Альдолаза B, также известная как фруктозо-бисфосфатальдолаза B или альдолаза печеночного типа, является одним из трех изоферментов (A, B и C) фермента фруктозо-1,6-бисфосфатальдолазы класса I (EC 4.1.2.13) и играет ключевую роль как в гликолизе, так и в глюконеогенезе . Общий фермент фруктозо-1,6-бисфосфатальдолаза катализирует обратимое расщепление фруктозо-1,6-бисфосфата (FBP) на глицеральдегид-3-фосфат и дигидроксиацетонфосфат (DHAP), а также обратимое расщепление фруктозо-1-фосфата (F1P) на глицеральдегид и дигидроксиацетонфосфат. У млекопитающих альдолаза B преимущественно экспрессируется в печени, тогда как альдолаза A экспрессируется в мышцах и эритроцитах, а альдолаза C экспрессируется в мозге. Небольшие различия в структуре изофермента приводят к разным активностям двух молекул субстрата: FBP и фруктозо-1-фосфата. Альдолаза B не проявляет предпочтения и, таким образом, катализирует обе реакции, тогда как альдолазы A и C предпочитают FBP. [5]
Общий фермент фруктозобисфосфатальдолаза расщепляет 6-углеродный фруктозный сахар на два 3-углеродных продукта в обратной альдольной реакции . Эта реакция типична для образования промежуточного соединения основания Шиффа с остатком лизина (лизин 229) в активном центре фермента; образование основания Шиффа является ключевым отличием между альдолазами класса I (вырабатываемыми животными) и класса II (вырабатываемыми грибами и бактериями). После образования основания Шиффа четвертая гидроксильная группа на фруктозном остове затем депротонируется остатком аспартата (аспартат 33), что приводит к альдольному расщеплению. Гидролиз основания Шиффа дает два 3-углеродных продукта. В зависимости от реагента, F1P или FBP, продуктами являются DHAP и глицеральдегид или глицеральдегид-3-фосфат соответственно. [10]
ΔG°' этой реакции составляет +23,9 кДж/моль. Хотя реакция может показаться слишком сложной для протекания, следует отметить, что в физиологических условиях ΔG реакции падает до уровня, близкого к нулю или ниже него. Например, ΔG этой реакции в физиологических условиях в эритроцитах составляет -0,23 кДж/моль. [10]
Структура
Альдолаза B — гомотетрамерный фермент, состоящий из четырех субъединиц с молекулярной массой 36 кДа с локальной симметрией 222. Каждая субъединица имеет молекулярную массу 36 кДа и содержит восьмицепочечный α/β-бочонок, который включает лизин 229 (аминокислоту, образующую основание Шиффа, которая является ключевой для катализа). [11] [12]
Изофермент-специфические регионы
Хотя большая часть общей структуры фермента альдолазы сохраняется среди трех изоферментов, четыре области общего фермента альдолазы были идентифицированы как сильно изменчивые среди изоферментов. Такие области были обозначены как изофермент-специфичные области (ISR1-4). Считается, что эти области придают изоферментам их специфичность и структурные различия. ISR 1-3 все находятся в экзоне 3 гена ALDOB . ISR 4 является наиболее изменчивой из четырех и находится на С-конце белка. [5]
ISR 1-3 преимущественно находятся в участках на поверхности фермента. Эти участки не перекрываются с активным сайтом, что указывает на то, что ISR могут изменять специфичность субстрата конкретного изофермента на расстоянии или вызывать взаимодействия C-конца с активным сайтом. [12] Недавняя теория предполагает, что ISR могут допускать различную конформационную динамику в ферменте альдолазе, которая объясняет его специфичность. [13]
Физиология
Альдолаза B играет ключевую роль в метаболизме углеводов , поскольку она катализирует один из основных этапов гликолитического-глюконеогенного пути. Хотя она катализирует расщепление глюкозы , она играет особенно важную роль в метаболизме фруктозы , который происходит в основном в печени, корковом веществе почек и слизистой оболочке тонкого кишечника. Когда фруктоза всасывается, она фосфорилируется фруктокиназой с образованием фруктозо-1-фосфата. Затем альдолаза B катализирует расщепление F1P на глицеральдегид и DHAP. После того, как глицеральдегид фосфорилируется триозокиназой с образованием G3P, оба продукта могут быть использованы в гликолитическом-глюконеогенном пути, то есть они могут быть модифицированы, чтобы стать либо глюкозой, либо пируватом. [14]
Хотя механизм регуляции альдолазы B неизвестен, было отмечено увеличение транскрипции гена ALDOB в печени животных при увеличении содержания углеводов в пище и снижении концентрации глюкагона . [15] [16]
Интерактивная карта маршрутов
Нажмите на гены, белки и метаболиты ниже, чтобы перейти к соответствующим статьям. [§ 1]
^ Интерактивную карту путей можно редактировать на WikiPathways: «GlycolysisGluconeogenesis_WP534».
