蛋白聚糖(卷名：现代医学)
proteoglycan
一类普遍存在于各种动物组织中的由聚糖及蛋白质构成的共价结合物。又称蛋白多糖。是构成细胞外基质的重要成分，与动脉粥样硬化的成因及肿瘤的发生及转移密切相关。基质中也含少量糖蛋白。蛋白聚糖和糖蛋白均属糖肽复合物，但糖含量、组成及组织化学染色均不相同。蛋白聚糖含糖量达98％以上，故化学性质更象糖。其聚糖主要由二糖单位重复排列构成。其二糖单位一般由氨基己糖（亦称己糖胺）和糖醛酸组成。由于此类聚糖含大量氨基糖，故名氨基聚糖或糖胺聚糖 (GAG)，又称粘多糖、酸性粘多糖，其糖链为无分支的多糖直链，与糖蛋白的分支寡糖链不同。蛋白聚糖的蛋白质部分为单链多肽，称为核心蛋白质。一个核心蛋白质分子可共价结合多至数百条的氨基聚糖。不同的蛋白聚糖具有不同的核心蛋白质及不同种类和数量的氨基聚糖。一种蛋白聚糖常含有数种不同的氨基聚糖。聚糖链与肽链以糖苷链相连，成为蛋白聚糖单体。若干蛋白聚糖单体又借非共价键与透明质酸结合，形成分子量巨大的多聚体。蛋白聚糖单体及聚合体的模式结构见图。
动物的各种组织中都有蛋白聚糖存在，而以结缔组织中居多。蛋白聚糖作为细胞外基质的成分早已为人们所熟悉；某些蛋白聚糖，如硫酸乙酰肝素蛋白聚糖，存在于几乎所有动物细胞的质膜中；有的蛋白聚糖还存在于细胞核中，可能与染色质结构有关。除透明质酸外，各种氨基聚糖的单糖基常发生不同程度的硫酸化。这些硫酸基及糖醛酸的羧基在生理性pH条件下解离，使氨基聚糖成为多阴离子。其溶液具有酸性、高度亲水性以及粘弹性（因多阴离子的静电排斥作用使其分子结构呈高度伸展状），所以关节腔内以及腔道器官粘膜表面的蛋白聚糖，有润滑及保护作用。氨基聚糖有亲水性，故使其分子周围结合大量水分子，这种高度亲水的伸展的大分子所包含的溶剂量可达其本身干重的50倍或更多，不但占据很大的体积，而且可以缓冲机械力，减轻冲撞造成的损伤，并使组织具有抗压性。在外界压力的作用下，氨基聚糖分子体积缩小，其中的多阴离子相互靠近，同种电荷间的排斥力产生膨胀压，以抗压缩；压力去除后又反弹回复原有的体积。氨基聚糖及蛋白聚糖在细胞运动、增殖、分化、信息传递、细胞间的识别和粘合、细胞与细胞外基质的粘着以及胚胎发育中都具有重要作用。此外，氨基聚糖及蛋白聚糖在结构、含量、配比及分布上的改变，还与某些病理过程，如关节炎、动脉粥样硬化及肿瘤等相关。
氨基聚糖的种类及结构 氨基聚糖可根据其二糖单位的组成、结构及糖－肽连接方式大致分为五种：透明质酸（HA）、硫酸软骨素(CS)、硫酸皮肤素(DS)、肝素(HEP)和硫酸乙酰肝素（或称硫酸类肝素，HS）以及硫酸角质素(KS)。
① 透明质酸。存在于大多数结缔组织中，是唯一存在于某些细菌 （如A型链球菌）的氨基聚糖。是结构最简单的氨基聚糖。其重复二糖单位由葡萄糖醛酸及N-乙酰氨基葡萄糖组成，是唯一不发生硫酸化的氨基聚糖。亦不与蛋白质共价结合，因此不参与构成蛋白聚糖单体；但可与蛋白聚糖单体的核心蛋白质通过连接蛋白质借非共价键结合，故可作为多聚蛋白聚糖的聚合轴线。
② 硫酸软骨素。是哺乳动物体内最丰富的氨基聚糖，除大量存在于软骨外，亦存在于皮肤、角膜、巩膜、骨、动脉、心瓣膜及脐带中。其重复二糖单位由葡萄糖醛酸及N-乙酰氨基半乳糖组成。硫酸化发生在乙酰氨基半乳糖的4或6位碳原子（即C-4或C-6）的-OH基上，分别称为4-硫酸软骨素及 6-硫酸软骨素（旧称硫酸软骨素A及硫酸软骨素C）。
③ 硫酸皮肤素。不仅存在于皮肤中，亦出现在血管、心、心瓣膜、肌腱、关节囊、纤维软骨、韧带及脐带等组织中。其二糖单位艾杜糖醛酸及N-乙酰氨基半乳糖的C-4 发生硫酸化。硫酸皮肤素与核心蛋白质的连接方式与硫酸软骨素接近，因此曾被称为硫酸软骨素B。
