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.
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 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]
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]
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.
{{cite journal}}
: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )