stringtranslate.com

Глюкозо-6-фосфатаза

Борон, Уолтер Ф.; Булпаеп, Эмиль Л., ред. (2017). Медицинская физиология (3-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier. ISBN 978-1-4557-4377-3.

Глюкозо-6-фосфат
Глюкоза

Фермент глюкозо-6-фосфатаза (EC 3.1.3.9, G6Pase ; систематическое название D -глюкозо-6-фосфатфосфогидролаза ) катализирует гидролиз глюкозо-6-фосфата , что приводит к образованию фосфатной группы и свободной глюкозы:

D -глюкозо-6-фосфат + H2O = D -глюкоза + фосфат

Во время голодания адекватный уровень глюкозы в крови обеспечивается глюкозой, высвобождаемой из запасов гликогена печени путем гликогенолиза , а также глюкозой, вырабатываемой глюконеогенезом в печени, а также — в меньшей степени — в почках. G6P является продуктом обоих этих путей [1] и должен быть преобразован в глюкозу, прежде чем он сможет быть экспортирован из клетки в кровь мембраносвязанными переносчиками глюкозы . [2] Таким образом, G6Pase в основном экспрессируется в печени и почках [1] — в то время как скелетные мышцы в совокупности содержат наиболее существенный запас гликогена в организме, глюкоза не может быть мобилизована из них, поскольку в мышцах отсутствует G6Pase. [3] : 1171 

Инсулин подавляет активность печеночной G6Pase, [3] : 1046,  тогда как глюкагон стимулирует ее. [3] : 1052  Экспрессия G6Pase увеличивается при голодании, при диабете и при приеме глюкокортикостероидов . [1]

Глюкозо-6-фосфатаза представляет собой комплекс многокомпонентных белков, включая транспортеры для G6P, глюкозы и фосфата. Основная функция фосфатазы выполняется каталитической субъединицей глюкозо-6-фосфатазы. У человека существует три изофермента каталитической субъединицы: глюкозо-6-фосфатаза-α, кодируемая G6PC ; IGRP, кодируемая G6PC2 ; и глюкозо-6-фосфатаза-β, кодируемая G6PC3 . [4]

Глюкозо-6-фосфатаза-α и глюкозо-6-фосфатаза-β являются функциональными фосфогидролазами и имеют схожую структуру активного центра, топологию, механизм действия и кинетические свойства в отношении гидролиза G6P. [5] Напротив, IGRP практически не имеет гидролазной активности и может играть другую роль в стимуляции секреции инсулина поджелудочной железой. [6]

Ванадийсодержащий фермент хлорпероксидазы с аминокислотными остатками, показанными цветом. Ванадийсодержащая хлорпероксидаза имеет похожую структуру и активный центр, как глюкозо-6-фосфатаза.(Из pdb 1IDQ)
Положение остатков аминокислот активного центра ванадийсодержащей хлорпероксидазы показано по отношению к поверхности фермента. (Из pdb 1IDQ)
Активный сайт хлорпероксидазы, содержащей ванадий. Остатки Lys353, Arg360, Arg490, His404 и His496 соответствуют Lys76, Arg83, Arg170, His119 и His176 в Glc 6-Pase. (Из pdb 1IDQ)

Биохимия

Хотя четкий консенсус не был достигнут, большое количество ученых придерживаются модели транспорта субстрата для учета каталитических свойств глюкозо-6-фосфатазы. В этой модели глюкозо-6-фосфатаза имеет низкую степень селективности. Перенос глюкозо-6-фосфата осуществляется транспортным белком (Т1), а эндоплазматический ретикулум (ЭР) содержит структуры, позволяющие выход фосфатной группы (Т2) и глюкозы (Т3). [7]

Глюкозо-6-фосфатаза состоит из 357 аминокислот и прикреплена к эндоплазматическому ретикулуму (ЭР) девятью трансмембранными спиралями. Ее N -конец и активный центр находятся на стороне просвета ЭР, а ее С -конец выступает в цитоплазму. Из-за ее тесной связи с ЭР точная структура глюкозо-6-фосфатазы остается неизвестной. Однако выравнивание последовательностей показало, что глюкозо-6-фосфатаза структурно похожа на активный центр хлорпероксидазы, содержащей ванадий, обнаруженной в Curvularia inaequalis. [8]

На основе исследований кинетики pH катализа глюкозо-6-фосфатазы-α было высказано предположение, что гидролиз глюкозо-6-фосфата завершается через ковалентный фосфогистидин глюкозо-6-фосфатный интермедиат. Активный сайт глюкозо-6-фосфатазы-α был первоначально идентифицирован по наличию консервативного мотива фосфатной сигнатуры, обычно обнаруживаемого в липидных фосфатазах, кислых фосфатазах и ванадиевых галопероксидазах. [5]

Основные остатки в активном центре ванадиевых галопероксидаз включают: Lys353, Arg360, Arg490, His404 и His496. Соответствующие остатки в активном центре глюкозо-6-фосфатазы-α включают Arg170 и Arg83, которые отдают ионы водорода фосфату, стабилизируя переходное состояние, His119, который обеспечивает протон для дефосфорилированного кислорода, присоединенного к глюкозе, и His176, который завершает нуклеофильную атаку на фосфат с образованием ковалентно связанного фосфорилированного промежуточного фермента. [9] В хлоропероксидазе, содержащей ванадий, было обнаружено, что Lys353 стабилизирует фосфат в переходном состоянии. Однако соответствующий остаток в глюкозо-6-фосфатазе-α (Lys76) находится внутри мембраны ЭР, и его функция, если таковая имеется, в настоящее время не определена. За исключением Lys76, все эти остатки расположены на люминальной стороне мембраны ЭР. [5]

Глюкозо-6-фосфатаза-β — это повсеместно экспрессируемый мембранный белок из 346 аминокислот, который на 36% идентичен последовательности глюкозо-6-фосфатазы-α. В ферменте глюкозо-6-фосфатазы-β выравнивание последовательностей предсказывает, что его активный центр содержит His167, His114 и Arg79. Подобно активному центру глюкозо-6-фосфатазы-α, His167 — это остаток, который обеспечивает нуклеофильную атаку, а His114 и Arg79 — доноры водорода. Глюкозо-6-фосфатаза-β также локализована в мембране ЭР, хотя ее ориентация неизвестна. [5]

Механизм

Гидролиз глюкозо-6-фосфата начинается с нуклеофильной атаки His176 на связанный с сахаром фосфат, что приводит к образованию фосфогистидиновой связи и деградации карбонила. Затем отрицательно заряженный кислород передает свои электроны, преобразуя карбонил и разрывая его связь с глюкозой. Затем отрицательно заряженный связанный с глюкозой кислород протонируется His119, образуя свободную глюкозу. Фосфо-промежуточное соединение, полученное в результате реакции между His176 и фосфатной группой, затем разрушается гидрофильной атакой; после добавления другого гидроксида и разложения карбонила карбонил преобразуется, отнимая электроны, первоначально предоставленные остатком His176, тем самым создавая свободную фосфатную группу и завершая гидролиз. [9]

Выражение

Гены, кодирующие фермент, в первую очередь экспрессируются в печени, корковом веществе почек и (в меньшей степени) в β-клетках островков поджелудочной железы и слизистой оболочке кишечника (особенно во время голодания). [7] Глюкозо-6-фосфатаза присутствует в самых разных мышцах животного мира, хотя и в очень низких концентрациях. [10] Таким образом, гликоген, который запасают мышцы, обычно недоступен для остальных клеток организма, поскольку глюкозо-6-фосфат не может пересечь сарколемму, если он не дефосфорилирован. Фермент играет важную роль в периоды голодания и при низком уровне глюкозы. Было показано, что голодание и диабет вызывают двух-трехкратное увеличение активности глюкозо-6-фосфатазы в печени. [7] Активность Glc 6-Pase также резко возрастает при рождении, когда организм становится независимым от источника глюкозы матери. Ген человеческого Glc 6-Pase содержит пять экзонов, охватывающих приблизительно 125,5 кб ДНК, расположенных на хромосоме 17q21. [11]

Клиническое значение

Мутации системы глюкозо-6-фосфатазы, а именно субъединицы глюкозо-6-фосфатазы-α (глюкозо-6-фосфатаза-α), транспортера глюкозы-6 (G6PT) и субъединицы глюкозо-6-фосфатазы-β (глюкозо-6-фосфатаза-β или G6PC3), приводят к дефициту поддержания интерпрандиального гомеостаза глюкозы , а также функции и гомеостаза нейтрофилов . [12] [13] Мутации как в глюкозо-6-фосфатазе-α, так и в G6PT приводят к болезни накопления гликогена I типа (GSD 1, болезнь фон Гирке). [14] А именно, мутации в глюкозо-6-фосфатазе-α приводят к болезни накопления гликогена I типа, которая характеризуется накоплением гликогена и жира в печени и почках, что приводит к гепатомегалии и реномегалии. [15] GSD-1a составляет приблизительно 80% случаев GSD-1, которые проявляются клинически. [16] Отсутствие G6PT приводит к GSD-1b (GSD-1b), который характеризуется отсутствием G6PT и составляет 20% случаев, которые проявляются клинически. [16] [17]

Распад различных компонентов дефицита системы глюкозо-6-фосфатазы

Конкретная причина GSD-1a вытекает из бессмысленных мутаций, вставок/делеций со сдвигом рамки считывания или без него или мутаций сайта сплайсинга, которые происходят на генетическом уровне. [7] Миссенс-мутации затрагивают две большие просветные петли и трансмембранные спирали глюкозо-6-фосфатазы-α, отменяя или значительно снижая активность фермента. [7] Конкретная причина GSD-1b вытекает из «тяжелых» мутаций, таких как мутации сайта сплайсинга, мутации со сдвигом рамки и замены высококонсервативного остатка, которые полностью разрушают активность G6PT. [7] Эти мутации приводят к распространению GSD-1, предотвращая транспорт глюкозо-6-фосфата (G6P) в просветную часть ЭР , а также ингибируя превращение G6P в глюкозу для использования клеткой.

Третий тип дефицита глюкозо-6-фосфатазы, дефицит глюкозо-6-фосфатазы-β, характеризуется синдромом врожденной нейтропении , при котором нейтрофилы демонстрируют повышенный стресс эндоплазматического ретикулума (ЭР), повышенный апоптоз, нарушенный энергетический гомеостаз и нарушенную функциональность. [18] Он также может привести к сердечным и урогенитальным порокам развития. [19] Этот третий класс дефицита также зависит от дефицита G6PT, поскольку глюкозо-6-фосфатаза-β также находится в просвете ЭР и, таким образом, может приводить к схожим симптомам дефицита глюкозо-6-фосфатазы-β, связанным с GSD-1b. [17] Кроме того, недавние исследования выявили эту область сходства между обоими дефицитами и показали, что аберрантное гликозилирование происходит при обоих дефицитах. [20] Гликозилирование нейтрофилов оказывает сильное влияние на активность нейтрофилов и, таким образом, может также классифицироваться как врожденное нарушение гликозилирования. [20]

Основная функция глюкозо-6-фосфатазы-β была определена как обеспечение переработанной глюкозы в цитоплазме нейтрофилов для поддержания нормальной функции. Нарушение соотношения глюкозы к G6P из-за значительного снижения внутриклеточных уровней глюкозы вызывает значительное нарушение гликолиза и HMS . [ 13] Если не противодействовать поглощению внеклеточной глюкозы, этот дефицит приводит к дисфункции нейтрофилов. [13]

Было показано, что соединения ванадия, такие как сульфат ванадила, ингибируют фермент и, таким образом, повышают чувствительность к инсулину in vivo у диабетиков, что было оценено с помощью метода гиперинсулинемического зажима , что может иметь потенциальные терапевтические последствия. [21] [22]

Смотрите также

Примечания

Молекулярные графические изображения были получены с использованием UCSF Chimera. [23]

Ссылки

  1. ^ abc Van SCHAFTINGEN, Emile; Gerin, Isabelle (15 марта 2002 г.). «Система глюкозо-6-фосфатазы». Biochemical Journal . 362 (3): 513–532. doi :10.1042/0264-6021:3620513. PMC 1222414. PMID  11879177 . 
  2. ^ Нордли Р. и др. (1985). Ферменты биологических мембран, 2-е издание . Нью-Йорк: Plenum Press. С. 349–398. ISBN 0-306-41453-8.
  3. ^ abc Boron, Walter F.; Boulpaep, Emile L., ред. (2017). Медицинская физиология (3-е изд.). Филадельфия, Пенсильвания: Elsevier. ISBN 978-1-4557-4377-3.
  4. ^ Hutton JC, O'Brien RM (октябрь 2009 г.). «Семейство генов каталитической субъединицы глюкозо-6-фосфатазы». Журнал биологической химии . 284 (43): 29241–5. doi : 10.1074/jbc.R109.025544 . PMC 2785553. PMID  19700406 . 
  5. ^ abcd Ghosh A, Shieh JJ, Pan CJ, Chou JY (март 2004 г.). «Гистидин 167 является акцептором фосфата в глюкозо-6-фосфатазе-β, образуя промежуточный фермент фосфогистидин во время катализа». Журнал биологической химии . 279 (13): 12479–83. doi : 10.1074/jbc.M313271200 . PMID  14718531.
  6. ^ Shieh JJ, Pan CJ, Mansfield BC, Chou JY (сентябрь 2005 г.). «В белке, связанном с глюкозо-6-фосфатазой островков, антигенная последовательность β-клеток, которая является мишенью при диабете, не отвечает за потерю активности фосфогидролазы». Diabetologia . 48 (9): 1851–9. doi : 10.1007/s00125-005-1848-6 . PMID  16012821.
  7. ^ abcdef van Schaftingen E, Gerin I (март 2002 г.). «Система глюкозо-6-фосфатазы». The Biochemical Journal . 362 (Pt 3): 513–32. doi :10.1042/0264-6021:3620513. PMC 1222414. PMID  11879177 . 
  8. ^ Pan CJ, Lei KJ, Annabi B, Hemrika W, Chou JY (март 1998). «Трансмембранная топология глюкозо-6-фосфатазы». Журнал биологической химии . 273 (11): 6144–8. doi : 10.1074/jbc.273.11.6144 . PMID  9497333.
  9. ^ ab Ghosh A, Shieh JJ, Pan CJ, Sun MS, Chou JY (сентябрь 2002 г.). «Каталитический центр глюкозо-6-фосфатазы. HIS176 — нуклеофил, образующий промежуточное соединение фосфогистидин-фермент во время катализа». Журнал биологической химии . 277 (36): 32837–42. doi : 10.1074/jbc.M201853200 . PMID  12093795.
  10. ^ Surholt, B; Newsholme, EA (15 сентября 1981 г.). «Максимальная активность и свойства глюкозо-6-фосфатазы в мышцах позвоночных и беспозвоночных». The Biochemical Journal . 198 (3): 621–9. doi :10.1042/bj1980621. PMC 1163310. PMID  6275855 . 
  11. ^ Ангарони CJ, де Кремер Р.Д., Аргарана CE, Паскини-Капра А.Э., Гинер-Аяла А.Н., Пецца Р.Д., Пан CJ, Чоу JY (ноябрь 2004 г.). «Болезнь накопления гликогена типа Ia в Аргентине: две новые мутации глюкозо-6-фосфатазы, влияющие на стабильность белка». Молекулярная генетика и обмен веществ . 83 (3): 276–9. дои : 10.1016/j.ymgme.2004.06.010. ПМИД  15542400.
  12. ^ Chou JY, Jun HS, Mansfield BC (декабрь 2010 г.). «Болезнь накопления гликогена I типа и дефицит глюкозо-6-фосфатазы-β: этиология и терапия». Nature Reviews. Эндокринология . 6 (12): 676–88. doi :10.1038/nrendo.2010.189. PMC 4178929. PMID  20975743 . 
  13. ^ abc Jun HS, Lee YM, Cheung YY, McDermott DH, Murphy PM, De Ravin SS, Mansfield BC, Chou JY (октябрь 2010 г.). «Отсутствие рециркуляции глюкозы между эндоплазматическим ретикулумом и цитоплазмой лежит в основе клеточной дисфункции нейтрофилов с дефицитом глюкозы-6-фосфатазы-β при синдроме врожденной нейтропении». Blood . 116 (15): 2783–92. doi :10.1182/blood-2009-12-258491. PMC 2974586 . PMID  20498302. 
  14. ^ Страйер, Луберт; Берг, Джереми Марк; Тимочко, Джон Л. (2007). Биохимия . Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-8724-2.
  15. ^ Пагон РА, Бёрд ТД, Долан КР и др. (1993). «Болезнь накопления гликогена I типа». PMID  20301489. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  16. ^ ab Chou JY, Matern D, Mansfield BC, Chen YT (март 2002 г.). «Болезни накопления гликогена I типа: нарушения комплекса глюкозо-6-фосфатазы». Current Molecular Medicine . 2 (2): 121–43. doi :10.2174/1566524024605798. PMID  11949931.
  17. ^ ab Фруассар Р., Пиро М., Буджемлин А.М., Виани-Сабан С., Пети Ф., Юбер-Бюрон А., Эбершвайлер П.Т., Гайдос В., Лабрюн П. (2011). «Дефицит глюкозо-6-фосфатазы». Сиротский журнал редких заболеваний . 6:27 . дои : 10.1186/1750-1172-6-27 . ПМК 3118311 . ПМИД  21599942. 
  18. ^ Jun HS, Lee YM, Song KD, Mansfield BC, Chou JY (апрель 2011 г.). "G-CSF улучшает функцию нейтрофилов с дефицитом G6PC3 у мышей, модулируя апоптоз и энергетический гомеостаз". Blood . 117 (14): 3881–92. doi :10.1182/blood-2010-08-302059. PMC 3083300 . PMID  21292774. 
  19. ^ Бозтуг К, Аппасвами Г, Ашиков А, Шеффер А.А., Зальцер Ю, Дистельхорст Дж, Гермесхаузен М, Брандес Г, Ли-Госслер Дж, Ноян Ф, Гацке АК, Минков М, Грейл Дж, Крац С, Петропулу Т, Пелье I , Белланне-Шантело К, Резаи Н, Мёнкемёллер К, Ирани-Хакиме Н., Баккер Х., Джерарди-Шан Р., Зейдлер С., Гримбахер Б., Вельте К., Кляйн С. (январь 2009 г.). «Синдром с врожденной нейтропенией и мутациями G6PC3». Медицинский журнал Новой Англии . 360 (1): 32–43. doi : 10.1056/NEJMoa0805051. PMC 2778311. PMID  19118303 . 
  20. ^ ab Hayee B, Antonopoulos A, Murphy EJ, Rahman FZ, Sewell G, Smith BN, McCartney S, Furman M, Hall G, Bloom SL, Haslam SM, Morris HR, Boztug K, Klein C, Winchester B, Pick E, Linch DC, Gale RE, Smith AM, Dell A, Segal AW (июль 2011 г.). "Мутации G6PC3 связаны с серьезным дефектом гликозилирования: новый механизм дисфункции нейтрофилов". Glycobiology . 21 (7): 914–24. doi :10.1093/glycob/cwr023. PMC 3110488 . PMID  21385794. 
  21. ^ "Влияние ванадилсульфата на углеводный и липидный обмен веществ у пациентов с инсулиннезависимым сахарным диабетом - Метаболизм - Клинический и экспериментальный". www.metabolismjournal.com . Получено 16 июня 2015 г.
  22. ^ Шехзад, Сайма (1 января 2013 г.). «Потенциальное влияние соединений ванадия на глюкозо-6-фосфатазу». Bioscience Horizons . 6 : hzt002. doi : 10.1093/biohorizons/hzt002 . ISSN  1754-7431.
  23. ^ Pettersen EF, Goddard TD, Huang CC, Couch GS, Greenblatt DM, Meng EC, Ferrin TE (октябрь 2004 г.). "UCSF Chimera — система визуализации для разведывательных исследований и анализа" (PDF) . Journal of Computational Chemistry . 25 (13): 1605–12. doi :10.1002/jcc.20084. PMID  15264254. S2CID  8747218.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Глюкозо-6-фосфатаза .