N-連接糖基化是一種寡糖，一種由幾個糖分子組成的碳水化合物，有時也稱為聚糖，在一個過程中連接到氮原子（蛋白質的天冬酰胺(Asn)殘基的酰胺氮）稱為N-糖基化，在生物化學中進行了研究。這種類型的連接對于許多真核蛋白質的結構和功能都很重要。N-連接的糖基化過程發生在真核生物中并廣泛存在于古生菌中，但很少發生在細菌中。與糖蛋白連接的N連接聚糖的性質由蛋白質和表達它的細胞決定。它也因物種而異。不同的物種合成不同類型的N-連接聚糖。

糖蛋白中涉及兩種類型的鍵：聚糖中糖殘基之間的鍵以及聚糖鏈和蛋白質分子之間的鍵。糖部分通過糖苷鍵在聚糖鏈中相互連接。這些鍵通常在糖分子的碳1和4之間形成。糖苷鍵的形成在能量上是不利的，因此該反應與兩個ATP分子的水解耦合。另一方面，聚糖殘基與蛋白質的連接需要識別共有序列。N-連接聚糖幾乎總是連接到天冬酰胺(Asn)側鏈的氮原子上，該側鏈作為Asn–X–Ser/Thr共有序列的一部分存在，其中X是除脯氨酸(Pro)之外的任何氨基酸。在動物細胞中，與天冬酰胺相連的聚糖幾乎不可避免地是β構型的N-乙酰氨基葡萄糖(GlcNAc)。這種β鍵類似于上述聚糖結構中糖部分之間的糖苷鍵。異頭碳原子不是連接到糖羥基上，而是連接到酰胺氮上。這種連接所需的能量來自焦磷酸鹽分子的水解。

N-連接聚糖的生物合成通過3個主要步驟進行：

• 多醇連接的前體寡糖的合成
• 前體寡糖向蛋白質的整體轉移
• 寡糖的加工

前體寡糖的合成、整體轉移和初始修整在內質網(ER)中發生。寡糖鏈的后續加工和修飾在高爾基體中進行。因此，糖蛋白的合成在不同的細胞區室中空間分離。因此，合成的N-聚糖的類型取決于其對這些細胞區室中存在的不同酶的可及性。然而，盡管存在多樣性，但所有N-聚糖都是通過具有共同核心聚糖結構的共同途徑合成的。核心聚糖結構基本上由兩個N-乙酰氨基葡萄糖和三個甘露糖殘基組成。然后對該核心聚糖進行進一步的加工和修飾，從而產生多種N-聚糖結構。

N-連接的糖基化過程從形成多醇連接的GlcNAc糖開始。Dolichol是由重復的異戊二烯單元組成的脂質分子。發現該分子附著在ER膜上。糖分子通過焦磷酸鍵連接到多糖醇上（一個磷酸鹽最初與多糖醇相連，第二個磷酸鹽來自核苷酸糖）。然后通過逐步添加各種糖分子使寡糖鏈延伸，形成前體寡糖。這種前體寡糖的組裝發生在兩個階段：階段I和階段II。I期發生在ER的細胞質側，II期發生在ER的腔側。準備轉移到蛋白質的前體分子由2個GlcNAc、9個甘露糖和3個葡萄糖分子組成。

一旦前體寡糖形成，完成的聚糖隨后被轉移到ER膜腔中的新生多肽。該反應是由多醇-聚糖分子之間的焦磷酸鍵斷裂釋放的能量驅動的。在將聚糖轉移到新生多肽之前需要滿足三個條件：

• 天冬酰胺必須位于一級結構中的特定共有序列（Asn-X-Ser或Asn-X-Thr或在極少數情況下為Asn-X-Cys）。
• 天冬酰胺必須適當地位于蛋白質的三維結構中（糖是極性分子，因此需要附著在位于蛋白質表面的天冬酰胺上，而不是埋在蛋白質內）
• 必須在內質網的管腔側發現天冬酰胺，才能啟動N-連接糖基化。靶殘基要么存在于分泌蛋白中，要么存在于面向管腔的跨膜蛋白區域中。

