Glykosylace je proces nebo výsledek přidání sacharidů k bílkovinám a lipidům. Proces je jedním ze čtyř hlavních korelačních a posttranslačních modifikačních kroků při syntéze membrány a vylučovaných bílkovin a většina bílkovin syntetizovaných v hrubém ER prochází glykosylací. Je to enzymem řízený site-specific proces, na rozdíl od neenzymatické chemické reakce glykace. Existují dva typy glykosylace: N-vázaná glykosylace na amidový dusík vedlejších řetězců asparaginu a O-vázaná glykosylace na hydroxy kyslík vedlejších řetězců serinu a threoninu.
Polysacharidové řetězce navázané na cílové proteiny slouží různým funkcím. Například některé proteiny se správně neskládají, pokud nejsou glykosylovány jako první. Také polysacharidy navázané na amidový dusík asparaginu v proteinu dodávají některým vylučovaným glykoproteinům stabilitu. Experimenty ukázaly, že glykosylace v tomto případě není striktním požadavkem pro správné skládání, ale neklykosylovaný protein se rychle rozkládá. Glykosylace může hrát roli také v adhezi buněk s buňkami (mechanismus využívaný buňkami imunitního systému).
N-vázaná glykosylace je důležitá pro skládání některých eukaryotických proteinů. N-vázaná glykosylace se vyskytuje u eukaryot a hojně u archeí, ale velmi vzácně u bakterií.
U N-vázaných oligosacharidů se k asparaginu v polypeptidovém řetězci cílové bílkoviny nejprve přidá prekurzor se 14 cukry. Struktura tohoto prekurzoru je společná pro většinu eukaryot a obsahuje 3 molekuly glukózy, 9 manózy a 2 molekuly N-acetylglukosaminu. Složitý soubor reakcí váže tento rozvětvený řetězec na nosnou molekulu zvanou dolichol a poté je přenesen do příslušného bodu na polypeptidovém řetězci, jak je translokován do ER lumenu.
Oligosacharidový řetězec je navázán oligosacharilytransferázou na asparagin vyskytující se v tripeptidové sekvenci Asn-X-Ser nebo Asn-X-Thr, kde X může být jakákoli aminokyselina kromě Pro. Tato sekvence je známá jako glykosylační sekvence. Po navázání, jakmile je protein správně složen, jsou tři zbytky glukózy odstraněny z řetězce a protein je k dispozici pro export z ER. Takto vytvořený glykoprotein je pak transportován na Golgi, kde může dojít k odstranění dalších zbytků manózy. Samotná glykosylace se však nezdá být tak nezbytná pro správné transportní zaměření proteinu, jak by se mohlo zdát. Studie zahrnující léky, které blokují určité kroky v glykosylaci, nebo zmutované buňky s deficitem glykosylačního enzymu, stále produkují jinak strukturně normální proteiny, které jsou správně zacíleny, a nezdá se, že by tato interference nějak výrazně narušovala životaschopnost buněk. Zralé glykoproteiny mohou obsahovat různé oligomannózy N-vázané oligosacharidy obsahující 5 až 9 zbytků manózy. Další odstraňování zbytků manózy vede k „jádrové“ struktuře obsahující 3 zbytky manózy a 2 zbytky N-acetylglukosaminu, které pak mohou být protaženy různými monosacharidy včetně galaktózy, N-acetylglukosaminu, N-acetylgalaktosaminu, fucózy a kyseliny sialové.
O-N-acetylgalaktosamin (O-GalNAc)
O-vázaná glykosylace nastává v pozdější fázi během zpracování bílkovin, pravděpodobně v Golgiho aparátu. Jedná se o přidání N-acetyl-galaktosaminu do serinových nebo threoninových zbytků enzymem UDP-N-acetyl-D-galaktosamin:polypeptid N-acetylgalaktosaminyltransferázou, následované dalšími sacharidy (jako je galaktóza a kyselina sialová). Tento proces je důležitý pro určité typy bílkovin, jako jsou proteoglykany, které zahrnují přidání glykosaminoglykanových řetězců do původně neprolykosylovaného „proteoglykanového proteinu jádra“. Tyto přídavky jsou obvykle serinové O-vázané glykoproteiny, které mají zřejmě jednu ze dvou hlavních funkcí. Jedna funkce zahrnuje sekreci za vzniku složek extracelulární matrix, přilnutí jedné buňky k druhé interakcí mezi velkými cukrovými komplexy proteoglykanů. Druhou hlavní funkcí je působit jako složka slizniční sekrece a je to vysoká koncentrace sacharidů, která má tendenci dávat hlenu „slizký“ pocit. Proteiny, které cirkulují v krvi, nejsou normálně O-glykosylovány, s výjimkou IgA1 a IgD (dva typy protilátek) a C1-inhibitoru.
O-fucosa se přidává mezi druhé a třetí konzervované cysteiny opakování typu EGF v Notch proteinu a případně dalšími substráty GDP-fucosa proteinem O-fucosyltransferázou 1 a k Thrombospondin repeatům GDP-fucosa proteinem O-fucosyltransferázou 2. V případě opakování typu EGF může být O-fucosa dále prodloužena na tetrasacharid sekvenčním přidáním N-acetylglukosaminu (GlcNAc), galaktózy a kyseliny sialové a u Thrombospondin repeatů může být prodloužena na disacharid přidáním glukózy. Obě tyto fucosyltransferázy byly lokalizovány na endoplazmatické retikulum, což je neobvyklé u glykosyltransferáz, z nichž většina funguje v Golgiho aparátu.
O-glukóza se přidává mezi první a druhou konzervovanou cysteinu opakování typu EGF v Notch proteinu a případně dalšími substráty neidentifikovanou O-glukosyltransferázou.
O-N-acetylglukosamin (O-GlcNAc)
O-GlcNAc se přidává k serinům nebo threoninům O-GlcNAc transferázou. Zdá se, že O-GlcNAc se vyskytuje na serinech a threoninech, které by jinak byly fosforylovány serin/threonin kinázami. Pokud tedy dojde k fosforylaci, O-GlcNAc nikoliv a naopak. To je neuvěřitelně důležité zjištění, protože fosforylace/dephosforylace se stala vědeckým paradigmatem pro regulaci signalizace uvnitř buněk. Masivní množství výzkumu rakoviny je zaměřeno na fosforylaci. Ignorování zapojení této formy glykosylace, která zjevně působí v souladu s fosforylací, znamená, že spousta současných výzkumů postrádá alespoň polovinu obrazu. Přidání a odstranění O-GlcNAcu se také jeví jako klíčové regulátory drah, které jsou u diabetes mellitus deregulovány. Gen kódující O-GlcNAc enzym pro odstranění byl spojen s diabetes mellitus závislým na inzulínu. Je to konečný krok v dráze signalizace hexosaminu snímající živiny.
Speciální formou glykosylace je GPI kotva. Tato forma glykosylace slouží k navázání proteinu na hydrofobní lipidovou kotvu, a to prostřednictvím glykanového řetězce. (viz též prenylace)
Ke zbytkům tryptofanu se přidává manózový cukr v Thrombospondinových opakováních. Jedná se o neobvyklou modifikaci jednak proto, že cukr je vázán na uhlík spíše než na reaktivní atom, jako je dusík nebo kyslík, a jednak proto, že cukr je vázán na zbytky tryptofanu spíše než na asparagin nebo serin/threonin.