stringtranslate.com

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 между C2 (α) и C3 (β) тиоэфирного субстрата ацил-КоА . [1] Флавинадениндинуклеотид (ФАД) является необходимым кофактором в дополнение к наличию глутамата активного центра для функционирования фермента.

Следующая реакция представляет собой окисление жирной кислоты с помощью FAD с образованием тиоэфира α,β-ненасыщенной жирной кислоты кофермента А :

ACAD можно разделить на три отдельные группы в зависимости от их специфичности к субстратам ацил-КоА жирных кислот 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 клетках млекопитающих 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 окислением жирных кислот (т.е. метаболическими нарушениями). [3]

Ферменты ACAD были идентифицированы у животных (из которых существует 9 основных классов эукариот), а также у растений, [4] нематод, [5] грибов, [6] и бактерий. [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 гомотетрамерами α4 , а в двух случаях (для субстратов жирных кислот с очень длинной цепью) они представляют собой гомодимеры α2 . 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.

Состав

Структура тетрамера ацил-КоА-дегидрогеназы со средней длиной цепи. Молекулы ФАД показаны желтым цветом. Код PDB: 1egc.

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 ( открытыми рамками считывания ), которые образуют облигатный гетеротетрамный комплекс α2β2 . 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

Общий механизм действия ацил-КоА-дегидрогеназы.

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'-OH рибитильной боковой цепи FAD, так и с основной цепью NH ранее упомянутого остатка глутамата снижает pKa этого протона , позволяя ему легко удаляться глутаматом . [1]

Крупным планом активный центр ацил-КоА-дегидрогеназы средней цепи. ФАД связан. Субстрат будет связываться в пространстве между Glu-376 и FAD, когда инициализируется окисление жирных кислот. Код PDB: 3mdd.

По мере депротонирования альфа- углерода 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 теперь трансформирован в α, β ненасыщенный тиоэфир . [1]

Когда FAD захватывает гидрид, карбонильный кислород, соседний с азотом N-1 , 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

Дефицит ацил-КоА-дегидрогеназ приводит к снижению способности окислять жирные кислоты , что указывает на метаболическую дисфункцию. Дефицит среднецепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы ( MCADD ) хорошо известен и охарактеризован, поскольку он чаще всего встречается среди ацил-КоА-дегидрогеназ, что приводит к нарушениям окисления жирных кислот 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 , снижая pH крови 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 у родителей детей , у которых есть дефицит , впоследствии могут быть диагностированы 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, чем у природного белка . [13] Это может привести к симптомам дефицита, перечисленным выше.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abcdefghij 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. PMID  7601336. S2CID  42549744.
  2. ^ аб Ким Дж. Дж., 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. 
  3. ^ ab Touma EH, Шарпантье C (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. 
  4. ^ 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. 
  5. ^ 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.
  6. ^ 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. 
  7. ^ Кэмпбелл, JW; Кронан, Дж. Э. младший (2002). «Загадочный ген fadE Escherichia coli — 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.  
  8. ^ Томас, ST; 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. 
  9. ^ Випперман, МФ; Ян, М.; Томас, Северная Каролина; Сэмпсон, Н.С. (2013). «Сокращение протеома FadE микобактерии туберкулеза: понимание метаболизма холестерина посредством идентификации семейства гетеротетрамерных ацил-коэнзимов А-дегидрогеназ α2β2». Дж. Бактериол . 195 (19): 4331–4341. дои : 10.1128/JB.00502-13. ПМЦ 3807453 . ПМИД  23836861. 
  10. ^ Воскуил, Мичиган (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. 
  11. ^ 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 )
  12. ^ ab Kieweg V, Kräutle FG, Nandy A 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.
  13. ^ Насер I, Мохсен AW, Желесаров I, 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.

дальнейшее чтение

Внешние ссылки