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 транс -двойной связи между C2 (α) и C3 (β) субстрата тиоэфира ацил-КоА . [1] Флавинадениндинуклеотид (FAD) является необходимым кофактором в дополнение к присутствию глутамата активного центра для функционирования фермента.

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

ACAD можно разделить на три отдельные группы на основе их специфичности к субстратам жирных кислот ацил-КоА с короткой, средней или длинной цепью. В то время как различные дегидрогеназы нацелены на жирные кислоты с различной длиной цепи, все типы ACAD механистически схожи. Различия в ферменте возникают на основе расположения активного центра вдоль аминокислотной последовательности. [2]

ACADs являются важным классом ферментов в клетках млекопитающих из-за их роли в метаболизме жирных кислот , присутствующих в потребляемых пищевых материалах. Действие этого фермента представляет собой первый шаг в метаболизме жирных кислот (процесс разрыва длинных цепей жирных кислот в молекулы ацетил-КоА). Дефицит этих ферментов связан с генетическими нарушениями, включающими окисление жирных кислот (т.е. нарушения обмена веществ). [3]

Ферменты ACAD были идентифицированы у животных (из которых существует 9 основных эукариотических классов), 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 α 4 гомотетрамерами , а в двух случаях (для субстратов жирных кислот с очень длинной цепью) они являются α 2 гомодимерами . Был обнаружен дополнительный класс ацил-КоА-дегидрогеназ, который катализирует реакции α,β-ненасыщенности с тиоэфирами стероид-КоА в определенных типах бактерий. [8] [9] Было показано, что этот класс ACAD образует гетеротетрамеры α2β2 , а не обычный гомотетрамер α4 , белковую архитектуру, которая развилась для того, чтобы приспособиться к гораздо большему субстрату стероид-КоА. [10] [11]

ACAD классифицируются как EC 1.3.99.3.

Структура

Структура тетрамера среднецепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы. Молекулы FAD показаны желтым цветом. PDB : 1EGC

Среднецепочечная ацил-КоА-дегидрогеназа (MCAD) является наиболее известной структурой из всех ACAD и наиболее часто встречающимся дефицитным ферментом в классе, что приводит к метаболическим нарушениям у животных. [1] Этот белок является гомотетрамером, каждая субъединица которого содержит около 400 аминокислот и один эквивалент FAD на мономер. Тетрамер классифицируется как «димер димеров» с общим диаметром около 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 сайта, 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 внутри каждого мономера фермента. Активный центр выстлан остатками F252, T255, V259, T96, T99, A100, L103, Y375, Y375 и E376. Интересующая область внутри субстрата становится 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 направленной на октаноил-КоА (C8-КоА). [12]

Была обнаружена новая архитектура фермента ACAD в некоторых видах бактерий, использующих стероиды ( Actinomycetota и Pseudomonadota ), которая участвует в утилизации вездесущих стероидных субстратов, таких как холестерин, патогенными организмами, такими как Mycobacterium tuberculosis . Генетически эта структура кодируется двумя отдельными генами ( открытыми рамками считывания ), которые образуют облигатный гетеротетрамический комплекс α 2 β 2. Скорее всего, эта структура возникла в результате 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 их совместной экспрессии в виде комплекса. Вероятно, это позволило сайту связывания субстрата значительно открыться для размещения гораздо более крупных полициклических субстратов CoA, а не жирных кислот с различной длиной цепи.

