Die Glykosylierung ist eine wichtige Modifikation eukaryotischer Proteine, da die zugesetzten Zuckerreste häufig als molekulare Flags oder Erkennungssignale für andere Zellen verwendet werden, als mit ihnen in Kontakt zu kommen. Es gibt zwei Arten von Proteinglykosylierung, die beide den Import des Zielpolypeptids in den ER erfordern. Die N-verknüpfte Glykosylierung beginnt tatsächlich im endoplasmatischen Retikulum, die O-verknüpfte Glykosylierung tritt jedoch erst auf, wenn das Polypeptid in den Golgi-Apparat transportiert wurde. Daher ist es auch so, dass die N-verknüpfte Glykosylierung in der Regel als Co-Translationsmechanismus beginnen kann (und wird), während die O-verknüpfte Glykosylierung post-translatorisch erfolgen muss. Andere Hauptunterschiede in den beiden Arten der Glykosylierung sind (1) Die N-verknüpfte Glykosylierung erfolgt an Asparaginresten (N) innerhalb einer N-X-S- oder N-X-T-Sequenz (X ist eine andere Aminosäure als P oder D), während die O-verknüpfte Glykosylierung an der Seitenkette auftritt Hydroxylsauerstoff von Serin- oder Threoninresten, die nicht durch die Sequenz, sondern durch die Sekundär- und Tertiärstruktur bestimmt werden; (2) Die N-verknüpfte Glykosylierung beginnt mit einem „Baum“ von 14 spezifischen Zuckerresten, der dann beschnitten und umgebaut wird, aber ziemlich groß bleibt, während die O-verknüpfte Glykosylierung auf der sequentiellen Zugabe einzelner Zucker basiert und sich normalerweise nicht über einige wenige hinaus erstreckt Reste.
Technisch gesehen beginnt die N-Glykosylierung, bevor ein Protein überhaupt übersetzt wird, da das Dolicholpyrophosphat-Oligosaccharid (d. h. der Zucker- „Baum“ – übrigens kein offizieller Begriff) im ER synthetisiert wird (Abbildung \(\pageIndex{12}\)), ohne durch Translation oder Proteineintrag ausgelöst zu werden.
Dolichol ist ein langkettiger Kohlenwasserstoff, der hauptsächlich in der ER-Membran vorkommt und als temporärer Anker für das N-Glykosylierungsoligosaccharid dient, während es synthetisiert wird und auf die Glykosylierung eines geeigneten Proteins wartet. Die Oligosaccharidsynthese beginnt mit der Addition von zwei N-Acetylglucosaminresten an den Pyrophosphatlinker, gefolgt von einer Mannose. Von dieser Mannose verzweigt sich das Oligosaccharid, wobei ein Zweig drei weitere Mannosereste und der andere einen erhält. Bisher fanden alle diese Zusätze zum Oligosaccharid im Zytoplasma statt. Jetzt wird das Glycolipid nach innen in das ER-Lumen gekippt! Einmal im Lumen, werden vier weitere Mannosen hinzugefügt, und schließlich runden drei Glukosereste die Struktur ab.
Nicht alle Nukleoside werden für diesen Prozess verwendet: zucker wurden nur im Zusammenhang mit UDP, BIP und CMP gefunden. UDP ist das vielseitigste und bindet N-Acetylgalactosamin (GalNAc), N-Acetylglucosamin (GlcNAc), N-Acetylmuraminsäure, Galactose, Glucose, Glucuronsäure und Xylose. GDP wird für Mannose und Fucose verwendet, während CMP nur für Sialinsäure verwendet wird.
Die Enzyme, die die Glykosylierung durchführen, sind Glykosyltransferasen, die sowohl für den zugesetzten Zuckerrest als auch für das Zieloligosaccharid spezifisch sind. Die von den Enzymen verwendeten Zucker sind nicht einfach der Zucker, sondern Nukleotidzucker – normalerweise ein Zucker, der an ein Nukleosiddiphosphat gebunden ist, beispielsweise Uracildiphosphatglukose (UDP-Glucose) oder GDP-Mannose.
Das N-verknüpfte Oligosaccharid hat zwei physiologische Funktionen: Es fungiert als Basis für die weitere Glykosylierung und wird als Marker für die Fehlerprüfung der Proteinfaltung durch das Calnexin-Calreticulin-System verwendet (Abbildung \(\pageIndex{13}\)). Sobald das Oligosaccharid an das neue Polypeptid gebunden ist, beginnt der Prozess der weiteren Glykosylierung mit der Wirkung einer Glucosidase, die zwei der Glucosen entfernt. Die letzte Glucose ist notwendig, damit das Glykoprotein entweder mit Calnexin oder Calreticulin andocken kann (Abbildung 13, Schritt 1 oder 4), bei denen es sich um sehr ähnliche Proteine handelt, die eine langsame Glucosidaseaktivität aufweisen und mit einer Proteindisulfid-Isomerase-ähnlichen Aktivität assoziiert sind.
Die Proteindisulfid-Isomerase-ähnliche Aktivität stammt von ERp57, das technisch eine Thioloxidoreduktase ist, aber PDI funktionell ähnlich ist.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass Calreticulin im ER-Lumen löslich ist, während Calnexin an die ER-Membran gebunden ist. Beide halten das Glykoprotein vorübergehend fest und geben ihm Zeit, Disulfidbindungen (neu) zu falten und möglicherweise neu anzuordnen, dann entfernt es die Glukose, so dass das Glykoprotein seinen Weg fortsetzen kann. Wichtig ist, dass, wenn das Glykoprotein nicht vollständig gefaltet wurde (Schritt 2a), das Enzym UDP-Glucose:Glykoprotein-Glucosyltransferase (GT) erkennt es und fügt den Glukoserest zurück (Schritt 3), wodurch es gezwungen wird, den Calreticulin / Calnexin-Zyklus erneut zu durchlaufen, in der Hoffnung, diesmal korrekt zu falten. Wenn es korrekt gefaltet wurde (Schritt 2b), kann es durch ER-α-1,2-Mannosidase erkannt werden, die eine Mannose entfernt und die Glykosylierungsmodifikationen im ER vervollständigt.
Die meisten Glykoproteine setzen ihre Oligosaccharid-Remodellierung fort, sobald sie durch vesikulären Transport vom ER zum Golgi-Apparat bewegt wurden. Dort beschneiden eine Vielzahl von Glykosidasen und Glykosyltransferasen und fügen dem Oligosaccharid hinzu. Obwohl die Glykosylierung für ein bestimmtes Protein konsistent und stereotyp ist, ist noch unklar, wie genau die Glykosylierungsmuster bestimmt werden.
Zwei gängige Antibiotika, Tunicamycin und Bacitracin, können auf die N-verknüpfte Glykosylierung abzielen, obwohl ihre antibiotischen Eigenschaften auf die Störung der Bildung bakterieller Zellwände zurückzuführen sind. Tunicamycin ist ein Analogon von UDP-GlcNAc und kann in eukaryotischen Zellen die anfängliche Oligosaccharidbildung stören, indem es die anfängliche GlcNAc-Addition zum Dolicholphosphat blockiert. Da es in eukaryotische Zellen transportiert werden kann, ist Tunicamycin aufgrund seiner Toxizität klinisch nicht nützlich. Bacitracin hingegen ist ein kleines cyclisches Polypeptid, das an Dolichol-PP bindet und dessen Dephosphorylierung zu Dolichol-P verhindert, das zum Aufbau des Oligosaccharids benötigt wird. Bacitracin ist nicht zelldurchlässig, so dass, obwohl es eine ähnliche Aktivität wie Tunicamycin auf Bakterien hat, indem es die extrazelluläre Glycolipidsynthese stört, die für die Zellwandbildung benötigt wird, es für Eukaryoten harmlos ist und somit ein nützliches therapeutisches Antibiotikum ist.