Glicosamminoglicano

I glicosamminoglicani (noti anche come GAG o precedentemente mucopolisaccaridi) sono polisaccaridi lineari costituiti da unità disaccaridiche ripetute (due zuccheri), formate da un zucchero uronico e un amminozucchero. Costituiscono una componente evolutivamente antica della matrice extracellulare e dei tessuti connettivi del regno Animalia, dove il gruppo più basale a presentare veri GAG è il genere Hydra. A causa della loro forte carica negativa che li rende altamente idrofili, sono abbondanti negli elementi dell'organismo che forniscono lubrificazione o ammortizzazione, come le membrane mucose o la cartilagine. Non si trovano nelle piante, ma esistono in contesti più limitati nei batteri, con strutture dello scheletro carbonioso simili ai GAG animali ma privi delle tipiche proteine centrali (core protein) e localizzati solo sulla superficie interna della membrana plasmatica, suggerendo una probabile origine evolutiva separata. Nei disturbi metabolici noti come mucopolisaccaridosi, si verificano accumuli anormali di glicosamminoglicani a causa di carenze enzimatiche.

Presenza generalizzata dei GAG nella matrice extracellulare, visibili come linee orizzontali legate alle proteine centrali dei proteoglicani.

Sintesi

I glicosamminoglicani variano notevolmente in massa molecolare, struttura disaccaridica e solfatazione. Questo perché la sintesi dei GAG non è guidata da uno stampo (come avviene per le proteine o gli acidi nucleici), ma viene continuamente modificata da enzimi di elaborazione.

I GAG sono classificati in quattro gruppi principali, in base alle loro strutture disaccaridiche di base:

  1. Eparina / eparansolfato (HSGAG)
  2. Condroitinsolfato / dermatansolfato (CSGAG) che, insieme agli HSGAG, vengono sintetizzati nell'apparato di Golgi, dove le proteine centrali, prodotte nel reticolo endoplasmatico ruvido, vengono modificate post-traduzionalmente tramite O-glicosilazione ad opera delle glicosiltrasferasi, formando così i proteoglicani.
  3. Cheratansolfato, che può modificare le proteine centrali attraverso N-glicosilazione o O-glicosilazione del proteoglicano.
  4. Acido ialuronico (noto anche come ialuronano), che viene sintetizzato da sintasi di membrana integrali le quali secernono immediatamente la catena disaccaridica in allungamento dinamico.

HSGAG e CSGAG

L'unità disaccaridica ripetuta (GlcUA(1β→3)GalNAc(1β→4))n del condroitinsolfato. R1, R2, R3 possono assumere valori differenti.

I proteoglicani modificati con HSGAG e CSGAG iniziano con un motivo sequenziale consenso Ser-Gly/Ala-X-Gly nella proteina centrale. La costruzione di un linker tetrasaccaridico costituito da -GlcAβ1–3Galβ1–3Galβ1–4Xylβ1-O-(Ser)-, dove la xilosiltrasferasi, la β4-galattosiltrasferasi (GalTI), la β3-galattosiltrasferasi (GalT-II) e la β3-GlcA trasferasi (GlcAT-I) trasferiscono i quattro monosaccaridi, avvia la sintesi della proteina modificata con GAG. La prima modifica del linker tetrasaccaridico determina se verranno aggiunti HSGAG o CSGAG. L'aggiunta di una GlcNAc promuove l'aggiunta di HSGAG, mentre l'aggiunta di GalNAc al linker tetrasaccaridico promuove lo sviluppo di CSGAG. GlcNAcT-I trasferisce la GlcNAc al linker tetrasaccaridico, distinguendosi dalla glicosiltrasferasi GlcNAcT-II, l'enzima utilizzato per costruire gli HSGAG. Gli enzimi EXTL2 ed EXTL3, due geni della famiglia dei soppressori tumorali EXT, hanno dimostrato di possedere attività GlcNAcT-I. Al contrario, la GalNAc viene trasferita al linker dall'enzima GalNAcT per iniziare la sintesi dei CSGAG, un enzima che può o meno avere un'attività distinta rispetto all'attività GalNAc-trasferasica della condroitina sintasi.