Механизм

Общий механизм действия ацил-КоА-дегидрогеназы

Механизм ацил-КоА-дегидрогеназы осуществляется посредством элиминации E2 . Эта элиминация инициируется остатком глутамата , который, хотя и необходим для механизма, не сохраняется. [1]

Остаток появляется в широком диапазоне положений в различных типах фермента (это Glu 376 в MCAD). Остаток глутамата депротонирует про-R водород альфа- углерода . Водородная связь карбонильного кислорода субстрата как с 2'-OH боковой цепи рибитила FAD , так и с основной цепью NH ранее упомянутого остатка глутамата снижает pKa этого протона , что позволяет ему легко удаляться глутаматом. [1]

Крупный план активного центра среднецепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы. FAD связан. Субстрат будет связываться в пространстве между Glu-376 и FAD, когда инициируется окисление жирных кислот. PDB : 3MDD

Поскольку альфа- углерод депротонируется, про-R-водород бета-углерода уходит в качестве гидрида в FAD в согласованном шаге. Он присоединяется к Re -поверхности 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 трансформировался в α,β- ненасыщенный тиоэфир . [1]

Когда FAD подхватывает гидрид, карбонильный кислород, соседствующий с азотом N-1, становится отрицательно заряженным. Эти электроны находятся в резонансе с азотом N-1, распределяя и стабилизируя полученный отрицательный заряд. Заряд также стабилизируется водородными связями между интересующим кислородом и азотом и различными остатками внутри фермента. [1]

Клиническое значение

Дефицит ацил-КоА-дегидрогеназы приводит к снижению способности окислять жирные кислоты, тем самым указывая 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 нарушениям окисления жирных кислот и потенциально опасным для жизни метаболическим заболеваниям . Некоторые симптомы дефицита ацил-КоА-дегидрогеназы средней цепи включают непереносимость голодания , гипогликемию и синдром внезапной детской смерти . Эти симптомы рассматриваются как напрямую связанные с неспособностью усваивать жиры . Непереносимость голодания и гипогликемия являются результатом неспособности получать энергию и производить сахар из жировых запасов, что является способом хранения большей части избыточной энергии у людей. Кроме того, жирные кислоты могут начать накапливаться в крови , снижая pH крови и вызывая ацидоз . [1]

MCAD связана с внезапной детской смертью . Примерно 90% случаев MCAD вызваны единственной точечной мутацией , при которой лизин в позиции 304 (Lys304) заменяется остатком глутамата , что препятствует нормальному функционированию фермента. [1] Сообщается, что каждый год 1 из 20 000 младенцев рождается с дефицитом его/ее среднецепочечных ацил-КоА-дегидрогеназ, вызванным мутацией. Мутация рецессивна , и часто родители детей , у которых есть дефицит, впоследствии могут быть диагностированы как носители. [3]

