Glykolipide und Glykoproteine

Glykolipide und Glykoproteine Übung

• Beschreibe den Aufbau von Glykolipiden und Glykoproteinen.

  Tipps

  Wie nennt man die Erkennungsstellen von Antikörpern?

  Lösung

  Zuckerreste sind Bestandteil vieler biologisch bedeutender Moleküle und absolut unentbehrlich. Sind Zuckerreste an Lipide gebunden, spricht man von Glykolipiden. Da diese einen unpolaren Teil (Lipid) und einen polaren Teil (Zuckerrest) haben, sind sie gut als Membranbestandteile geeignet. Besonders hoch spezialisierte Biomembranen sind im Nervengewebe zu finden, da diese Membranen für die Reizweiterleitung verantwortlich sind. Hier sind Glykolipide am häufigsten zu finden, da sie wegen ihrer hohen Vielfalt zur Spezialisierung der Membranen beitragen. Teils handelt es sich bei den Zuckerresten um Monosaccharide wie bei den Cerebrosiden, teils um Oligo- oder Polysaccharide wie bei den Sphingolipiden.

  Der weitaus größte Teil der Proteine trägt Zuckerreste, häufig sind diese aber im Vergleich zur Größe des Moleküls sehr klein. Die Zuckerreste geben vielen Proteinen ihre Struktur und tragen zur richtigen Faltung bei. Wichtiger aber ist ihre Funktion als Markierung: Durch die hohe Anzahl unterschiedlicher Kombinationsmöglichkeiten eignen sich Oligo- und Polysaccharide hervorragend, um Proteine zu markieren. Die Saccharide dienen als eine Art Ausweis, der von anderen Proteinen erkannt werden kann. Nur so ist es zum Beispiel möglich, dass Proteine an ihren Bestimmungsort transportiert werden. Membranproteine sind sehr häufig Glykoproteine. Auch hier dienen sie der Kommunikation: Mit Hilfe dieser als Antigene bezeichneten Markierungen erkennen sich Zellen gegenseitig. Ein bekanntes Beispiel sind die Antigene, die für die Blutgruppen des Menschen verantwortlich sind. Durch diese Antigene erkennt der Körper die eigenen Zellen und kann so körperfremde Zellen, die den Organismus schädigen, abstoßen und bekämpfen.

• Benenne die Bestandteile des Cerebrosids.

  Tipps

  Acyl-Gruppen sind Organyl-Reste mit einer Aldehyd-Funktion am ersten Kohlenstoffatom.

  Lösung

  Namensgebend für die Glykolipide sind der Kohlenhydratanteil und der Lipidanteil der Verbindungen. Bei den Cerebrosiden besteht der sehr kleine Kohlenhydratanteil aus einem Galactosyl-Rest, der über eine $\beta$-glykosidische Bindung mit dem Lipidanteil des Moleküls verbunden ist.
  Der Lipidanteil ist komplexer gebaut und verfügt über mehrere funktionelle Gruppen. Das Grundgerüst besteht aus einer langen Alkylkette von insgesamt 18 Kohlenstoffatomen. Das erste Kohlenstoffatom der Kette ist über die glykosidische Bindung mit dem Monosaccharid-Rest verknüpft, an der dritten Position trägt das Molekül eine Alkoholgruppe. Zwischen dem vierten und fünften Kohlenstoffatom besteht eine Doppelbindung, es handelt sich also um ein Alken. An das zweite Kohlenstoffatom der Kette ist über eine Aminogruppe ein Acyl-Rest gebunden. Die unterschiedlichen Cerebroside unterscheiden sich in der Länge dieses Acyl-Restes.

  Dank der langen Alkyl-Reste ist der Lipid-Teil des Moleküls stark polar, während der Galactosyl-Rest unpolar ist.

• Analysiere die Verbindungsklasse.

  Tipps

  Enthält die Verbindung einen Proteinanteil?

  Lösung

  Die Klassifizierung von Biomolekülen ist nicht immer ganz trivial. Hier muss auf viele Kleinigkeiten geachtet werden, da bereits kleine Unterschiede in der Struktur der Moleküle die Wirkung einer Verbindung im Organismus stark beeinflussen können.

  Es ist einfach zu erkennen, dass es sich bei der Verbindung um ein Glykolipid handeln muss. Dies ist an dem Oligosaccharid und den beiden langen Alkylresten zu erkennen. Die Analyse der beiden farbig unterschiedlich markierten Ketten zeigt, dass es sich um einen Ceramid-Rest handelt. Dieser besteht aus dem Sphingosinrest und einer daran gebundenen Fettsäure. Daher handelt es sich um einen Vertreter der Klasse der Sphingoglykolipide.

  Da der Saccharid-Teil des Moleküls aus einem Oligosaccharid besteht, handelt es sich genauer gesagt um ein Gangliosid. Wäre ein Monosaccharid gebunden, würde man es unter den Cerebrosiden einordnen.

  Diese Analyse zeigt exemplarisch, wie bei der Einordnung von Verbindungen in Substanzklassen vorgegangen werden muss. Das gesamte Molekül muss in Gruppen zerlegt werden. Je kleiner diese Gruppen sind, desto genauer kann die Einordnung in die Substanzklassen vorgenommen werden. Während die Substanzklasse der Glykolipide noch sehr ungenau ist und eine Unzahl an Verbindungen enthält, ist die Verbindung mit der Einordnung in die Ganglioside schon sehr genau klassifiziert. Die Einordnung enthält also bereits sehr viele Informationen über den Aufbau der Verbindung.