Per quanto riguarda gli HSGAG, un enzima multimerico codificato dai geni EXT1 ed EXT2 della famiglia EXT trasferisce sia GlcNAc che GlcA per l'allungamento della catena degli HSGAG. Durante l'allungamento, l'HSGAG viene modificato in modo dinamico, prima dalla N-deacetilasi/N-solfotrasferasi (NDST1), un enzima bifunzionale che scinde il gruppo N-acetile dalla GlcNAc e successivamente solfata la posizione N. Successivamente, la C-5 uronil epimerasi converte il d-GlcA in l-IdoA, seguito dalla 2-O-solfatazione dello zucchero acido uronico da parte della 2-O-solfotrasferasi. Infine, le posizioni 6-O e 3-O dei residui di GlcNAc vengono solfatate dalle 6-O e 3-O solfotrasferasi.

Il condroitinsolfato e il dermatansolfato, che costituiscono i CSGAG, si differenziano tra loro per la presenza rispettivamente degli epimeri GlcA e IdoA. Analogamente alla produzione degli HSGAG, la C-5 uronil epimerasi converte il d-GlcA in l-IdoA per sintetizzare il dermatansolfato. Si verificano tre eventi di solfatazione delle catene CSGAG: la solfatazione 4-O e/o 6-O della GalNAc e la solfatazione 2-O dell'acido uronico. Quattro isoforme delle GalNAc 4-O solfotrasferasi (C4ST-1, C4ST-2, C4ST-3 e D4ST-1) e tre isoforme delle GalNAc 6-O solfotrasferasi (C6ST, C6ST-2 e GalNAc4S-6ST) sono responsabili della solfatazione della GalNAc.

Tipi di cheratansolfato

Unità disaccaridica ripetuta del cheratansolfato.

A differenza degli HSGAG e dei CSGAG, la terza classe di GAG, appartenente ai tipi di cheratansolfato, è indirizzata verso la biosintesi attraverso particolari motivi di sequenza proteica. Ad esempio, nella cornea e nella cartilagine, il dominio del cheratansolfato dell'aggrecano è costituito da una serie di esapeptidi ripetuti in tandem con una sequenza consenso E(E/L)PFPS. Inoltre, per altri tre proteoglicani solfatati con cheratano, la lumicana, il cheratocano e la mimecana (OGN), la sequenza consenso NX(T/S) insieme alla struttura secondaria della proteina è risultata coinvolta nell'estensione dell'oligosaccaride N-legato con cheratansolfato. L'allungamento del cheratansolfato inizia alle estremità non riducenti di tre oligosaccaridi di legame, che definiscono le tre classi di cheratansolfato. Il cheratansolfato I (KSI) è legato tramite N a un oligosaccaride precursore ad alto contenuto di mannosio. Il cheratansolfato II (KSII) e il cheratansolfato III (KSIII) sono legati tramite O, con i legami del KSII identici a quelli della struttura centrale della mucina, e il KSIII legato a un 2-O mannosio. L'allungamento del polimero di cheratansolfato avviene attraverso l'aggiunta ad opera delle glicosiltrasferasi di Gal e GlcNAc. L'aggiunta di galattosio avviene principalmente attraverso l'enzima β-1,4-galattosiltrasferasi (β4Gal-T1), mentre gli enzimi responsabili della β-3-N-acetilglucosammina non sono stati chiaramente identificati. Infine, la solfatazione del polimero avviene nella posizione 6 di entrambi i residui zuccherini. L'enzima KS-Gal6ST (CHST1) trasferisce gruppi solfato al galattosio, mentre la N-acetilglucosammina-6-solfotrasferasi (GlcNAc6ST) (CHST2) trasferisce gruppi solfato alla GlcNAc terminale nel cheratansolfato.

Acido ialuronico

Unità disaccaridica ripetuta (-4GlcUAβ1-3GlcNAcβ1-)n dell'acido ialuronico.

