علم الجليكوميات

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

علم الجليكوميات هو الدراسة الشاملة للجليكوميات [ 1 ] (مجموعة السكريات الكاملة ، سواء كانت حرة أو موجودة في جزيئات أكثر تعقيدًا في الكائن الحي )، بما في ذلك الجوانب الوراثية والفيزيولوجية والمرضية وغيرها. [ 2 ] [ 3 ] علم الجليكوميات هو "الدراسة المنهجية لجميع تراكيب الجليكان في نوع معين من الخلايا أو الكائنات الحية"، وهو فرع من علم الأحياء السكرية . [ 4 ] مصطلح الجليكوميات مشتق من البادئة الكيميائية "جليكو-" التي تعني الحلاوة أو السكر، وقد صِيغَ ليتبع اصطلاح تسمية علم الجينوم (الذي يتعامل مع الجينات ) وعلم البروتينات (الذي يتعامل مع البروتينات ).

التحديات

  • تتميز السكريات بتعقيدها: فهي ليست خطية من حيث بنيتها، بل متفرعة للغاية. علاوة على ذلك، يمكن تعديل السكريات المتعددة (السكريات المعدلة)، مما يزيد من تعقيدها.
  • مسارات التخليق الحيوي المعقدة للسكريات.
  • عادة ما توجد السكريات إما مرتبطة بالبروتين ( بروتين سكري ) أو مقترنة بالدهون ( دهون سكرية ).
  • بخلاف الجينومات، فإن السكريات تتميز بديناميكية عالية.

يتناول هذا المجال البحثي مستوىً متأصلًا من التعقيد لا يُرى في مجالات أخرى من البيولوجيا التطبيقية. [ 5 ] توفر 68 وحدة بناء (جزيئات الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبوزي RNA والبروتينات؛ وفئات الدهون؛ وأنواع روابط السكر للسكريات) الأساس البنيوي للتنظيم الجزيئي الذي يشكل حياة الخلية بأكملها. يحتوي كل من الحمض النووي DNA والحمض النووي الريبوزي RNA على أربع وحدات بناء ( النيوكليوسيدات أو النيوكليوتيدات ). تُقسم الدهون إلى ثماني فئات بناءً على الكيتوأسيل والإيزوبرين . تحتوي البروتينات على 20 وحدة بناء ( الأحماض الأمينية ). تحتوي السكريات على 32 نوعًا من روابط السكر. [ 6 ] في حين أن وحدات البناء هذه لا يمكن ربطها إلا بشكل خطي للبروتينات والجينات، إلا أنه يمكن ترتيبها في مصفوفة متفرعة للسكريات، مما يزيد من درجة التعقيد.

أضف إلى ذلك تعقيد البروتينات العديدة المشاركة، ليس فقط كناقلات للكربوهيدرات، أي البروتينات السكرية ، ولكن أيضًا البروتينات المشاركة بشكل خاص في الارتباط بالكربوهيدرات والتفاعل معها:

  • إنزيمات خاصة بالكربوهيدرات للتخليق والتعديل والتحلل
  • الليكتينات ، وهي بروتينات ترتبط بالكربوهيدرات من جميع الأنواع
  • المستقبلات ، وهي مستقبلات مرتبطة بالكربوهيدرات، سواء كانت دائرية أو مرتبطة بالغشاء.

أهمية

للإجابة على هذا السؤال، ينبغي معرفة الوظائف المختلفة والمهمة للسكريات. وفيما يلي بعض هذه الوظائف:

توجد تطبيقات طبية مهمة لبعض جوانب علم الجليكوميات:

يُعد علم الجليكوميات ذا أهمية خاصة في علم الأحياء الدقيقة، لأن السكريات تلعب أدوارًا متنوعة في وظائف البكتيريا. [ 7 ] قد تُفضي الأبحاث في علم الجليكوميات البكتيرية إلى تطوير ما يلي:

  • أدوية جديدة
  • السكريات النشطة بيولوجيًا
  • لقاحات الغليكوكونجوجات

الأدوات المستخدمة

فيما يلي أمثلة على التقنيات الشائعة الاستخدام في تحليل الجليكان [ 4 ] [ 5 ]

مطياف الكتلة عالي الدقة (MS) والكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC)

أكثر الطرق شيوعًا هي مطياف الكتلة (MS) والكروماتوغرافيا السائلة عالية الأداء (HPLC )، حيث يتم فصل جزء الغليكان إما إنزيميًا أو كيميائيًا عن الهدف ثم يُخضع للتحليل. [ 8 ] أما في حالة الغليكوليبيدات، فيمكن تحليلها مباشرةً دون فصل مكون الليبيد.

تُحلل السكريات المرتبطة بالنيتروجين (N- glycans) من البروتينات السكرية بشكل روتيني باستخدام كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC) (الطور المعكوس، والطور العادي، وتبادل الأيونات) بعد وسم الطرف المختزل للسكريات بمركب فلوري (الوسم الاختزالي). [ 9 ] وقد طُرحت مجموعة واسعة من الوسوم المختلفة في السنوات الأخيرة، ومنها على سبيل المثال لا الحصر: 2-أمينوبنزاميد (AB)، وحمض الأنثرانيليك (AA)، و2-أمينوبيريدين (PA)، و2-أمينوأكريدون (AMAC)، و3-(أسيتيل أمينو)-6-أمينوأكريدون (AA-Ac). [ 10 ]

عادة ما يتم تحليل جزيئات O- glycans بدون أي علامات، وذلك بسبب ظروف الإطلاق الكيميائي التي تمنع وسمها. [ 11 ]

يمكن تحليل السكريات المفصولة من أجهزة كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء (HPLC) باستخدام مطياف الكتلة MALDI -TOF-MS(MS) للحصول على معلومات إضافية حول بنيتها ونقائها. في بعض الأحيان، تُحلل مجموعات السكريات مباشرةً باستخدام مطياف الكتلة دون فصل مسبق، على الرغم من أن التمييز بين بنى السكريات المتساوية الكتلة يكون أكثر صعوبة، أو حتى غير ممكن دائمًا. على أي حال، يمكن أن يؤدي التحليل المباشر باستخدام MALDI -TOF-MS إلى توضيح سريع ومباشر لمجموعة السكريات. [ 12 ]

في السنوات الأخيرة، اكتسبت تقنية كروماتوغرافيا السائل عالي الأداء المقترنة مباشرةً بقياس الطيف الكتلي شعبيةً واسعة. وباستخدام الكربون الجرافيتي المسامي كطور ثابت في كروماتوغرافيا السائل، أصبح بالإمكان تحليل حتى السكريات غير المشتقة. ويُستخدم التأين بالرذاذ الإلكتروني ( ESI ) بكثرة في هذا التطبيق. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ]

مراقبة التفاعلات المتعددة (MRM)

على الرغم من استخدام تقنية الرصد الانتقائي للتفاعلات المتعددة (MRM) على نطاق واسع في علم الأيض وعلم البروتينات، إلا أن حساسيتها العالية واستجابتها الخطية ضمن نطاق ديناميكي واسع تجعلها مناسبة بشكل خاص لأبحاث واكتشاف المؤشرات الحيوية للسكريات. تُجرى تقنية MRM باستخدام جهاز رباعي الأقطاب ثلاثي (QqQ)، والذي يُضبط للكشف عن أيون طليعي محدد مسبقًا في رباعي الأقطاب الأول، وأيون مجزأ في رباعي أقطاب التصادم، وأيون مجزأ محدد مسبقًا في رباعي الأقطاب الثالث. وهي تقنية غير ماسحة، حيث يُكشف عن كل انتقال على حدة، ويحدث الكشف عن انتقالات متعددة في وقت واحد ضمن دورات تشغيل محددة. تُستخدم هذه التقنية لتوصيف الجليكوم المناعي. [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ]

الجدول 1 : مزايا وعيوب مطياف الكتلة في تحليل السكريات

المزاياالعيوب
  • ينطبق على كميات العينات الصغيرة (نطاق الفيمتومول المنخفض)
  • مفيد لخلطات الجليكان المعقدة (إنشاء بُعد تحليلي إضافي).
  • يمكن تحليل جوانب الارتباط بواسطة تجارب مطياف الكتلة الترادفي (تحليل الغليكان الخاص بالجانب).
  • تحديد تسلسل الجليكان بواسطة تجارب مطياف الكتلة الترادفي.
  • أسلوب تدميري.
  • الحاجة إلى تصميم تجريبي مناسب.

المصفوفات

توفر مصفوفات الليكتين والأجسام المضادة فحصًا عالي الإنتاجية للعديد من العينات التي تحتوي على السكريات. تستخدم هذه الطريقة إما الليكتينات الموجودة بشكل طبيعي أو الأجسام المضادة وحيدة النسيلة الاصطناعية ، حيث يتم تثبيت كليهما على شريحة معينة وحضنهما مع عينة من البروتين السكري الفلوري.

تحتوي مصفوفات الجليكان، مثل تلك التي يقدمها اتحاد علم الجليكوميات الوظيفية وشركة Z Biotech LLC ، على مركبات كربوهيدراتية يمكن فحصها باستخدام الليكتينات أو الأجسام المضادة لتحديد خصوصية الكربوهيدرات وتحديد الروابط.

الوسم الأيضي والتساهمي للسكريات

يمكن استخدام الوسم الأيضي للسكريات كطريقة للكشف عن بنيتها. تتضمن إحدى الاستراتيجيات المعروفة استخدام السكريات الموسومة بالأزيد، والتي يمكن تفاعلها باستخدام ربط ستودينجر . وقد استُخدمت هذه الطريقة للتصوير المختبري والحيوي للسكريات.

أدوات للبروتينات السكرية

يُعدّ علم البلورات بالأشعة السينية وطيف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) مجالًا صعبًا ومعقدًا لتحليل البنية الكاملة للسكريات المعقدة. ومع ذلك، فقد كشفت بنية موقع الارتباط للعديد من الليكتينات والإنزيمات والبروتينات الأخرى المرتبطة بالكربوهيدرات عن تنوع واسع في الأسس البنيوية لوظيفة الجليكوم. وقد تم التحقق من نقاء عينات الاختبار من خلال تقنيات الاستشراب ( مثل استشراب التقارب ) والرحلان الكهربائي التحليلي ( مثل الرحلان الكهربائي على هلام متعدد الأكريلاميد ، والرحلان الكهربائي الشعيري ، والرحلان الكهربائي التقاربي ، وغيرها).

البرامج وقواعد البيانات

تتوفر العديد من البرامج وقواعد البيانات عبر الإنترنت لأبحاث علم الجليكوميات. ويشمل ذلك:

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ رود، بولين؛ كارلسون، نيكلاس ج.؛ خو، كاي-هوي؛ باكر، نيكول هـ. (2017). "الفصل 51: علم الجليكوميات وعلم الجليكوبروتيوميات". في فاركي، أجيت (محرر). أساسيات علم الأحياء السكرية (  الطبعة الثالثة). كولد سبرينغ هاربور، نيويورك. ISBN 978-1-62182-132-8.{{cite book}}: CS1 maint: موقع الناشر مفقود ( رابط )
  2. ↑ آوكي-كينوشيتا، ك. ف.؛ لويتر، فران (مايو 2008). لويتر، فران (محرر). "مقدمة في المعلوماتية الحيوية لأبحاث علم الجليكوميات" . مجلة PLOS للحوسبة البيولوجية . 4 (5) e1000075. رمز Bibcode : 2008PLSCB...4E0075A . doi : 10.1371/journal.pcbi.1000075 . PMC 2398734. PMID 18516240 .  
  3. ↑ سريفاستافا س (مايو 2008). "تنحّي جانبًا يا علم البروتينات، ها هو علم الجليكوميات قادم". مجلة أبحاث البروتينات . 7 (5): 1799. doi : 10.1021/pr083696k . PMID 18509903 . 
  4. 1 2 أساسيات علم الأحياء السكرية ( الطبعة الثانية). مطبعة مختبر كولد سبرينغ هاربور. 2009. ISBN  978-0-87969-770-9.
  5. 1 2 أيزبوروا-أولايزولا، أ.؛ تورانو، ج. ساستر؛ فالكون-بيريز، ج.م.؛ ويليامز، س.؛ رايشاردت، ن.؛ بونز، ج.-ج. (2018). "مطيافية الكتلة لاكتشاف المؤشرات الحيوية للسكريات". مجلة TrAC Trends in Analytical Chemistry . 100 : 7-14 . doi : 10.1016/j.trac.2017.12.015 . hdl : 1874/364403 .
  6. ↑ مقال إخباري من جامعة كاليفورنيا في سان دييغو : هل تحمل 68 جزيئًا مفتاح فهم الأمراض؟ نُشر في 3 سبتمبر 2008
  7. ↑ ريد، كريستوفر و. (2012). علم الجليكوميات البكتيرية: البحوث الحالية والتكنولوجيا والتطبيقات . نورفولك، المملكة المتحدة: دار كايستر الأكاديمية للنشر . ISBN 978-1-904455-95-0.
  8. ↑ وادا ي، آزادي ب، كوستيلو سي إي، وآخرون (أبريل 2007). "مقارنة طرق تحليل السكريات المرتبطة بالبروتينات السكرية - دراسة متعددة المؤسسات ضمن مبادرة HUPO لعلم السكريات/البروتيوم للأمراض البشرية" . علم السكريات . 17 (4): 411-22 . doi : 10.1093/glycob/cwl086 . PMID 17223647 .  
  9. ↑ هاسي إس، إيكيناكا تي، ماتسوشيما واي (نوفمبر 1978). "تحليل بنية السكريات قليلة الوحدات عن طريق وسم السكريات الطرفية المختزلة بمركب فلوري". مجلة بحوث الكيمياء الحيوية والفيزياء الحيوية ، 85 (1): 257-263 . doi : 10.1016/S0006-291X(78)80037-0 . PMID 743278 . 
  10. ↑ بابست م، كولاريتش د، بولتل ج، وآخرون (يناير 2009). "مقارنة العلامات الفلورية للسكريات قليلة الوحدات وتقديم طريقة جديدة للتنقية بعد وضع العلامات". مجلة الكيمياء الحيوية التحليلية 384 (2): 263-273 . doi : 10.1016/j.ab.2008.09.041 . PMID 18940176 .  
  11. ^ كارلسون، نيكلاس ج. جين، تشونشنغ؛ روخاس ماسياس، ميغيل أ؛ أدامكزيك، باربرا (2017). "الجيل القادم من الجليكوميكس المرتبط بـ O" . الاتجاهات في علم السكر والتكنولوجيا . 299 (166): إي 35 – إي 46. دوى : 10.4052/tigg.1602.1E .
  12. ↑ هارفي دي جيه، باتمان آر إتش، بوردولي آر إس، تايلدسلي آر (2000). "تأين وتفتيت السكريات المعقدة باستخدام مطياف كتلة رباعي الأقطاب ذي زمن طيران مزود بمصدر أيونات بتقنية التأين/الامتزاز الليزري بمساعدة المصفوفة". مجلة الاتصالات السريعة في مطياف الكتلة . 14 (22): 2135-2142 . رمز Bibcode : 2000RCMS...14.2135H . doi : 10.1002/1097-0231(20001130)14:22 < 2135::AID-RCM143 > 3.0.CO ; 2-# . PMID 11114021 . 
  13. ↑ شولز، ب. ل.؛ باكر، ن. هـ.؛ كارلسون، ن. ج. (ديسمبر 2002). "تحليل مصغر للسكريات قليلة الوحدات المرتبطة بالأكسجين من البروتينات السكرية والميوسينات المفصولة بالرحلان الكهربائي الهلامي". مجلة الكيمياء التحليلية . 74 (23): 6088-97 . doi : 10.1021/ac025890a . PMID 12498206 . 
  14. ↑ بابست م، بونديلي جيه إس، ستادلمان جيه، ماخ إل، ألتمان إف (يوليو 2007). "الكتلة بالإضافة إلى زمن الاحتفاظ يساوي البنية: استراتيجية لتحليل N-جليكانات بواسطة كروماتوغرافيا السائل بالكربون المقترنة بمطياف الكتلة بالترذيذ الأيوني الكهربائي وتطبيقها على N-جليكانات الفيبرين". مجلة الكيمياء التحليلية . 79 (13): 5051-5057 . doi : 10.1021/ac070363i . PMID 17539604 . 
  15. ↑ روهاك إل آر، ديلدر إيه إم، ووهر إم (مايو 2009). "تحليل السكريات قليلة الوحدات باستخدام كروماتوغرافيا السائل الكربوني المُجرافيت - مطياف الكتلة" . مجلة الكيمياء التحليلية الحيوية . 394 (1): 163-174 . doi : 10.1007/s00216-009-2664-5 . PMID 19247642. S2CID 43431212 .  
  16. ↑ فلاورز، إس. أ.؛ لين، سي. إس.؛ كارلسون، إن. جي. (11 يوليو 2019). "فك شفرة المتماكبات باستخدام طريقة رصد التفاعلات المتعددة لمجموعة كاملة من جزيئات O-جليكان القابلة للكشف في المركب العلاجي المرشح، لوبريسين". الكيمياء التحليلية . 91 (15): 9819-9827 . doi : 10.1021/acs.analchem.9b01485 . PMID 31246420. S2CID 195759019 .  
  17. ↑ مافيراكيس إي، كيم ك، شيمودا م، غيرشوين م، باتيل ف، ويلكن ر، رايشودري س، روهاك إل آر، ليبريلا سي بي (2015). "السكريات في الجهاز المناعي ونظرية السكريات المتغيرة في المناعة الذاتية" . مجلة المناعة الذاتية . 57 (6): 1-13 . doi : 10.1016 / j.jaut.2014.12.002 . PMC 4340844. PMID 25578468 .  
  18. ↑ فلاورز، سارة أ.؛ علي، لياقت؛ لين، كاثرين س.؛ أولين، ماغنوس؛ كارلسون، نيكلاس ج. (2013-04-01). "مراقبة التفاعل الانتقائي للتمييز بين متماثلات السكريات O-glycans الأساسية 1 المكبرتة وغير المكبرتة من بروتين MUC7 اللعابي في التهاب المفاصل الروماتويدي، وتحديد كميتها النسبية" . علم البروتينات الجزيئي والخلوي . 12 (4): 921-931 . doi : 10.1074/mcp.M113.028878 . ISSN 1535-9484 . PMC 3617339. PMID 23457413 .