Proteoglykane

Proteoglykane sind ein wichtiger Bestandteil der Extrazellulären Matrix in tierischem Gewebe. Sie sind auch an der Zelloberfläche und in intrazellulären sekretorischen Granula lokalisiert.

Proteoglykane bilden eine Klasse besonders stark glykosylierter Glykoproteine – Makromoleküle aus einem Protein und einer oder mehreren kovalent gebundenen Kohlenhydratgruppen. Im Falle der Proteoglykane handelt es sich bei den Seitenketten um Glykosaminoglykane (GAG). Diese sind lange, lineare Kohlenhydratgruppen aus sich wiederholenden Disacchariden.

Kohlenhydrate machen etwa 95 % der molaren Masse von Proteoglykanen aus, im Gegensatz zu Glykoproteinen, deren Proteinanteil den Kohlenhydratanteil überwiegt.

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

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.

Kleinere Oligosaccharide sind normalerweise über den Amid-Stickstoff von Asparaginresten glykosidisch mit dem Kernprotein verbunden. Keratansulfat- und Chondroitinsulfat-Ketten sind glycosidisch mit dem Kernprotein verbunden via Oligosaccharide, welche kovalent mit Seitenketten-Sauerstoffatomen 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.

Die Bindungsregion besteht aus der Tetrasaccharidsequenz:

Glucuronyl-β-(1→3)-Galactosyl-β-(1→3)-Galactosyl-β-(1→4)-Xylosyl-β-1-O-(Serin).

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

Ebenfalls möglich ist die Bildung noch größerer Makromoleküle. So kann Hyaluronsäure als ‚Kiel‘ mehrere Proteoglykane nicht-kovalent in einer fedrigen Struktur binden. Bei Hyaluronsäure handelt es sich zwar auch um ein Glycosaminoglykan, diese kommt in Proteoglykanen an sich jedoch nicht vor.

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.

Literatur

• Shirley Ayad, Ray Boot-Handford, Martin J. Humphries, Karl E. Kadler, C. Adrian Shuttleworth: The Extracellular Matrix. FactsBook. 2nd edition. Academic Press, London u. a. 1998, ISBN 0-12-068911-1, S. 14 ff.