Sacharidy a glykobioinformatika • •Význam sacharidů • •Aplikovaná bioinformatika, Jaro 2017 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? •