Proteoglykan

Proteoglykane sind sehr große Moleküle, welche zu 90–95 % aus Kohlenhydraten und zu 5–10 % aus Proteinen bestehen. Ihr Molekulargewicht ist meist größer als 2 Millionen Dalton und die chemischen Eigenschaften entsprechen aufgrund des hohen Kohlenhydratanteils den Eigenschaften der Polysaccharide.

Die charakteristische Struktur der Proteoglykane besteht aus mehreren (oft 10–100) Glykosaminoglykan-Ketten, die über O-glykosidische Bindungen an Serinreste des Core-Proteins gebunden sind. Die kovalente Anheftung der GAG-Ketten erfolgt über eine charakteristische Tetrasaccharid-Brücke (Xylose–Galaktose–Galaktose–Glucuronsäure).

Synthese

Da Proteoglykane überwiegend Bestandteile der Extrazellulärmatrix oder der Zelloberfläche sind, beginnt ihre Synthese am rauen endoplasmatischen Retikulum, wo das Core-Protein gebildet wird. Die Anlagerung und Modifikation der Glykosaminoglykane erfolgt im Golgi-Apparat, einschließlich Sulfatierung und Kettenverlängerung, bevor die Proteoglykane in den Extrazellularraum sezerniert oder in die Zellmembran eingebaut werden.

Glykosaminoglykane

Die Glykosaminoglykane bestehen aus 100–1.000 sich wiederholenden Disaccharideinheiten, wobei eines der Saccharide meist ein N-acetylierter Aminozucker ist, z.B. N-Acetylglucosamin oder N-Acetylgalactosamin, verknüpft mit Glucuronsäure oder Iduronsäure.

Typische Glykosaminoglykane der Proteoglykane sind:

• Chondroitinsulfat
• Dermatansulfat
• Keratansulfat
• Heparansulfat

Die Disaccharideinheiten sind meist sulfatiert, was zu einer stark negativen Ladung der Moleküle führt und die außerordentlich hohe Wasserbindungskapazität bedingt.

Hyaluronsäure stellt eine Sonderform dar. Sie ist kein kovalent gebundener Bestandteil von Proteoglykanen, sondern bildet über nicht-kovalente Wechselwirkungen große Proteoglykan-Aggregate.

Proteoglykan-Aggregate

Proteoglykan-Aggregate sind supramolekulare Strukturen, die durch die nicht-kovalente Bindung zahlreicher Proteoglykane an ein zentrales Hyaluronsäure-Molekül entstehen.

Die Bindung erfolgt über sogenannte Link-Proteine, welche die Interaktion zwischen Hyaluronsäure und dem Core-Protein der Proteoglykane stabilisieren. Ein einzelnes Aggregat kann tausende Proteoglykan-Moleküle enthalten und erreicht dadurch extrem hohe Molekulargewichte im Bereich von mehreren hundert Millionen Dalton.

Besonders ausgeprägt ist die Aggregatbildung im hyalinen Knorpel, wo vor allem Aggrecan-Hyaluronsäure-Aggregate die Grundsubstanz der Extrazellulärmatrix bilden. Diese Aggregate sind maßgeblich für die hohe Druckelastizität und Stoßdämpferfunktion des Knorpels verantwortlich.

Proteoglykane lassen sich funktionell und strukturell in verschiedene Gruppen einteilen:

• Große aggregierende Proteoglykane (z.B. Aggrecan, Versican)
• Kleine leucinreiche Proteoglykane (SLRPs) wie Decorin, Biglycan, Lumican
• Zelloberflächen-Proteoglykane wie Syndecane und Glypicane

Die häufigsten Proteoglykane sind:

Aufgrund ihrer hohen Wasserbindungskapazität sind Proteoglykane Gleitmittel in Gelenken und erfüllen eine raumfüllende Wirkung als Grundsubstanz von Knorpel, Sehnen, Gelenken (Chondroitinsulfat, Keratansulfat) und Extrazellulärmatrix.