Ацил-КоА дегидрогеназа
Ацил-КоА-дегидрогеназы ( ACAD ) представляют собой класс ферментов которые катализируют начальный этап каждого цикла β-окисления жирных кислот в митохондриях клеток , . Их действие приводит к введению двойной транс - связи субстрата ацил-КоА между C2 (α) и C3 (β) тиоэфирного . [1] Флавинадениндинуклеотид (ФАД) является необходимым кофактором в дополнение к наличию глутамата активного центра для функционирования фермента.
Следующая реакция представляет собой окисление жирной кислоты под действием FAD с образованием тиоэфира α,β-ненасыщенной жирной кислоты кофермента А :
ACAD можно разделить на три отдельные группы в зависимости от их специфичности к жирных кислот субстратам ацил-КоА с короткой, средней или длинной цепью . Хотя разные дегидрогеназы нацелены на жирные кислоты с разной длиной цепи, все типы ACAD механически схожи. Различия в ферменте возникают в зависимости от расположения активного центра в аминокислотной последовательности. [2]
ACAD являются важным классом ферментов в млекопитающих клетках из-за их роли в метаболизме жирных кислот , присутствующих в потребляемых пищевых продуктах. Действие этого фермента представляет собой первый этап метаболизма жирных кислот (процесс разрыва длинных цепей жирных кислот на молекулы ацетил-КоА). Дефицит этих ферментов связан с генетическими нарушениями, связанными с жирных кислот окислением (т.е. метаболическими нарушениями). [3]
Ферменты ACAD были идентифицированы у животных (из которых существует 9 основных классов эукариот), а также у растений. [4] нематоды, [5] грибы, [6] и бактерии. [7] Пять из этих девяти классов участвуют в β-окислении жирных кислот (SCAD, MCAD, LCAD, VLCAD и VLCAD2), а остальные четыре участвуют в метаболизме аминокислот с разветвленной цепью (i3VD, i2VD, GD и iBD). Большинство ацил-КоА-дегидрогеназ являются α 4 гомотетрамерами , а в двух случаях (для субстратов жирных кислот с очень длинной цепью) они представляют собой α 2 гомодимеры . Открыт дополнительный класс ацил-КоА-дегидрогеназы, катализирующий реакции α,β-ненасыщенности с тиоэфирами стероид-КоА у некоторых видов бактерий. [8] [9] Было продемонстрировано, что этот класс ACAD образует гетеротетрамеры α 2 β 2 , а не обычный гомотетрамер α 4 , белковую архитектуру, которая эволюционировала для того, чтобы приспособиться к гораздо более крупному субстрату стероид-КоА. [10] [11]
ACAD классифицируются как EC 1.3.99.3 .
Структура
[ редактировать ]
Среднецепочечная ацил-КоА-дегидрогеназа (MCAD) является наиболее известной структурой из всех ACAD и является наиболее часто дефицитным ферментом этого класса, который приводит к метаболическим нарушениям у животных. [1] Этот белок представляет собой гомотетрамер, каждая субъединица которого содержит примерно 400 аминокислот и один эквивалент FAD на мономер. Тетрамер классифицируется как «димер димеров» с общим диаметром примерно 90 Å . [2]
Интерфейс между двумя мономерами одного димера ACAD содержит сайты связывания FAD и имеет обширные связывающие взаимодействия. Напротив, интерфейс между двумя димерами имеет меньше взаимодействий. Всего в тетрамере имеется 4 активных центра, каждый из которых содержит одну молекулу FAD и сайт связывания субстрата ацил-КоА . Это дает в общей сложности четыре молекулы FAD и четыре сайта связывания субстрата ацил-КоА на фермент.
FAD связан между тремя доменами мономера, где доступна только нуклеотидная часть. Связывание FAD вносит значительный вклад в общую стабильность фермента . Субстрат ацил-КоА полностью связан с каждым мономером фермента. Активный центр выстлан остатками F252, T255, V259, T96, T99, A100, L103, Y375, Y375 и E376. Область интереса внутри субстрата оказывается вклиненной между Glu 376 и FAD, выстраивая молекулы в идеальное положение для реакции. [1]
MCAD может связываться с довольно широким диапазоном длин цепей в субстрате ацил-КоА , однако исследования показывают, что его специфичность имеет тенденцию быть нацелена на октаноил-КоА (C8-КоА). [12]
Была обнаружена новая архитектура фермента ACAD у некоторых видов бактерий, использующих стероиды ( Actinomycetota и Pseudomonadota ), которая участвует в использовании вездесущих стероидных субстратов, таких как холестерин, патогенными организмами, такими как Mycobacterium Tuberculosis . Генетически структура кодируется двумя отдельными генами ( считывания ), которые образуют облигатный комплекс α2β2 открытыми рамками гетеротетрамный . Структура, скорее всего, была результатом эволюционного события, которое вызвало дупликацию генов и частичную потерю функции, поскольку половина остатков связывания кофактора FAD находится в каждом гене и образует полный сайт связывания только при совместной экспрессии в виде комплекса. Это, вероятно, позволило значительно открыться сайту связывания субстрата, чтобы вместить гораздо более крупные субстраты полициклического КоА, а не жирные кислоты с различной длиной цепи.
Механизм
[ редактировать ]
Механизм ацил-КоА-дегидрогеназы протекает через элиминирование Е2 . Это удаление инициируется остатком глутамата , который, хотя и необходим для механизма, не сохраняется. [1]
Остаток появляется в самых разных местах внутри разных типов фермента (это Glu 376 в MCAD). Остаток глутамата депротонирует водород про-R альфа- углерода . Водородная связь карбонильного кислорода субстрата как с 2'-ОН рибитильной боковой цепи FAD , так и с основной цепью NH ранее упомянутого остатка глутамата снижает pKa этого протона , позволяя ему легко удаляться глутаматом. [1]
альфа- углерода По мере депротонирования про-R-водород бета-углерода уходит в виде гидрида в FAD на согласованной стадии. Он присоединяется к Re- стороне FAD в положении N-5, и фермент удерживает FAD на месте посредством водородных связей с пиримидиновой частью и гидрофобных взаимодействий с диметилбензольной частью. Субстрат β теперь трансформирован в α, ненасыщенный тиоэфир . [1]
Когда FAD захватывает гидрид, карбонильный кислород, N-1, соседний с азотом становится отрицательно заряженным. Эти электроны находятся в резонансе с азотом N-1, распределяя и стабилизируя образующийся отрицательный заряд. Заряд также стабилизируется за счет водородных связей между интересующими кислородом и азотом и различными остатками внутри фермента. [1]
Клиническое значение
[ редактировать ]Дефицит ацил-КоА-дегидрогеназ приводит к снижению способности окислять жирные кислоты, что указывает на метаболическую дисфункцию. Дефицит ацил-КоА-дегидрогеназы средней цепи ( MCADD ) хорошо известен и охарактеризован, поскольку он чаще всего встречается среди ацил-КоА-дегидрогеназ, что приводит к жирных кислот нарушениям окисления и потенциальным опасным для жизни метаболическим заболеваниям . Некоторые симптомы дефицита ацил-КоА-дегидрогеназы средней цепи включают непереносимость голодания , гипогликемию и синдром внезапной детской смерти . Считается, что эти симптомы напрямую связаны с неспособностью усваивать жиры . Непереносимость голодания и гипогликемия возникают из-за неспособности получать энергию и производить сахар из жировых запасов, именно так сохраняется большая часть избыточной энергии человека. Кроме того, жирные кислоты могут начать накапливаться в крови крови , снижая pH и вызывая ацидоз . [1]
MCAD связан/имеет связь с внезапной детской смертью . Примерно 90% случаев MCAD вызваны единственной точечной мутацией , при которой лизин в положении 304 (Lys304) заменяется остатком глутамата , что препятствует правильному функционированию фермента. [1] Сообщается, что каждый год 1 из 20 000 младенцев рождается с дефицитом ацил-КоА-дегидрогеназы со средней длиной цепи, вызванным мутацией. Мутация является рецессивной , и часто родители детей , у которых есть дефицит, впоследствии могут быть диагностированы как носители. [3]
У людей наиболее распространенная естественная мутация MCAD расположена в аминокислотном остатке Lys-304. [1] Измененный остаток возникает в результате одноточечной мутации, при которой боковая цепь лизина заменяется глутаматом. Lys-304 обычно взаимодействует с окружающими аминокислотными остатками, образуя водородные связи с Gln-342, Asp-300 и Asp-346. Когда мутация приводит к тому, что глутамат занимает место лизина, в этом месте появляется дополнительный отрицательный заряд, что нарушает нормально возникающую Н-связь. Такое нарушение изменяет структуру сворачивания фермента, в конечном итоге ставя под угрозу его стабильность и подавляя его функцию в окислении жирных кислот. [12] Эффективность мутированного белка примерно в 10 раз ниже эффективности природного белка. [13] Это может привести к симптомам дефицита, перечисленным выше.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж Торп, К.; Ким, Джей-Джей (июнь 1995 г.). «Структура и механизм действия ацил-КоА-дегидрогеназ» . ФАСЕБ Дж . 9 (9): 718–25. дои : 10.1096/fasebj.9.9.7601336 . ПМИД 7601336 . S2CID 42549744 .
