Keratansulfat (KS) ist ein sulfatiertes Glykosaminoglykan, das durch sein Poly-N-acetyllactosamin-Rückgrat gekennzeichnet ist und hauptsächlich im Hornhautstroma, Knorpel und Hirngewebe vorkommt. Im Gegensatz zu anderen Glykosaminoglykanen fehlen KS Uronsäuren, und es erhält seine anionische Natur durch Sulfatierung, was zur Gewebefeuchtigkeit und strukturellen Integrität beiträgt.
Chemische Struktur
KS besteht aus sich wiederholenden Disaccharid-Einheiten von β1-4-verknüpftem D-Galactose (Gal) und N-Acetyl-D-Glucosamin (GlcNAc). Die Sulfatierung erfolgt hauptsächlich an Position 6 von GlcNAc und variabel an Gal. Die Ketten zeigen regionale Heterogenität, einschließlich nicht-sulfatierter Poly-N-acetyllactosamin-Strecken, mono-sulfatierter Domänen und hoch sulfatierter Regionen, die oft mit Sialinsäure oder Fucose abgeschlossen sind. KS hat typischerweise ein Molekulargewicht von 10–20 kDa pro Kette und bindet an Kernproteine wie Lumican, Keratocan und Aggrecan über N- oder O-Verknüpfungen.
Physikochemische Eigenschaften
Sulfatgruppen verleihen eine negative Ladung, die die Hydratation und Viskoelastizität erhöht, obwohl KS weniger sauer ist als Glykosaminoglykane mit Uronsäuren. In Lösung bildet es ausgedehnte, hydratisierte Knäuel und widersteht enzymatischer Abbau durch abschließende Reste. KS interagiert elektrostatisch mit Kationen und Proteinen. Gewebespezifische Isoformen umfassen KS-I (Hornhaut; N-Glykosylierung) und KS-II (Knorpel; O-Verknüpfung), was unterschiedliche biosynthetische Wege widerspiegelt.
Biosynthese und Verteilung
Die Biosynthese von KS beginnt im Golgi-Apparat mit der Übertragung von GlcNAc auf Asparagin (KS-I) oder auf Serin/Threonin-Reste (KS-II). Nachfolgende Schritte umfassen Galaktosylierung, Kettenverlängerung via β1-4GalT- und β1-3GlcNAcT-Enzyme sowie Sulfatierung durch GlcNAc6ST und Gal6ST. KS ist in der Hornhaut reichlich vorhanden – bis zu 90 % der Proteoglykane – und kommt auch in Bandscheiben, Hirngewebe und Gelenkknorpel vor, wo es zur Organisation der extrazellulären Matrix beiträgt.
Biologische Funktionen
In der Hornhaut erhält KS die Transparenz und reguliert den Abstand der Kollagenfibrillen durch Assoziation mit kleinen leucinreichen Proteoglykanen. In Knorpel und Hirngewebe bietet es mechanische Polsterung, moduliert Wachstumsfaktor-Interaktionen (z. B. FGF, TGF-β) und unterstützt neuronale Entwicklung und Plastizität. Sulfatierungsmuster kodieren molekulare Spezifität für Zellsignaling, Strukturierung der extrazellulären Matrix und Regulation von Entzündungen.