У людей наиболее распространенная естественная мутация в MCAD локализуется в аминокислотном остатке Lys-304. [1] Измененный остаток возникает в результате одноточечной мутации, в 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 вводится дополнительный отрицательный заряд, что нарушает нормально возникающую водородную связь. Такое нарушение изменяет схему сворачивания фермента, в конечном итоге ставя под угрозу его стабильность и подавляя его функцию в окислении жирных кислот. [12] Эффективность мутировавшего белка примерно в 10 раз ниже, чем у естественного белка. [13] Это может привести к симптомам дефицита, перечисленным выше.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcdefghij Thorpe, C.; Kim, JJ (июнь 1995). «Структура и механизм действия ацил-КоА-дегидрогеназ». FASEB J . 9 (9): 718–25. doi : 10.1096/fasebj.9.9.7601336 . PMID  7601336. S2CID  42549744.
  2. ^ ab Kim JJ, Wang M, Paschke R (август 1993 г.). "Кристаллические структуры среднецепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы из митохондрий печени свиньи с субстратом и без него". Proc. Natl. Acad. Sci. USA . 90 (16): 7523–7. Bibcode :1993PNAS...90.7523K. doi : 10.1073/pnas.90.16.7523 . PMC 47174 . PMID  8356049. 
  3. ^ ab Touma EH, Charpentier C (январь 1992 г.). "Дефицит ацил-КоА-дегидрогеназы средней цепи". Arch. Dis. Child . 67 (1): 142–5. doi :10.1136/adc.67.1.142. PMC 1793557 . PMID  1739332. 
  4. ^ Боде, К.; Хукс, МА; Куи, И. (1999). «Идентификация, разделение и характеристика дегидрогеназ ацил-кофермента А, участвующих в митохондриальном β-окислении у высших растений». Plant Physiol . 119 (4): 1305–1314. doi :10.1104/pp.119.4.1305. PMC 32015. PMID  10198089. 
  5. ^ Komuniecki, R.; Fekete, S.; Thissen-Parra, J. (1985). «Очистка и характеристика 2-метил-разветвленной цепи ацил-КоА дегидрогеназы, фермента, участвующего в НАДН-зависимом восстановлении еноил-КоА в анаэробных митохондриях нематоды Ascaris suum». J Biol Chem . 260 (8): 4770–4777. doi : 10.1016/S0021-9258(18)89138-4 . PMID  3988734.
  6. ^ Кионка, К.; Кунау, WH (1985). «Индуцируемый путь β-окисления в Neurospora crassa». J Bacteriol . 161 (1): 153–157. doi :10.1128/jb.161.1.153-157.1985. PMC 214849. PMID  3155714 . 
  7. ^ Кэмпбелл, Дж. У.; Кронан, Дж. Э. Мл. (2002). «Загадочный ген fadE Escherichia coli — это yafH». J. Bacteriol . 184 (13): 3759–64. CiteSeerX 10.1.1.333.9931 . doi : 10.1128/JB.184.13.3759-3764.2002. PMC 135136. PMID  12057976.  
  8. ^ Томас, СТ; Сэмпсон, НС (2013). «Mycobacterium tuberculosis использует уникальную гетеротетрамерную структуру для дегидрирования боковой цепи холестерина». Биохимия . 52 (17): 2895–2904. doi :10.1021/bi4002979. PMC 3726044. PMID  23560677 . 
  9. ^ Випперман, М.Ф.; Янг, М.; Томас, СТ.; Сэмпсон, Н.С. (2013). «Уменьшение протеома FadE микобактерий туберкулеза: понимание метаболизма холестерина путем идентификации гетеротетрамерного семейства ацил-коэнзима А α2β2». J. Bacteriol . 195 (19): 4331–4341. doi :10.1128/JB.00502-13. PMC 3807453. PMID  23836861 . 
  10. ^ Voskuil, MI (2013). «Mycobacterium tuberculosis Cholesterol Catabolism Requires a New Class of Acyl Coenzyme A Dehydrogenase». J. Bacteriol . 195 (19): 4319–4321. doi :10.1128/JB.00867-13. PMC 3807469. PMID 23893117  . 
  11. ^ Випперман, Мэтью, Ф.; Томас, Сюзанна, Т.; Сэмпсон, Николь, С. (2014). «Патогенная ярость: использование холестерина микобактериями туберкулеза». Crit. Rev. Biochem. Mol. Biol . 49 (4): 269–93. doi :10.3109/10409238.2014.895700. PMC 4255906. PMID  24611808 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  12. ^ ab Kieweg V, Kräutle FG, Nandy A, et al. (июнь 1997 г.). "Биохимическая характеристика очищенной человеческой рекомбинантной Lys304→Glu ацил-КоА-дегидрогеназы со средней цепью, содержащей распространенную мутацию, вызывающую заболевания, и сравнение с нормальным ферментом" (PDF) . Eur. J. Biochem . 246 (2): 548–56. doi : 10.1111/j.1432-1033.1997.00548.x . PMID  9208949.
  13. ^ Nasser I, Mohsen AW, Jelesarov I, Vockley J, Macheroux P, Ghisla S (сентябрь 2004 г.). «Термическое разворачивание среднецепочечной ацил-КоА-дегидрогеназы и изо(3)валерил-КоА-дегидрогеназы: изучение влияния генетических дефектов на стабильность фермента». Biochim. Biophys. Acta . 1690 (1): 22–32. doi : 10.1016/j.bbadis.2004.04.008 . PMID  15337167.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки