La glicosilazione è una modifica importante delle proteine eucariotiche perché i residui di zucchero aggiunti sono spesso usati come bandiere molecolari o segnali di riconoscimento ad altre cellule che entrano in contatto con loro. Esistono due tipi di glicosilazione proteica, entrambi i quali richiedono l’importazione del polipeptide target nel pronto soccorso. La glicosilazione legata all’N inizia effettivamente nel reticolo endoplasmatico, ma la glicosilazione legata all’O non si verifica fino a quando il polipeptide non è stato trasportato nell’apparato di Golgi. Pertanto, è anche il caso che la glicosilazione N-linkata possa (ed è) di solito iniziare come meccanismo co-traslazionale, mentre la glicosilazione O-linkata deve avvenire post-traduzionalmente. Altre principali differenze nei due tipi di glicosilazione sono (1) La glicosilazione N-linked si verifica sui residui di asparagina (N) all’interno di una sequenza N-X-S o N-X-T (X è un qualsiasi amminoacido diverso da P o D) mentre la glicosilazione O-linked si verifica sull’ossigeno idrossilico della catena laterale dei residui di serina o treonina determinati non dalla sequenza circostante,; (2) La glicosilazione N-linked inizia con un “albero” di 14 residui di zucchero specifici che viene poi potato e rimodellato, ma rimane abbastanza grande, mentre la glicosilazione O-linked si basa sull’aggiunta sequenziale di singoli zuccheri e di solito non si estende oltre alcuni residui.
Tecnicamente, la N-glicosilazione inizia prima che una proteina venga tradotta, poiché l’oligosaccaride dolichol pirofosfato (cioè l ‘ “albero” dello zucchero – non un termine ufficiale, a proposito) viene sintetizzato nell’ER (Figura \(\PageIndex{12}\)) senza essere attivato dalla traduzione o dall’ingresso di proteine.
Il dolichol è un idrocarburo a catena lunga trovato soprattutto nella membrana di ER e serve da ancoraggio temporaneo per l’oligosaccaride della N-glicosilazione mentre sta sintetizzando e mentre attende una proteina appropriata a glycosylate. La sintesi di oligosaccaridi inizia con l’aggiunta di due residui di N-acetilglucosamina al linker pirofosfato, seguito da un mannosio. Da questo mannosio, l’oligosaccaride si dirama, con un ramo che riceve altri tre residui di mannosio e l’altro che ne riceve uno. Finora, tutte queste aggiunte all’oligosaccaride hanno avuto luogo nel citoplasma. Ora il glicolipide viene capovolto verso l’interno verso il lume ER! Una volta nel lume, vengono aggiunti altri quattro mannosi e infine tre residui di glucosio completano la struttura.
Non tutti i nucleosidi sono utilizzati per questo processo: gli zuccheri sono stati trovati solo collegati a UDP, GDP e CMP. UDP è il più versatile, N-acetilgalattosamina legante (GalNAc), N-acetilglucosamina (GlcNAc), acido N-acetilmuramico, galattosio, glucosio, acido glucuronico e xilosio. Il GDP è usato per mannosio e fucosio, mentre il CMP è usato solo per l’acido sialico.
Gli enzimi che compiono la glicosilazione sono glicosiltransferasi specifiche sia per il residuo zuccherino aggiunto che per l’oligosaccaride bersaglio. Gli zuccheri utilizzati dagli enzimi non sono semplicemente lo zucchero, ma zuccheri nucleotidici – di solito uno zucchero legato ad un difosfato nucleosidico, ad esempio, uracile difosfato glucosio (UDP-glucosio) o PIL – mannosio.
L’oligosaccaride N-linked ha due ruoli fisiologici: agisce come base per un’ulteriore glicosilazione ed è usato come marker per il controllo degli errori del ripiegamento delle proteine da parte del sistema calnexin-calreticulin (Figura \(\PageIndex{13}\)). Una volta che l’oligosaccaride è attaccato al nuovo polipeptide, il processo di ulteriore glicosilazione inizia con l’azione di una glucosidasi e che rimuove due dei glucosi. L’ultimo glucosio è necessario per aiutare il bacino della glicoproteina con calnexin o calreticulin (figura 13, punto 1 o 4), che sono proteine molto simili che hanno un’attività lenta della glucosidasi e si associano ad un’attività del tipo di isomerasi del disolfuro della proteina.
L’attività del tipo isomerasi del disolfuro della proteina proviene da ERp57, che è tecnicamente un’ossidoreduttasi del tiolo, ma è funzionalmente simile a PDI.
La differenza principale è che la calreticolina è solubile nel lume ER mentre la calnexina è legata alla membrana ER. Entrambi temporaneamente trattengono la glicoproteina dandogli il tempo di (ri)piegare e possibilmente riorganizzare i legami disolfuro, quindi rimuove il glucosio, permettendo alla glicoproteina di continuare sulla sua strada. È importante sottolineare che se la glicoproteina non è stata completamente piegata (fase 2a), l’enzima UDP-glucosio:la glicoproteina glucosiltransferasi (GT) lo riconosce e aggiunge nuovamente il residuo di glucosio (fase 3), costringendolo a passare nuovamente attraverso il ciclo calreticulina/calnexina nella speranza di piegarsi correttamente questa volta. Se è stato piegato correttamente (passo 2b), può essere riconosciuto da ER-α-1,2-mannosidasi, che rimuove un mannosio, completando le modifiche di glicosilazione nell’ER.
La maggior parte delle glicoproteine continua con il rimodellamento degli oligosaccaridi una volta spostate dal pronto soccorso all’apparato di Golgi mediante trasporto vescicolare. Lì, una varietà di glicosidasi e glicosiltransferasi potano e aggiungono all’oligosaccaride. Sebbene la glicosilazione sia coerente e stereotipata per una determinata proteina, non è ancora chiaro esattamente come vengono determinati i modelli di glicosilazione.
Due antibiotici comuni, tunicamicina e bacitracina, possono mirare alla glicosilazione legata all’N, sebbene le loro proprietà antibiotiche derivino dall’interruzione della formazione delle pareti cellulari batteriche. La tunicamicina è un analogo di UDP-GlcNAc e all’interno delle cellule eucariotiche può interrompere la formazione iniziale di oligosaccaridi bloccando l’aggiunta iniziale di GlcNAc al dolichol-fosfato. Poiché può essere trasportato in cellule eucariotiche, la tunicamicina non è clinicamente utile a causa della sua tossicità. La bacitracina, d’altra parte, è un piccolo polipeptide ciclico che si lega a dolichol-PP impedendo la sua defosforilazione a dolichol-P, che è necessaria per costruire l’oligosaccaride. La bacitracina non è permeabile alle cellule, quindi anche se ha un’attività simile alla tunicamicina sui batteri interrompendo la sintesi glicolipidica extracellulare necessaria per la formazione della parete cellulare, è innocua per gli eucarioti e quindi è un utile antibiotico terapeutico.