• Bestimme die Unterschiede der Glykoproteine.

  Tipps

  $\alpha$- und $\beta$-glykosidische Bindung unterscheiden sich in der Konfiguration des $C^1$-Atoms.

  Die Nummerierung der C-Atome beginnt rechts vom Ring-Sauerstoffatom und verläuft im Uhrzeigersinn.

  Lösung

  Gut zu erkennen sind Änderungen der funktionellen Gruppen der Monosaccharid-Bausteine des Oligosaccharids. Im Beispiel wurde eine Hydroxid-Gruppe gegen eine N-Acetyl-Gruppe ausgetauscht, dies ist mit dem roten Kreis markiert.

  Ebenfalls gut zu erkennen ist die unterschiedliche Verzweigung der Oligosaccharid-Reste. Während sich das Oligosaccharid beim linken Molekül am dritten Monosaccharid-Rest über eine 1$ \rightarrow$ 6-glykosidische Bindung verzweigt, erfolgt die gleiche Verzweigung beim rechten Molekül erst beim vierten Monosaccharid-Rest.

  Unterschiede an den glykosidischen Bindungen sind schwieriger zu erkennen. Zum einen kann eine unterschiedliche Konfiguration am anomeren C-Atom vorliegen. Die Bindung wird dementsprechend als $\alpha$- oder $\beta$-glykosidisch bezeichnet. Erkennbar ist das daran, ob die Bindung am $C^1$-Atom aus der Papierebene herausschaut (keilförmig gezeichnet) oder hineingeht (gestrichelt). Dies ist bei der mit einem gelben Kreis markierten glykosidischen Bindung zu erkennen.

  Nummeriert man die Kohlenstoffatome an dem mit einem violetten Kreis markierten Monosaccharid-Rest, stellt man fest, dass hier ein Wechsel von einer 1 $\rightarrow$ 2- zu einer 1 $\rightarrow$ 3-glykosidischen Bindung vorliegt.

• Nenne Bestandteile von Glykolipiden.

  Tipps

  O-glykosidische Bindungen werden zwischen zwei $OH-$Gruppen gebildet.

  Lösung

  Ein wichtiger Bestandteil aller Organismen sind Lipid-Doppelschichten, da sie die Membranen der Zellen bilden. Diese Membranen werden im Wesentlichen von zwei großen Gruppen an Molekülen gebildet: den Phospholipiden und den Glykolipiden. Sie unterscheiden sich in ihrem polaren Molekülteil.
  Bei Glykolipiden wird dieser Teil des Moleküls von Mono- oder Oligosacchariden gebildet. Auf Grund der vielen Hydroxy-Gruppen haben diese eine hohe Wasserlöslichkeit. Der unpolare Teil wird – wie auch bei den Phosopholipiden – von Sphingosin oder Glycerin abgeleitet und verfügt über zwei lange, unpolare Alkyl-Reste.

  Die Verknüpfung von Saccharid und unpolarem Molekül erfolgt über die Knüpfung einer glykosidischen Bindung zwischen dem anomeren C-Atom des Saccharids und einer Alkohol-Gruppe des unpolaren Moleküls. Dabei wird neben dem Glykolipid Wasser als Nebenprodukt gebildet.

• Vergleiche drei Glykoprotein-Antigene.

  Tipps

  Ist ein Enzym inaktiv, wird der entsprechende Reaktionsschritt nicht durchgeführt.

  Enzyme katalysieren nur bei einem Teil der vorhandenen Moleküle die entsprechende Reaktion.

  Lösung

  Dieses Beispiel zeigt deutlich, wie stark sich geringe Unterschiede im Bau der Antigene auswirken. Hierbei handelt es sich um die Antigene, die für die Blutgruppen des Menschen verantwortlich sind. Die drei Antigene unterscheiden sich nur an einer einzigen Position: Bei Antigen A ist am Ende der Oligosaccharid-Kette ein Galactosyl-Rest angehängt, bei Antigen B ist stattdessen eine N-Acetylgalactosyl-Gruppe angehängt. Bei Antigen H ist schließlich kein weiterer Monosaccharid-Rest angehängt.

  Die Antigene werden von drei Enzymen gesteuert. Enzym 1 ist bei allen Blutgruppen aktiv, daher tragen auch alle das Antigen H. Sind die Enzyme E1 und E2 aktiv, so sind die Antigene H und A vorhanden, die Blutgruppe wird als Blutgruppe A bezeichnet. Sind die Enzyme E1 und E3 aktiv, so sind die Antigene H und B vorhanden, die Gruppe heißt dementsprechend Blutgruppe B. Sind alle drei Enzyme aktiv, handelt es sich um Blutgruppe AB – hier sind alle drei Antigene vorhanden. Bei Blutgruppe 0 ist nur E1 aktiv, daher ist nur das Antigen H vorhanden.

  Dies ist von großer Bedeutung, da jeder Mensch Antikörper gegen die Antigene entwickelt, die er nicht selbst trägt. Somit werden Blut- und Organspenden abgestoßen, wenn es zu einer Immunreaktion kommt. Das Vorhandensein eines Monomeres eines Oligosaccharids bei Antigenen kann daher über Leben und Tod entscheiden.