- ^ Jump up to: а б Ким Джей-Джей, Ван М., Пашке Р. (август 1993 г.). «Кристаллические структуры ацил-КоА-дегидрогеназы средней цепи из митохондрий печени свиньи с субстратом и без него» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 90 (16): 7523–7. Бибкод : 1993PNAS...90.7523K . дои : 10.1073/pnas.90.16.7523 . ПМК 47174 . ПМИД 8356049 .
- ^ Jump up to: а б Тома Э.Х., Шарпантье С. (январь 1992 г.). «Дефицит ацил-КоА-дегидрогеназы средней цепи» . Арх. Дис. Ребенок . 67 (1): 142–5. дои : 10.1136/adc.67.1.142 . ПМЦ 1793557 . ПМИД 1739332 .
- ^ Боде, К.; Хукс, Массачусетс; Куи, И. (1999). «Идентификация, разделение и характеристика ацил-коэнзима А-дегидрогеназ, участвующих в митохондриальном β-окислении у высших растений» . Физиол растений . 119 (4): 1305–1314. дои : 10.1104/стр.119.4.1305 . ПМК 32015 . ПМИД 10198089 .
- ^ Комунецкий, Р.; Фекете, С.; Тиссен-Парра, Дж. (1985). «Очистка и характеристика 2-метил-ацил-КоА-дегидрогеназы с разветвленной цепью, фермента, участвующего в НАДН-зависимом восстановлении еноил-КоА в анаэробных митохондриях нематоды Ascaris suum » . J Биол Хим . 260 (8): 4770–4777. дои : 10.1016/S0021-9258(18)89138-4 . ПМИД 3988734 .
- ^ Кионка, К.; Кунау, штат Вашингтон (1985). «Путь индуцибельного β-окисления у Neurospora crassa » . J Бактериол . 161 (1): 153–157. дои : 10.1128/jb.161.1.153-157.1985 . ПМК 214849 . ПМИД 3155714 .
- ^ Кэмпбелл, Дж.В.; Кронан, Дж. Э. младший (2002). «Загадочный Escherichia coli fadE ген — это yafH » . Дж. Бактериол . 184 (13): 3759–64. CiteSeerX 10.1.1.333.9931 . дои : 10.1128/JB.184.13.3759-3764.2002 . ПМЦ 135136 . ПМИД 12057976 .
- ^ Томас, Северная Каролина; Сэмпсон, Н.С. (2013). « Микобактерия туберкулеза использует уникальную гетеротетрамерную структуру для дегидрирования боковой цепи холестерина» . Биохимия . 52 (17): 2895–2904. дои : 10.1021/bi4002979 . ПМЦ 3726044 . ПМИД 23560677 .
- ^ Випперман, МФ; Ян, М.; Томас, Северная Каролина; Сэмпсон, Н.С. (2013). «Сокращение протеома FadE микобактерии туберкулеза : понимание метаболизма холестерина посредством идентификации семейства α 2 β 2 гетеротетрамерных ацил-коэнзимов А-дегидрогеназ» . Дж. Бактериол . 195 (19): 4331–4341. дои : 10.1128/JB.00502-13 . ПМЦ 3807453 . ПМИД 23836861 .
- ^ Воскуил, М.И. (2013). « Катаболизм холестерина микобактерий туберкулеза требует нового класса ацил-коэнзима А-дегидрогеназы» . Дж. Бактериол . 195 (19): 4319–4321. дои : 10.1128/JB.00867-13 . ПМЦ 3807469 . ПМИД 23893117 .
- ^ Випперман, Мэтью, Ф.; Томас, Сюзанна, Т.; Сэмпсон, Николь, С. (2014). «Патоген оидной ярости: утилизация холестерина микобактериями туберкулеза » . Крит. Преподобный Биохим. Мол. Биол . 49 (4): 269–93. дои : 10.3109/10409238.2014.895700 . ПМЦ 4255906 . ПМИД 24611808 .
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Jump up to: а б Киевег В., Кроутле Ф.Г., Нанди А. и др. (июнь 1997 г.). «Биохимическая характеристика очищенной человеческой рекомбинантной ацил-КоА-дегидрогеназы Lys304 → Glu со средней длиной цепи, содержащей распространенную болезнетворную мутацию, и сравнение с нормальным ферментом» (PDF) . Евро. Дж. Биохим . 246 (2): 548–56. дои : 10.1111/j.1432-1033.1997.00548.x . ПМИД 9208949 .
- ^ Насер И., Мохсен А.В., Желесаров И., Вокли Дж., Машеру П., Гисла С. (сентябрь 2004 г.). «Термическое разворачивание ацил-КоА-дегидрогеназы средней цепи и изо(3)валерил-КоА-дегидрогеназы: исследование влияния генетических дефектов на стабильность фермента» . Биохим. Биофиз. Акта . 1690 (1): 22–32. дои : 10.1016/j.bbadis.2004.04.008 . ПМИД 15337167 .
- «Изображения молекулярной графики были созданы с использованием пакета UCSF Chimera из Ресурса биокомпьютеров, визуализации и информатики Калифорнийского университета в Сан-Франциско (при поддержке NIH P41 RR-01081).»
- Петтерсен Э.Ф., Годдард Т.Д., Хуанг CC и др. (октябрь 2004 г.). «UCSF Chimera — система визуализации для поисковых исследований и анализа». J Comput Chem . 25 (13): 1605–12. CiteSeerX 10.1.1.456.9442 . дои : 10.1002/jcc.20084 . ПМИД 15264254 . S2CID 8747218 .
- Ли Х.Дж., Ван М., Пашке Р., Нэнди А., Гисла С., Ким Дж.Дж. (сентябрь 1996 г.). «Кристаллические структуры дикого типа и мутанта Glu376Gly/Thr255Glu среднецепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы человека: влияние расположения каталитического основания на субстратную специфичность» . Биохимия . 35 (38): 12412–20. дои : 10.1021/bi9607867 . ПМИД 8823176 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Венц А., Торп С., Гисла С. (октябрь 1981 г.). «Инактивация общей ацил-КоА-дегидрогеназы из почек свиньи метаболитом гипоглицина А» . Ж. Биол. Хим . 256 (19): 9809–12. дои : 10.1016/S0021-9258(19)68697-7 . ПМИД 7275979 .
- Энгст С., Вок П., Ван М., Ким Дж. Дж., Гисла С. (январь 1999 г.). «Механизм активации субстратов ацил-КоА с помощью ацил-КоА-дегидрогеназы средней цепи: взаимодействие карбонила тиоэфира с рибитильной боковой цепью флавинадениндинуклеотида» . Биохимия . 38 (1): 257–67. дои : 10.1021/bi9815041 . ПМИД 9890906 .
- Воскуил, М.И. (2013). « Катаболизм холестерина микобактерий туберкулеза требует нового класса ацил-коэнзима А-дегидрогеназы» . Дж. Бактериол . 195 (19): 4319–4321. дои : 10.1128/JB.00867-13 . ПМЦ 3807469 . ПМИД 23893117 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Ацил-КоА + дегидрогеназа в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