④ 肝素及硫酸乙酰肝素。虽列为同一类，但其分布、结构及功能颇具差异。肝素由紧靠血管的肥大细胞产生，并贮存于肥大细胞的颗粒中，应一定的刺激而释放，具有抗凝血作用。硫酸乙酰肝素则普遍存在于各种细胞的表面，参与膜结构以及细胞之间和细胞与基质之间的相互作用。肝素和硫酸乙酰肝素的共同结构特点是由艾杜糖醛酸或葡萄糖醛酸和乙酰氨基葡萄糖组成二糖单位，此类氨基聚糖的硫酸化程度高。但肝素中艾杜糖醛酸多于葡萄糖醛酸，而在硫酸乙酰肝素中则二者大致相等。硫酸乙酰肝素与肝素相比其硫酸化程度较低而乙酰化程度较高。二者的核心蛋白质却全然不同。肝素常以蛋白聚糖单位的形式存在。肝素的分子量范围很宽，肝素的抗凝血活性与其分子量有关。由于肝素的抗凝血作用是通过与抗凝血酶结合，从而使某些凝血因子失去作用，而肝素与抗凝血酶的亲和力在一定范围内随分子量的加大而增加。此外，肝素的抗凝活性还与N硫酸基及糖醛酸的羧基有关。硫酸乙酰肝素的核心蛋白质的肽链中存在疏水性区域，可嵌入细胞膜的脂双层中，因此可作为细胞膜的结构成分。硫酸乙酰肝素分子暴露于质膜外表面的糖链及肽段可与细胞外基质中的某些成分，如胶原、纤粘连蛋白及层粘连蛋白相结合；其伸入胞质中的肽段可与细胞骨架成分，如肌动蛋白相结合。因此，硫酸乙酰肝素既参与细胞之间和细胞－基质之间的相互作用，又可从细胞外向细胞内传递信息，但几乎没有抗凝血作用。
⑤ 硫酸角质素。具有两种不同的类型。来自角膜的硫酸角质素Ⅰ是角膜中唯一的氨基聚糖，来自骨、软骨及髓核等支架组织的硫酸角质素Ⅱ常与硫酸软骨素一起构成蛋白聚糖。硫酸角质素在单糖组成及糖－肽连接方式上皆与糖蛋白相似，但因具有重复二糖序列及多硫酸化，故仍归入氨基聚糖类。
蛋白聚糖的生物合成 包括肽链的合成及糖链的合成。核心蛋白质肽链的合成是蛋白聚糖合成的限速步骤，在粗面内质网进行，其过程与一般蛋白质相同。肽链的糖基化在内质网起始，在戈尔吉氏体完成。氨基聚糖糖链的合成过程与糖蛋白者类似。亦由一系列糖基转移酶催化逐个将活化单糖的糖基转移到肽链及未完成的糖链，使之不断延长。糖基的硫酸化是在糖链的延长过程中进行的。由硫酸基转移酶催化，从磷酸腺苷磷酸硫酸转移硫酸基到糖基，糖链中的艾杜糖醛酸是由葡萄糖醛酸基在差向异构酶催化下发生旋光异构化形成的。
蛋白聚糖的降解 可在一系列细胞外酶或溶酶体中的细胞内酶的催化下进行。水解糖链的酶包括内切糖苷酶及外切糖苷酶，分别催化水解糖链中的及糖链非还原末端的糖苷链。透明质酸酶是了解最多的内切糖苷酶。精细胞产生的透明质酸酶对其穿过卵膜实现受精是必要的。细菌分泌的透明质酸酶对其侵犯宿主组织有重要作用。氨基聚糖中的硫酸基由硫酸酯酶催化水解脱硫酸。脱硫酸常为氨基聚糖糖链降解的限速步骤。未经脱硫酸则糖苷酶无法发挥作用。至于核心蛋白质及连接蛋白质的降解过程与一般蛋白质相同。
氨基聚糖及蛋白聚糖的生物学作用 氨基聚糖及蛋白聚糖是细胞外基质的重要成分之一。可与细胞外基质中的胶原、 纤粘连蛋白、 层粘连蛋白及弹性蛋白结合，构成具有组织特性的细胞外基质。像胶原一样，不同组织的细胞外基质中含有不同类型、不同含量的氨基聚糖及蛋白聚糖，并与其功能相适应。例如，软骨及长骨的骨骺含较多硫酸软骨素蛋白聚糖。硫酸软骨素的保水性（由糖基的多羟基及多阴离子决定）使其占据一定的空间，具有一定的容量，这对于骨骺的生长板尤其重要。硫酸软骨素蛋白聚糖的缺乏或硫酸软骨素的硫酸化不足均可缩减骺板的体积，从而导致肢体发育短小和畸形。氨基聚糖的多阴离子可结合二价阳离子（如Ca2+），这对组织的钙化，尤其是骨盐的沉积有重要作用。角膜中的蛋白聚糖主要含硫酸角质素及硫酸皮肤素，且蛋白质的含量较高，在角膜基质的构建及维持上有重要作用，从而使角膜基质具有光透明性。细胞外基质中的各种成分（包括氨基聚糖及蛋白聚糖）彼此交联，形成孔径不同或电荷密度不同的凝胶，不但使细胞外基质连成一体，而且可以作为控制分子及细胞通过的筛网。这在肾小球及脉管基膜尤其重要。
透明质酸的合成在发育中及创伤修复中的组织内特别旺盛。 它可促进细胞迁移及增殖， 并阻止细胞分化。当细胞迁移达到特定的部位或增殖达到足够的数量时，透明质酸酶便将其降解。因此透明质酸的作用似乎是防止细胞过早的分化。在组织分化及成熟阶段，透明质酸含量逐渐降低，同时伴有其他硫酸化氨基聚糖成分的增多。在不同的组织内增加的硫酸化氨基聚糖种类不同。这些具有组织特点的氨基聚糖又可稳定分化表型。这已在软骨形成及角膜上皮分化中得到证明。
哺乳类动物组织中的氨基聚糖的种类及含量随生长、发育及年龄而变动。例如，胚胎发育早期，皮肤中的氨基聚糖几乎全部由透明质酸及硫酸软骨素组成。3 个月胎儿的皮肤中透明质酸及硫酸软骨素的含量为成人者的20倍，5个半月的胎儿为5倍，足月胎儿为2倍。在胚胎发育过程中胶原纤维逐渐形成，它们的一部分又逐渐被硫酸皮肤素取代。至70岁以后胶原纤维周围的氨基聚糖含量显著降低，同时硫酸皮肤素所占的比重显著增加。关节软骨中的蛋白聚糖亦随年龄的增长出现量与质的改变：总量逐渐减少，硫酸角质素逐渐取代硫酸软骨素，糖所占比重下降，蛋白质所占比重相对增加，从而导致组织的保水能力及弹性减弱。可见，氨基聚糖及蛋白聚糖与老化过程有关。
某些氨基聚糖可与血浆蛋白结合。例如，肝素可与凝血相关的几种凝血因子（如因子Ⅹ及凝血酶）及抗凝血酶Ⅲ(血浆α2糖蛋白)结合，从而抗凝血。动脉壁内膜的硫酸皮肤素蛋白聚糖可与血浆低密度脂蛋白结合。其结合作用可能主要由静电引力造成，因为低密度脂蛋白的载脂蛋白apo-B带正电荷，可直接被带负电荷的硫酸皮肤素吸引。此外，脂蛋白中的磷脂所带的负电荷可借助于Ca2+而与氨基聚糖的阴离子基团结合，此与动脉粥样硬化的形成有关。除血浆蛋白外，肝素还可与毛细血管壁上的脂蛋白脂肪酶结合，从而将之释入血循环。脂蛋白脂肪酶可分解甘油三酯，因而使血脂降低。
氨基聚糖及蛋白聚糖与疾病 动脉壁中的氨基聚糖及蛋白聚糖是引起低密度脂蛋白及钙沉积的内在因素。动脉壁中硫酸皮肤素的含量随年龄的增长而增多，而且可在生理性pH及离子强度下与低密度脂蛋白结合。有动脉粥样硬化斑块的主动脉组织中可见硫酸皮肤素含量异常增高，由病变部位增殖的平滑肌细胞产生。
蛋白聚糖还与肿瘤的发生及转移有关。在一些肿瘤，如间质瘤、成肾母细胞瘤、乳腺癌及神经胶质瘤等，肿瘤细胞合成及分泌的透明质酸增多，体液（血、尿）中透明质酸的含量增高，这具有一定诊断意义。在肝、肺、乳腺、结肠及前列腺等肿瘤组织中硫酸软骨素的含量增多。体外实验证明，硫酸软骨素有促进乳腺癌生长的作用；体内实验证明对艾氏腹水癌有促进生长的作用。降解硫酸软骨素的酶可抑制艾氏腹水癌的生长。总之，肿瘤组织中透明质酸及硫酸软骨素的增多，可能与其增殖失控有一定关系。反之，硫酸乙酰肝素则具有抑制细胞增殖的作用。体外实验证明，从肝或肝质膜分离的硫酸乙酰肝素可抑制肝癌细胞的生长。
在人的肝癌、小鼠的骨髓瘤、自发性乳腺癌及腹水型肝癌等均可见硫酸乙酰肝素的硫酸化程度降低。这不单可能影响其抑制细胞增殖的功能，而且可能导致其与纤粘连蛋白、层粘连蛋白及胶原的亲和性减弱，以致瘤细胞周围的基质组装异常，瘤细胞之间的粘合减弱，肿瘤细胞易从瘤组织上脱落。这就为肿瘤转移造成了先决条件。此外，能降解硫酸乙酰肝素的内切糖苷酶存在于某些易转移的肿瘤（如黑素瘤）中，它可破坏硫酸乙酰肝素，同时其降解产物被释放到血液中，具有肝素样抗血凝活性，可造成出血不止。
先天性缺乏降解氨基聚糖的酶（如糖苷酶或硫酸酯酶等）可导致氨基聚糖或蛋白聚糖，或其降解产物在体内一定部位堆积，引起粘多糖病。
参考书目
Ciba Foundation Symposium124:Functions of the Proteoglycans，John Wiley & Sons，London，1986.