寡糖基轉移酶是負責識別共有序列并將前體聚糖轉移至在內質網腔中翻譯的多肽受體的酶。因此，N-連接糖基化是一個共翻譯事件

N-聚糖加工在內質網和高爾基體中進行。前體分子的初始修整發生在ER中，隨后的處理發生在高爾基體中。在將完成的聚糖轉移到新生多肽上后，從結構中去除了兩個葡萄糖殘基。稱為糖苷酶的酶會去除一些糖殘基。這些酶可以通過使用水分子來破壞糖苷鍵。這些酶是外切糖苷酶，因為它們僅對位于聚糖非還原端的單糖殘基起作用。這個初始修剪步驟被認為是ER中的質量控制步驟，以監測蛋白質折疊。一旦蛋白質正確折疊，葡萄糖苷酶I和II會去除兩個葡萄糖殘基。最后第三個葡萄糖殘基的去除表明糖蛋白已準備好從ER轉運至順式高爾基體。ER甘露糖苷酶催化該最終葡萄糖的去除。然而，如果蛋白質沒有正確折疊，葡萄糖殘基就不會被去除，因此糖蛋白就不能離開內質網。伴侶蛋白（鈣連接蛋白/鈣網蛋白）與未折疊或部分折疊的蛋白質結合以幫助蛋白質折疊。下一步涉及進一步添加和去除順式-高爾基體中的糖殘基。這些修飾分別由糖基轉移酶和糖苷酶催化。在cis-Golgi中，一系列甘露糖苷酶去除了α-1,2鍵中的四個甘露糖殘基中的部分或全部。而在高爾基體的中間部分，糖基轉移酶將糖殘基添加到核心聚糖結構中，從而產生三種主要類型的聚糖：高甘露糖、雜合聚糖和復合聚糖。

• 本質上，高甘露糖只是兩個具有許多甘露糖殘基的N-乙酰氨基葡萄糖，通常幾乎與前體寡糖中所見的數量一樣多，然后才連接到蛋白質上。
• 復合寡糖之所以如此命名，是因為它們可以包含幾乎任意數量的其他類型的糖類，包括比最初的兩種N-乙酰氨基葡萄糖更多的糖類。
• 雜合寡糖在分支的一側含有甘露糖殘基，而在另一側N-乙酰氨基葡糖引發復雜的分支。

向生長的聚糖鏈添加糖的順序取決于酶的底物特異性以及它們在通過分泌途徑移動時對底物的訪問。因此，細胞內這種機制的組織在確定制造哪些聚糖方面起著重要作用。

高爾基酶在決定各種聚糖的合成中起關鍵作用。酶的作用順序反映在它們在高爾基體中的位置：

在原核生物和古生菌中發現了類似的N-聚糖生物合成途徑。然而，與真核生物相比，真細菌和古細菌中的最終聚糖結構似乎與內質網中產生的初始前體沒有太大區別。在真核生物中，原始前體寡糖在到達細胞表面的途中被廣泛修飾。

N-連接聚糖具有內在和外在功能。在免疫系統內，免疫細胞表面上的N-連接聚糖將有助于決定細胞的遷移模式，例如遷移到皮膚的免疫細胞具有有利于歸巢到該位點的特定糖基化。各種免疫球蛋白（包括IgE、IgM、IgD、IgA和IgG）上的糖基化模式通過改變它們對Fc和其他免疫受體的親和力賦予它們獨特的效應功能。聚糖還可能參與自我和非自我歧視，這可能與各種自身免疫性疾病的病理生理學有關。在某些情況下，N-聚糖和蛋白質之間的相互作用通過復雜的電子效應使蛋白質穩定。

N-連接糖基化的變化與不同的疾病有關，包括類風濕性關節炎、1型糖尿病、克羅恩病和癌癥。涉及N-連接糖基化的18個基因的突變導致多種疾病，其中大多數涉及神經系統。

市場上的許多治療性蛋白質是抗體，它們是N-連接的糖蛋白。例如，依那西普、英夫利昔單抗和利妥昔單抗是N-糖基化治療蛋白。N-連接糖基化的重要性在藥物領域變得越來越明顯。盡管細菌或酵母蛋白生產系統具有顯著的潛在優勢，例如高產量和低成本，但當感興趣的蛋白質是糖蛋白時會出現問題。大多數原核表達系統如大腸桿菌不能進行翻譯后修飾。另一方面，真核表達宿主，如酵母和動物細胞，具有不同的糖基化模式。這些表達宿主中產生的蛋白質通常與人類蛋白質不同，因此會引起患者的免疫原性反應。例如，釀酒酵母（酵母）經常產生具有免疫原性的高甘露糖聚糖。CHO或NS0細胞等非人哺乳動物表達系統具有添加復雜的人型聚糖所需的機制。然而，在這些系統中產生的聚糖可能與人類產生的聚糖不同，因為它們可以被N-羥乙酰神經氨酸(Neu5Gc)和N-乙酰神經氨酸(Neu5Ac)封端，而人類細胞僅產生含有N-乙酰神經氨酸的糖蛋白。此外，動物細胞還可以產生含有galactose-alpha-1,3-galactose表位的糖蛋白，這會在患有Alpha-gal過敏癥的人中誘發嚴重的過敏反應，包括過敏性休克。這些缺點已通過多種方法得到解決，例如通過基因敲除消除產生這些聚糖結構的途徑。此外，其他表達系統已經過基因工程以產生具有類人N連接聚糖的治療性糖蛋白。這些包括酵母，如畢赤酵母、昆蟲細胞系、綠色植物，甚至細菌。