La quarta classe di GAG, l'acido ialuronico (HA), non è solfatata ed è sintetizzata da tre proteine sintasi transmembrane (HAS1, HAS2 e HAS3). L'acido ialuronico, un polisaccaride lineare, è composto da unità disaccaridiche ripetute di →4)GlcAβ(1→3)GlcNAcβ(1→ e ha una massa molecolare molto elevata, compresa tra 105 e 107 Da. Ogni enzima HAS è in grado di catalizzare la transglicosilazione quando fornito di UDP-GlcA e UDP-GlcNAc. HAS2 è responsabile di polimeri di acido ialuronico di dimensioni molto grandi, mentre dimensioni minori di HA sono sintetizzate da HAS1 e HAS3. Sebbene ciascuna isoforma di HAS catalizzi la stessa reazione biosintetica, ciascuna è indipendentemente attiva. Le isoforme di HAS hanno anche dimostrato di possedere differenti valori di Km per UDP-GlcA e UDP-GlcNAc. Si ritiene che, attraverso differenze nell'attività e nell'espressione enzimatica, l'ampio spettro di funzioni biologiche mediate dall'acido ialuronico possa essere regolato, come il suo coinvolgimento nella regolazione delle cellule staminali neurali nella zona subgranulare del cervello.

Farmacodinamica

HSGAG

L'eparina endogena è localizzata e immagazzinata nei granuli secretori dei mastociti. L'istamina presente all'interno dei granuli è protonata (H2A2+) al pH intagranulare (5,2–6,0), pertanto si ritiene che l'eparina, dotata di una forte carica negativa, funzioni per trattenere ed immagazzinare elettrostaticamente l'istamina. In ambito clinico, l'eparina viene somministrata come anticoagulante ed è la prima scelta nel trattamento delle malattie tromboemboliche. L'eparansolfato possiede numerose attività e funzioni biologiche, tra cui l'adesione cellulare, la regolazione della crescita e della proliferazione cellulare, i processi di sviluppo, il legame sulla superficie cellulare della lipoproteina lipasi e di altre proteine, l'angiogenesi, l'invasione virale e le metastasi tumorali.

I CSGAG interagiscono con le proteine leganti l'eparina; in particolare, le interazioni del dermatansolfato con il fattore di crescita dei fibroblasti FGF-2 e FGF7 sono state implicate nella proliferazione cellulare e nella riparazione delle ferite, mentre le interazioni con il fattore di crescita epatocitario (HGF/SF) attivano la via di segnalazione di HGF/SF (c-Met) attraverso il suo recettore. I CSGAG sono importanti nel fornire supporto e adesività nel tessuto osseo, nella pelle e nella cartilagine. Altre funzioni biologiche fondamentali dei CSGAG includono l'inibizione della crescita e della rigenerazione assonale nello sviluppo del sistema nervoso centrale, ruoli nello sviluppo cerebrale, attività neuritogenica e infezioni da patogeni.

Cheratansolfati

Una delle funzioni principali della terza classe di GAG, i cheratansolfati, è il mantenimento dell'idratazione tessutale. I cheratansolfati si trovano nell'osso, nella cartilagine e nella cornea dell'occhio. Nella cornea normale, il dermatansolfato è completamente idratato, mentre il cheratansolfato è solo parzialmente idratato, suggerendo che il cheratansolfato possa comportarsi come un tampone idrico controllato dinamicamente. Nelle patologie come la distrofia maculare della cornea, in cui i livelli di GAG come il cheratansolfato sono alterati, si ritiene che la perdita di idratazione all'interno dello stroma corneale sia la causa dell'opacizzazione corneale, supportando così l'ipotesi che la trasparenza corneale dipenda da adeguati livelli di cheratansolfato. I cheratansolfati si trovano anche in molti altri tessuti oltre alla cornea, dove regolano l'adesione dei macrofagi, formano barriere alla crescita dei neuriti, regolano l'impianto dell'embrione nell'endometrio uterino durante il ciclo mestruale e influenzano la motilità delle cellule endoteliali corneali. In sintesi, il cheratansolfato svolge un ruolo anti-adesivo, suggerendo funzioni molto importanti nella motilità e nell'adesione cellulare oltre ad altri potenziali processi biologici.

Dermatansolfati

I dermatansolfati svolgono funzioni nella pelle, nei tendini, nei vasi sanguigni e nelle valvole cardiache.

Acido ialuronico

L'acido ialuronico è un componente principale della membrana sinoviale e del liquido sinoviale, nonché della sostanza fondamentale di altri tessuti connettivi. L'acido ialuronico lega insieme le cellule, lubrifica le articolazioni e aiuta a mantenere la forma del bulbo oculare. La viscoelasticità dell'acido ialuronico lo rende ideale per lubrificare le articolazioni e le superfici che scorrono l'una sull'altra, come la cartilagine. Una soluzione di acido ialuronico sotto basso sforzo di taglio ha una viscosità molto più elevata rispetto a quando è sottoposta ad alto sforzo di taglio. La ialuronidasi, un enzima prodotto dai globuli bianchi, dagli spermatozoi e da alcuni batteri, scompone l'acido ialuronico, rendendo la soluzione più fluida.

