mohou některé kmeny E. coli adherovat na sliznice močových cest a způsobovat infekce. •Ricin je toxin produkovaný rostlinou Ricinus communis (skočec obecný). * * * * * * •Často využíván jako okrasná rostlina. •Ricin se vyskytuje nejvíce v semenech. •Pro otrávení jsou celá semena nevhodná, je nutné je pořádně rozžvýkat. RICIN – NEJSLAVNĚJŠÍ LEKTIN Glykoproteiny a glykolipidy Toxin Buňka •Ricin je toxin produkovaný rostlinou Ricinus communis (skočec obecný). Toxická část Adhezivní část ANd9GcR4WaqBgfWm7yjSZ2iWn3MFwLXxSE2Nvf9hpdCcGwcdl8u73Q7A Glykoproteiny a glykolipidy Toxin Buňka RICIN – NEJSLAVNĚJŠÍ LEKTIN Buňka Buňka SELEKTINY Buňka Buňka Buňka Leukocyty •Lektiny se uplatňují při interakcích mezi buňkami imunitního systému. •Příkladem mohou být selektiny – řídí interakci mezi leukocyty a buňkami endotelu. ANTIADHEZIVNÍ TERAPIE „DRUG-TARGETING“ CHCETE VĚDĚT VÍC? CHCETE VĚDĚT mnohem VÍC? http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK1908/ JAK JE STRUKTURA GLYKOPROTEINŮ ZAKÓDOVÁNA V GENOMU? Glykan Protein Glykan Protein ATGTTGGTACGCTGACTGCCGTACGTAGCTTCGTGACGTCGATCGTAGCTG Gen Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Gen Gen Gen Gen Gen Gen Gen Struktura glykanů je v genomu kódována nepřímo Enzymy = glykosyltransferasy JAK JE STRUKTURA GLYKOPROTEINŮ ZAKÓDOVÁNA V GENOMU? Protein ATGTTGGTACGCTGACTGCCGTACGTAGCTTCGTGACGTCGATCGTAGCTG Gen Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Gen Gen Gen Gen Gen Gen Gen Struktura glykanů je v genomu kódována nepřímo Enzymy = glykosyltransferasy, syntéza aktivovaných cukrů Enzym Enzym Enzym Gen Gen Gen Protein ATGTTGGTACGCTGACTGCCGTACGTAGCTTCGTGACGTCGATCGTAGCTG Gen Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Gen Gen Gen Gen Gen Gen Gen Struktura glykanů je v genomu kódována nepřímo Enzymy = glykosyltransferasy, syntéza aktivovaných cukrů Enzym Enzym Enzym Gen Gen Gen TRANSPORTÉR TRANSPORTÉR TRANSPORTÉR Nutná účast transportních proteinů! Gen Gen Gen Protein ATGTTGGTACGCTGACTGCCGTACGTAGCTTCGTGACGTCGATCGTAGCTG Gen Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Gen Gen Gen Gen Gen Gen Gen Struktura glykanů je v genomu kódována nepřímo Enzymy = glykosyltransferasy, syntéza aktivovaných cukrů Enzym Enzym Enzym Gen Gen Gen TRANSPORTÉR TRANSPORTÉR TRANSPORTÉR Nutná účast transportních proteinů! Gen Gen Gen TRANSPORT TRANSPORT TRANSPORT ER GA Gen Gen Gen > Enzymy = glykosyltransferasy, syntéza aktivovaných cukrů, modifikace glykanů, glykosidasy Nutná účast transportních proteinů! Struktura glykanů je v genomu kódována nepřímo PO4 SO4 NHAc H COOH Enzym Enzym Enzym Enzym Enzym Gen Gen Gen Gen Gen [USEMAP] JAK JE STRUKTURA GLYKOPROTEINŮ ZAKÓDOVÁNA V GENOMU? Edvard Munch... Křik. Prapůvodní inspirace pro Fuc GlcNAc Gal DĚDIČNOST KREVNÍCH SKUPIN Tři varianty (alely) jednoho genu pro glykosyltransferasu (lokus AB0 na 9. chromozomu) GalNAc N-acetylgalaktosaminyltransferasa A H antigen Fuc GlcNAc Gal DĚDIČNOST KREVNÍCH SKUPIN Gal Galaktosyltransferasa B H antigen Tři varianty (alely) jednoho genu pro glykosyltransferasu (lokus AB0 na 9. chromozomu) DĚDIČNOST KREVNÍCH SKUPIN 0 Zkrácená (nefunkční) varianta genu, způsobeno delecí jednoho nukleotidu a následným posunutím čtecího rámce Fuc GlcNAc Gal HO H antigen Tři varianty (alely) jednoho genu pro glykosyltransferasu (lokus AB0 na 9. chromozomu) DĚDIČNOST KREVNÍCH SKUPIN http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK2261/ Bombajský fenotyp. Jedinci tvoří protilátky anti A, anti B i anti H (0). Jelikož se jejich krev ve standardních testech „tváří“ jako 0, je to problém... Fuc GlcNAc Gal HO DĚDIČNOST KREVNÍCH SKUPIN http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK2261/ Monika má krevní skupinu A, Alan má krevní skupinu AB. Dítě má 0. Podvedla Monika Alana s Rickem??? DĚDIČNOST KREVNÍCH SKUPIN http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK2261/ Alan je tatínek! Ale možná je příbuzný s Monikou...Vhodný námět pro další díl. CHCETE VĚDĚT VÍC?