Патология
Генетические мутации, приводящие к дефектам альдолазы B, приводят к состоянию, называемому наследственной непереносимостью фруктозы . Из-за отсутствия функциональной альдолазы B организмы с HFI не могут должным образом перерабатывать F1P, что приводит к накоплению F1P в тканях организма. Помимо того, что они токсичны для клеточных тканей, высокие уровни F1P задерживают фосфат в непригодной для использования форме, которая не возвращается в общий пул фосфата, что приводит к истощению как запасов фосфата, так и АТФ. Недостаток легкодоступного фосфата вызывает прекращение гликогенолиза в печени, что приводит к гипогликемии. [17] Это накопление также подавляет глюконеогенез, еще больше снижая количество легкодоступной глюкозы. Потеря АТФ приводит к множеству проблем, включая ингибирование синтеза белка и нарушение функции печени и почек. Однако прогноз для пациента хороший в случаях наследственной непереносимости фруктозы. Избегая продуктов, содержащих фруктозу, сахарозу и сорбит, пациенты могут жить без симптомов. [14]
HFI — это рецессивно наследуемое аутосомное заболевание. Было выявлено около 30 мутаций, вызывающих HFI, и эти комбинированные мутации приводят к частоте HFI 1 на каждые 20 000 рождений. [14] [18] Мутантные аллели являются результатом ряда различных типов мутаций, включая замены пар оснований и небольшие делеции. Наиболее распространенной мутацией является A149P, которая представляет собой трансверсию гуанина на цитозин в экзоне 5, что приводит к замене аланина в позиции 149 на пролин. По оценкам, этот конкретный мутантный аллель составляет 53% аллелей HFI. [19] Другие мутации, приводящие к HFI, встречаются реже и часто коррелируют с предковым происхождением. [20]
Ссылки
^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000136872 – Ensembl , май 2017 г.
^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000028307 – Ensembl , май 2017 г.
^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
^ ab Dalby AR, Tolan DR, Littlechild JA (ноябрь 2001 г.). «Структура фруктозо-1,6-бисфосфатальдолазы печени человека». Acta Crystallogr. D . 57 (Pt 11): 1526–33. doi :10.1107/S0907444901012719. PMID 11679716.
^ Henry I, Gallano P, Besmond C, Weil D, Mattei MG, Turleau C, Boué J, Kahn A, Junien C (июль 1985). «Структурный ген альдолазы B (ALDB) отображается на 9q13----32». Ann. Hum. Genet . 49 (Pt 3): 173–80. doi :10.1111/j.1469-1809.1985.tb01691.x. PMID 3000275. S2CID 10058239.
^ Tolan DR, Penhoet EE (июнь 1986). «Характеристика гена альдолазы B человека». Mol. Biol. Med . 3 (3): 245–64. PMID 3016456.
^ Cox TM (январь 1994). «Альдолаза B и непереносимость фруктозы». FASEB J . 8 (1): 62–71. doi : 10.1096/fasebj.8.1.8299892 . PMID 8299892. S2CID 39102274.
^ ab Garrett RH, Grisham CM (2010). Биохимия (4-е изд.). Brooks/Cole.
^ Sygusch J, Beaudry D, Allaire M (ноябрь 1987 г.). «Молекулярная архитектура альдолазы скелетных мышц кролика при разрешении 2,7 А». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 84 (22): 7846–50. doi : 10.1073/pnas.84.22.7846 . PMC 299418. PMID 3479768 .
^ ab Pezza JA, Choi KH, Berardini TZ, Beernink PT, Allen KN, Tolan DR (май 2003 г.). «Пространственная кластеризация остатков, специфичных к изозимам, выявляет маловероятные детерминанты специфичности изозимов в фруктозо-1,6-бисфосфатальдолазе». J. Biol. Chem . 278 (19): 17307–13. doi : 10.1074/jbc.M209185200 . PMID 12611890.
^ Pezza JA, Stopa JD, Brunyak EM, Allen KN, Tolan DR (ноябрь 2007 г.). «Термодинамический анализ показывает, что конформационное сопряжение/динамика обеспечивает субстратную специфичность в фруктозо-1,6-бисфосфатальдолазе». Биохимия . 46 (45): 13010–8. doi :10.1021/bi700713s. PMC 2546497. PMID 17935305 .
^ Gomez PF, Ito K, Huang Y, Otsu K, Kuzumaki T, Ishikawa K (ноябрь 1994 г.). «Диетическая и гормональная регуляция транскрипции гена альдолазы B в печени крысы». Arch Biochem Biophys . 314 (2): 307–14. doi :10.1006/abbi.1994.1447. PMID 7979370.
^ Munnich A, Besmond C, Darquy S, et al. (март 1985). «Диетическая и гормональная регуляция экспрессии гена альдолазы B». J. Clin. Invest . 75 (3): 1045–52. doi :10.1172/JCI111766. PMC 423659. PMID 2984252 .
^ Bouteldja N, Timson DJ (апрель 2010 г.). «Биохимическая основа наследственной непереносимости фруктозы». J. Inherit. Metab. Dis . 33 (2): 105–12. doi :10.1007/s10545-010-9053-2. PMID 20162364. S2CID 207099820.
^ Эспозито Г, Витальяно Л, Сантамария Р, Виола А, Загари А, Сальваторе Ф (ноябрь 2002 г.). «Структурный и функциональный анализ мутантов альдолазы B, связанных с наследственной непереносимостью фруктозы». FEBS Lett . 531 (2): 152–6. doi : 10.1016/S0014-5793(02)03451-8 . PMID 12417303. S2CID 7134716.
^ Malay AD, Allen KN, Tolan DR (март 2005 г.). «Структура термолабильной мутантной альдолазы B, A149P: молекулярная основа наследственной непереносимости фруктозы». J Mol Biol . 347 (1): 135–44. doi :10.1016/j.jmb.2005.01.008. PMID 15733923.
^ Tolan DR (1995). «Молекулярная основа наследственной непереносимости фруктозы: мутации и полиморфизмы в гене альдолазы B человека». Hum. Mutat . 6 (3): 210–8. doi : 10.1002/humu.1380060303 . PMID 8535439. S2CID 35127545.
Дальнейшее чтение
Cross NC, de Franchis R, Sebastio G и др. (1990). «Молекулярный анализ генов альдолазы B при наследственной непереносимости фруктозы». Lancet . 335 (8685): 306–9. doi :10.1016/0140-6736(90)90603-3. PMID 1967768. S2CID 1522710.
Cross NC, Stojanov LM, Cox TM (1990). "Новый вариант альдолазы B, N334K, является распространенной причиной наследственной непереносимости фруктозы в Югославии". Nucleic Acids Res . 18 (7): 1925. doi :10.1093/nar/18.7.1925. PMC 330648. PMID 2336380 .
Sakakibara M, Mukai T, Yatsuki H, Hori K (1985). "Ген изофермента альдолазы человека: структура мРНК многовидовой альдолазы B". Nucleic Acids Res . 13 (14): 5055–69. doi :10.1093/nar/13.14.5055. PMC 321849. PMID 2410860 .
Sakakibara M, Takahashi I, Takasaki Y и др. (1989). «Конструирование и экспрессия плазмид экспрессии человеческой альдолазы A и B в хозяине Escherichia coli». Biochim. Biophys. Acta . 1007 (3): 334–42. doi :10.1016/0167-4781(89)90156-5. PMID 2649152.
Mukai T, Yatsuki H, Arai Y и др. (1988). «Ген альдолазы B человека: характеристика геномного гена альдолазы B и анализ последовательностей, необходимых для множественных полиаденилирований». J. Biochem . 102 (5): 1043–51. doi :10.1093/oxfordjournals.jbchem.a122142. PMID 2830249.
Cross NC, Tolan DR, Cox TM (1988). «Каталитический дефицит человеческой альдолазы B при наследственной непереносимости фруктозы, вызванной распространенной миссенс-мутацией». Cell . 53 (6): 881–5. doi :10.1016/S0092-8674(88)90349-2. PMID 3383242. S2CID 31460581.
Paolella G, Santamaria R, Izzo P и др. (1984). «Выделение и нуклеотидная последовательность полноразмерной кДНК, кодирующей альдолазу B из печени человека». Nucleic Acids Res . 12 (19): 7401–10. doi :10.1093/nar/12.19.7401. PMC 320170. PMID 6548561 .
Rottmann WH, Tolan DR, Penhoet EE (1984). «Полная аминокислотная последовательность человеческой альдолазы B, полученная из кДНК и геномных клонов». Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 81 (9): 2738–42. Bibcode :1984PNAS...81.2738R. doi : 10.1073/pnas.81.9.2738 . PMC 345145 . PMID 6585824.
Besmond C, Dreyfus JC, Gregori C и др. (1984). «Нуклеотидная последовательность клона кДНК для человеческой альдолазы B». Biochem. Biophys. Res. Commun . 117 (2): 601–9. doi :10.1016/0006-291X(83)91243-3. PMID 6689266.
Ali M, Cox TM (1995). «Различные мутации в гене альдолазы B, лежащие в основе распространенности наследственной непереносимости фруктозы». Am. J. Hum. Genet . 56 (4): 1002–5. PMC 1801191. PMID 7717389 .
Ali M, Sebastio G, Cox TM (1994). «Идентификация новой мутации (Leu 256→Pro) в гене альдолазы B человека, связанной с наследственной непереносимостью фруктозы». Hum. Mol. Genet . 3 (1): 203–4. doi :10.1093/hmg/3.1.203. PMID 8162030.
Brooks CC, Tolan DR (1994). «Частично активная мутантная альдолаза B у пациента с наследственной непереносимостью фруктозы». FASEB J . 8 (1): 107–13. doi : 10.1096/fasebj.8.1.8299883 . PMID 8299883. S2CID 7577134.
Кусакабе Т., Мотоки К., Хори К. (1997). «Способ взаимодействия изоферментов альдолазы человека с цитоскелетами». Arch. Biochem. Biophys . 344 (1): 184–93. doi :10.1006/abbi.1997.0204. PMID 9244396.
Lau J, Tolan DR (1999). «Скрининг наследственных мутаций непереносимости фруктозы методом обратного дот-блота». Mol. Cell. Probes . 13 (1): 35–40. doi : 10.1006/mcpr.1998.0208 . PMID 10024431.
Сантамария Р., Эспозито Г., Витаглиано Л. и др. (2001). «Функциональные и молекулярные модельные исследования двух наследственных мутаций, вызывающих непереносимость фруктозы, в положении аргинина 303 в альдолазе печени человека». Biochem. J . 350 Pt 3 (Pt 3): 823–8. doi :10.1042/0264-6021:3500823. PMC 1221316 . PMID 10970798.
Susan PP, Dunn WA (2001). «Вызванная голоданием лизосомальная деградация альдолазы B требует глутамина 111 в сигнальной последовательности для транспорта, опосредованного шапероном». J. Cell. Physiol . 187 (1): 48–58. doi :10.1002/1097-4652(2001)9999:9999<00::AID-JCP1050>3.0.CO;2-I. PMID 11241348. S2CID 32109377.
Расположение генома человека ALDOB и страница с подробностями гена ALDOB в браузере геномов UCSC .
^ Beebe JA, Frey PA (1 октября 1998 г.). «Галактозомутаза: очистка, характеристика и исследования двух важных остатков гистидина». Биохимия . 37 (42): 14989–14997. doi :10.1021/bi9816047. ISSN 0006-2960.