In vivo, l'acido ialuronico forma gomitoli ripiegati casualmente che si aggrovigliano per formare una rete di ialuronano, rallentando la diffusione e creando una barriera di diffusione che regola il trasporto di sostanze tra le cellule. Ad esempio, lo ialuronano aiuta a ripartire le proteine plasmatiche tra gli spazi vascolari ed stravascolari, influenzando la solubilità delle macromolecole nell'interstizio, modificando gli equilibri chimici e stabilizzando la struttura delle fibre di collagene. Altre funzioni includono le interazioni della matrice con proteine leganti lo ialuronano come la ialuronectina, la proteina gliale legante lo ialuronano, la proteina cerebrale legante lo ialuronano, il collagene VI, TSG-6 e l'inibitore inter-alfa-tripsina. Le interazioni sulla superficie cellulare che coinvolgono lo ialuronano includono il suo noto accoppiamento con il CD44, che potrebbe essere legato alla progressione tumorale, e con il RHAMM (recettore della motilità mediata dallo ialuronano), implicato nei processi di sviluppo, nelle metastasi tumorali e nei processi riparativi patologici.

I fibroblasti, le cellule mesoteliali e alcuni tipi di cellule staminali si circondano di un "rivestimento" pericellulare (glicocalice), in parte costituito da ialuronano, al fine di schermarsi da batteri, globuli rossi o altre molecole della matrice. Ad esempio, per quanto riguarda le cellule staminali, lo ialuronano, insieme al condroitinsolfato, aiuta a formare la nicchia delle cellule staminali. Le cellule staminali sono protette dagli effetti dei fattori di crescita da uno scudo di acido ialuronico e condroitinsolfato minimamente solfatato. Durante la divisione dei progenitori, la cellula figlia si sposta all'esterno di questo scudo pericellulare dove può essere influenzata dai fattori di crescita per differenziarsi ulteriormente.

Classificazione

I membri della famiglia dei glicosamminoglicani variano per il tipo di esosammina, esoso o acido esuronico che contengono (ad es. acido glucuronico, acido iduronico, galattosio, galattosammina, glucosammina).

Variano anche nella geometria del legame glicosidico.

Esempi di GAG includono:

NomeAcido esuronico o
esoso (per il cheratano)		EsosamminaGeometria del legame tra le unità monomeriche prevalentiCaratteristiche uniche
CondroitinsolfatoGlcUA o
GlcUA(2S)		GalNAc o
GalNAc(4S) o
GalNAc(6S) o
GalNAc(4S,6S)		GlcUAβ(1→3)GalNAcβ(1→4)GAG più diffuso
DermatansolfatoGlcUA o
IdoUA o
IdoUA(2S)		GalNAc o
GalNAc(4S) o
GalNAc(6S) o
GalNAc(4S,6S)		IdoUAβ1-3GalNAcβ1-4 Si distingue dal condroitinsolfato per la presenza di acido iduronico, sebbene alcuni monosaccaridi dell'acido esuronico possano essere acido glucuronico.
CheratansolfatoGal o
Gal(6S)		GlcNAc o
GlcNAc(6S)		-Gal(6S)β1-4GlcNAc(6S)β1-3Il cheratansolfato di tipo II può essere fucosilato.
EparinaGlcUA o
IdoUA(2S)		GlcNAc o
GlcNS o
GlcNAc(6S) o
GlcNS(6S)		-IdoUA(2S)α1-4GlcNS(6S)α1-4Più alta densità di carica negativa tra tutte le molecole biologiche note
EparansolfatoGlcUA o
IdoUA o
IdoUA(2S)		GlcNAc o
GlcNS o
GlcNAc(6S) o
GlcNS(6S)		-GlcUAβ1-4GlcNAcα1-4Struttura molto simile all'eparina, tuttavia le unità disaccaridiche dell'eparansolfato sono organizzate in distinti domini solfatati e non solfatati.
IaluronanoGlcUAGlcNAc-GlcUAβ1-3GlcNAcβ1-4L'unico GAG esclusivamente non solfatato

Abbreviazioni

Note

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Voci correlate

Collegamenti esterni

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