stringtranslate.com

Аспартацилаза

Аспартоацилаза — это гидролитический фермент ( EC 3.5.1.15, также называемый аминоацилазой II , ASPA и другими названиями [a] ), который у людей кодируется геном ASPA . ASPA катализирует деацилирование N -ацетил-L-аспартата ( N-ацетиласпартата) в аспартат и ацетат . [7] [8] Это цинк-зависимая гидролаза, которая способствует депротонированию воды для использования в качестве нуклеофила в механизме, аналогичном многим другим цинк-зависимым гидролазам. [9] Чаще всего она встречается в мозге , где она контролирует уровни N -ацетил-L-аспартата. Мутации , которые приводят к потере активности аспартоацилазы, связаны с болезнью Канавана , редким аутосомно-рецессивным нейродегенеративным заболеванием. [10]

Структура

Аспартоацилаза представляет собой димер двух идентичных мономеров из 313 аминокислот и использует цинковый кофактор в каждом. [5] [11] В каждом мономере есть два различных домена: N-концевой домен из остатков 1-212 и C-концевой домен из остатков 213-313. [12] N-концевой домен аспартоацилазы похож на домен цинк-зависимых гидролаз, таких как карбоксипептидаза A. Однако карбоксипептидазы не имеют чего-то похожего на C-домен. В карбоксипептидазе A активный сайт доступен для больших субстратов, таких как громоздкий C-концевой остаток полипептидов , тогда как C-домен стерически затрудняет доступ к активному сайту в аспартоацилазе. Вместо этого N-домен и C-домен аспартоацилазы образуют глубокий узкий канал, который ведет к активному сайту. [5]

Кофактор цинка находится в активном центре и удерживается Glu-24, His-21 и His 116. [13] Субстрат удерживается на месте Arg-63, Asn-70, Arg-71, Tyr-164, Arg-168 и Tyr-288. [5] Кофактор цинка используется для снижения pKa лигированной молекулы воды, чтобы могла произойти атака на N-ацетил-L-аспартат, и для стабилизации полученного тетраэдрического промежуточного соединения вместе с Arg-63 и Glu-178. [13]

Мономер аспартаацилазы с N-доменом зеленого цвета, C-доменом желтого цвета и кофактором цинка красного цвета. Генерируется из 2I3C. [5]
Активный центр аспартаацилазы со связанным N-фосфонамидат-L-аспартатом. Это тетраэдрический промежуточный аналог с фосфором, заменяющим атакованный углерод. В структуре цинк, Arg-63 и Glu-178 стабилизируют тетраэдрический промежуточный продукт. Образуется из 2O4H. [13]

Механизм

Существует два типа возможных механизмов для цинк-зависимых гидролаз в зависимости от того, что является нуклеофилом . Первый использует депротонированную воду, а второй атакует аспартат или глутамат , сначала образуя ангидрид . [14] Аспартоацилаза следует механизму депротонированной воды. [13] Цинк снижает pKa лигированной молекулы воды, и реакция продолжается через атаку на N-ацетил-1-аспартат, когда молекула воды депротонируется Glu-178. [5] Это приводит к тетраэдрическому промежуточному соединению , которое стабилизируется цинком, Arg-63 и Glu-178. [13] Наконец, затем карбонил преобразуется, связь с азотом разрывается, и азот протонируется протоном, взятым Glu-178, все в одном согласованном шаге. [14]

Механизм аспартоацилазы. [13] Все координирующие остатки не показаны для ясности.

Биологическая функция

Аспартоацилаза используется для метаболизма N -ацетил-L-аспартата, катализируя его деацилирование. Аспартоацилаза предотвращает накопление N-ацетил-L-аспартата в мозге. Считается, что контроль уровня N-ацетил-L-аспартата необходим для развития и поддержания белого вещества . [5] Неизвестно, почему в мозге вырабатывается так много N-ацетил-L-аспартата и какова его основная функция. [15] Однако одна из гипотез заключается в том, что он потенциально используется в качестве химического резервуара, который может быть использован для получения ацетата для синтеза ацетил-КоА или аспартата для синтеза глутамата . [15] [16] Таким образом, N-ацетил-L-аспартат может использоваться для транспортировки этих молекул- предшественников , а аспартоацилаза используется для их высвобождения. Например, N-ацетил-L-аспартат, вырабатываемый в нейронах, может транспортироваться в олигодендроциты , а высвобожденный ацетат может использоваться для синтеза миелина . [12] [17] Другая гипотеза заключается в том, что N-ацетил-L-аспартат является важным осмолитом , который действует как молекулярный водный насос, помогающий поддерживать правильный баланс жидкости в мозге. [18]

Актуальность заболевания

Мутации , которые приводят к потере активности аспартаацилазы, были идентифицированы как причина болезни Канавана . [19] Болезнь Канавана — редкое аутосомно-рецессивное заболевание, которое вызывает губчатую дегенерацию белого вещества мозга и тяжелую психомоторную задержку, обычно приводящую к смерти в молодом возрасте. [12] [20] Потеря активности аспартаацилазы приводит к накоплению N-ацетил-L-аспартата в мозге и увеличению концентрации мочи до 60 раз по сравнению с нормальными уровнями. [19] Хотя точный механизм того, как потеря активности аспартаацилазы приводит к болезни Канавана, до конца не изучен, существует два основных конкурирующих объяснения. Первое заключается в том, что это приводит к дефектному синтезу миелина из-за дефицита ацетил-КоА, полученного из ацетатного продукта. [20] Другое объяснение заключается в том, что повышенные уровни N-ацетил-L-аспартата мешают его нормальному механизму осморегуляции мозга , что приводит к осмотическому дисбалансу. [21]

Существует более 70 зарегистрированных мутаций этого фермента, но наиболее распространенными являются замены аминокислот E285A и A305E. [12] E285A снижает активность аспартаацилазы до 0,3% от ее нормальной функции и обнаруживается в 98% случаев у ашкеназских евреев . [22] Мутация A305E обнаруживается примерно у 40% пациентов нееврейской национальности и снижает активность примерно до 10%. [22] Из этих двух мутаций была взята кристаллическая структура мутанта E285A, показывающая, что потеря водородной связи от глутамата приводит к конформационному изменению, которое искажает активный сайт и изменяет связывание субстрата, что приводит к гораздо более низкой каталитической активности. [12]

Искажение активного центра, вызванное мутацией E285A. Дикий тип ASPA находится слева (2O4H [5] ), а E285A справа (4NFR [12] ).

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Фермент также известен как N-ацетиласпартатамидогидролаза , ацетиласпарагиновая дезаминаза или ацилаза II [6]

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000108381 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000020774 – Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ abcdefgh Bitto E, Bingman CA, Wesenberg GE, McCoy JG, Phillips GN (январь 2007 г.). «Структура аспартаацилазы, фермента мозга, нарушенного при болезни Канавана». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (2): 456–61. doi : 10.1073/pnas.0607817104 . PMC 1766406. PMID  17194761 . 
  6. ^ "Аспартоацилаза (EC 3.5.1.15)". biocyc.org . Архивировано из оригинала 22 июля 2022 г. Получено 2022-07-22 .
  7. ^ Бирнбаум SM (1955). [12] Аминоацилаза . Методы в энзимологии. Т. 2. С. 115–119. doi :10.1016/S0076-6879(55)02176-9. ISBN 9780121818029.
  8. ^ Birnbaum SM, Levintow L, Kingsley RB, Greenstein JP (январь 1952). «Специфичность ацилаз аминокислот». Журнал биологической химии . 194 (1): 455–70. doi : 10.1016/S0021-9258(18)55898-1 . PMID  14927637.
  9. ^ Le Coq J, An HJ, Lebrilla C, Viola RE (май 2006 г.). «Характеристика человеческой аспартоацилазы: фермент мозга, ответственный за болезнь Канавана». Биохимия . 45 (18): 5878–84. doi :10.1021/bi052608w. PMC 2566822. PMID  16669630 . 
  10. ^ Hershfield JR, Pattabiraman N, Madhavarao CN, Namboodiri MA (май 2007 г.). «Мутационный анализ аспартоацилазы: значение для болезни Канавана». Brain Research . 1148 : 1–14. doi : 10.1016/j.brainres.2007.02.069. PMC 1933483. PMID  17391648 . 
  11. ^ Herga S, Berrin JG, Perrier J, Puigserver A, Giardina T (октябрь 2006 г.). «Идентификация лигандов, связывающих цинк, и каталитического остатка в человеческой аспартоацилазе, ферменте, участвующем в болезни Канавана». FEBS Letters . 580 (25): 5899–904. Bibcode : 2006FEBSL.580.5899H. doi : 10.1016/j.febslet.2006.09.056 . PMID  17027983. S2CID  41351955.
  12. ^ abcdef Wijayasinghe YS, Pavlovsky AG, Viola RE (август 2014). «Аспартоацилазная каталитическая недостаточность как причина болезни Канавана: структурная перспектива». Биохимия . 53 (30): 4970–8. doi : 10.1021/bi500719k . PMID  25003821.
  13. ^ abcdef Le Coq J, Pavlovsky A, Malik R, Sanishvili R, Xu C, Viola RE (март 2008 г.). «Исследование механизма аспартацилазы человеческого мозга посредством связывания промежуточного аналога». Биохимия . 47 (11): 3484–92. doi :10.1021/bi702400x. PMC 2666850. PMID  18293939 . 
  14. ^ ab Zhang C, Liu X, Xue Y (январь 2012 г.). «Общий механизм реакции кислота–общее основание для аспартоацилазы человеческого мозга: исследование QM/MM». Computational and Theoretical Chemistry . 980 : 85–91. doi :10.1016/j.comptc.2011.11.023.
  15. ^ ab Moffett JR, Arun P, Ariyannur PS, Namboodiri AM (декабрь 2013 г.). "Снижение уровня N-ацетиласпартата при травме мозга: влияние на нейроэнергетику после травмы, синтез липидов и ацетилирование белков". Frontiers in Neuroenergetics . 5 : 11. doi : 10.3389/fnene.2013.00011 . PMC 3872778 . PMID  24421768. 
  16. ^ Hershfield JR, Madhavarao CN, Moffett JR, Benjamins JA, Garbern JY, Namboodiri A (октябрь 2006 г.). «Аспартоацилаза — регулируемый ядерно-цитоплазматический фермент». FASEB Journal . 20 (12): 2139–41. doi : 10.1096/fj.05-5358fje . PMID  16935940. S2CID  36296718.
  17. ^ Чакраборти Г., Мекала П., Яхья Д., Ву Г., Ледин Р.В. (август 2001 г.). «Внутринейрональный N-ацетиласпартат поставляет ацетильные группы для синтеза липидов миелина: доказательства миелин-ассоциированной аспартаацилазы». Журнал нейрохимии . 78 (4): 736–45. doi : 10.1046/j.1471-4159.2001.00456.x . PMID  11520894. S2CID  23338456.
  18. ^ Baslow MH (апрель 2002 г.). «Доказательства, подтверждающие роль N-ацетил-L-аспартата как молекулярного водяного насоса в миелинизированных нейронах центральной нервной системы. Аналитический обзор». Neurochemistry International . 40 (4): 295–300. doi :10.1016/s0197-0186(01)00095-x. PMID  11792458. S2CID  34902757.
  19. ^ ab Moore RA, Le Coq J, Faehnle CR, Viola RE (май 2003 г.). «Очистка и предварительная характеристика аспартацилазы мозга». Архивы биохимии и биофизики . 413 (1): 1–8. CiteSeerX 10.1.1.600.6321 . doi :10.1016/s0003-9861(03)00055-9. PMID  12706335. 
  20. ^ аб Намбудири А.М., Питамбаран А., Мэтью Р., Самбху П.А., Хершфилд Дж., Моффетт Дж.Р., Мадхаварао К.Н. (июнь 2006 г.). «Болезнь Канавана и роль N-ацетиласпартата в синтезе миелина». Молекулярная и клеточная эндокринология . 252 (1–2): 216–23. doi : 10.1016/j.mce.2006.03.016. PMID  16647192. S2CID  12255670.
  21. ^ Baslow MH, Guilfoyle DN (апрель 2013 г.). «Болезнь Канавана, редкая губчатая лейкодистрофия человека с ранним началом: понимание ее генезиса и возможных клинических вмешательств». Biochimie . 95 (4): 946–56. doi :10.1016/j.biochi.2012.10.023. PMID  23151389.
  22. ^ ab Zano S, Wijayasinghe YS, Malik R, Smith J, Viola RE (январь 2013 г.). «Связь между свойствами ферментов и прогрессированием заболевания при болезни Канавана». Журнал наследственных метаболических заболеваний . 36 (1): 1–6. doi :10.1007/s10545-012-9520-z. PMID  22850825. S2CID  34211521.

Внешние ссылки