stringtranslate.com

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа ( G6PD или G6PDH ) ( EC 1.1.1.49) представляет собой цитозольный фермент , катализирующий химическую реакцию .

D -глюкозо-6-фосфат + НАДФ + + H 2 O ⇌ 6-фосфо- D -глюконо-1,5-лактон + НАДФН + Н +

Этот фермент участвует в пентозофосфатном пути (см. изображение), метаболическом пути , который поставляет восстанавливающую энергию клеткам (таким как эритроциты ) путем поддержания уровня восстановленной формы кофермента никотинамидадениндинуклеотидфосфата ( НАДФН). НАДФН, в свою очередь, поддерживает уровень глутатиона в этих клетках, что помогает защитить эритроциты от окислительного повреждения такими соединениями, как перекись водорода . [1] Большую количественную значимость имеет продукция НАДФН в тканях, участвующих в биосинтезе жирных кислот или изопреноидов , таких как печень, молочные железы , жировая ткань и надпочечники . G6PD восстанавливает НАДФ + до НАДФН, окисляя глюкозо-6-фосфат . [2] Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа также является ферментом пути Энтнера-Дудорова , типа гликолиза.

Клинически Х-сцепленный генетический дефицит G6PD делает человека склонным к неиммунной гемолитической анемии . [3]

Распространение видов

G6PD широко распространен у многих видов, от бактерий до человека . Множественное выравнивание последовательностей более 100 известных G6PD из разных организмов обнаруживает идентичность последовательностей в диапазоне от 30% до 94%. [4] Человеческий G6PD имеет более чем 30% идентичности аминокислотной последовательности с последовательностями G6PD других видов. [5] У людей также есть две изоформы одного гена, кодирующего G6PD. [6] Более того, обнаружено по меньшей мере 168 мутаций в этом гене, вызывающих заболевания. [7] Эти мутации в основном представляют собой миссенс-мутации, которые приводят к заменам аминокислот, [8] и хотя некоторые из них приводят к дефициту G6PD, другие, по-видимому, не приводят к каким-либо заметным функциональным различиям. [8] Некоторые ученые предположили, что некоторые генетические вариации человеческого G6PD являются результатом адаптации поколений к малярийной инфекции. [9]

У других видов также наблюдаются вариации G6PD. У высших растений сообщалось о нескольких изоформах G6PDH, которые локализуются в цитозоле , пластидной строме и пероксисомах . [10] Модифицированный F 420- зависимый (в отличие от NADP + -зависимый) G6PD обнаружен в микобактериях туберкулеза и представляет интерес для лечения туберкулеза . [11] Было показано , что бактериальный G6PD, обнаруженный у Leuconostoc mesenteroides, в дополнение к G6P реагирует с 4-гидроксиноненалем . [12]

Структура фермента

Субстратный сайт связывания G6PD, связанный с G6P (показан кремовым цветом), из 2BHL. Фосфор показан оранжевым цветом. Атомы кислорода кристаллографических вод показаны красными сферами. Консервативная последовательность из 9 пептидов G6PD и частично консервативная последовательность из 5 остатков G6PD показаны голубым и пурпурным цветом соответственно. Все остальные аминокислоты G6PD показаны черным цветом. Водородная связь и электростатические взаимодействия показаны зелеными пунктирными линиями. Все зеленые штрихи обозначают расстояния менее 3,7 Å.

G6PD обычно встречается в виде димера двух идентичных мономеров (см. главное изображение). [8] В зависимости от условий, таких как pH , эти димеры сами могут димеризоваться с образованием тетрамеров . [5] Каждый мономер в комплексе имеет сайт связывания субстрата , который связывается с G6P, и сайт связывания каталитического кофермента, который связывается с НАДФ + /НАДФН с использованием складки Россмана . [4] Для некоторых высших организмов, таких как человек, G6PD содержит дополнительный сайт связывания NADP + , называемый структурным сайтом NADP + , который, по-видимому, не участвует непосредственно в реакции, катализируемой G6PD. Эволюционное назначение структурного участка НАДФ + неизвестно. [4] Что касается размера, каждый мономер имеет длину примерно 500 аминокислот (514 аминокислот для человека [5] ).

Функциональная и структурная консервативность между G6PD человека и G6PD Leuconostoc mesenteroides указывает на 3 широко консервативных участка фермента: пептид из 9 остатков в сайте связывания субстрата, RIDHYLGKE (остатки 198-206 на G6PD человека), нуклеотидсвязывающий отпечаток пальца, GxxGDLA ( остатки 38-44 на G6PD человека) и частично консервативную последовательность EKPxG рядом с сайтом связывания субстрата (остатки 170-174 на G6PD человека), где мы использовали «x» для обозначения вариабельной аминокислоты. [4] Кристаллическая структура G6PD обнаруживает обширную сеть электростатических взаимодействий и водородных связей, включающую G6P, 3 молекулы воды, 3 лизина , 1 аргинин , 2 гистидина , 2 глутаминовые кислоты и другие полярные аминокислоты.

Считается , что пролин в положении 172 играет решающую роль в правильном позиционировании Lys171 относительно субстрата G6P. В двух кристаллических структурах нормального человеческого G6P Pro172 наблюдается исключительно в цис-конформации , тогда как в кристаллической структуре одного мутанта, вызывающего заболевание (вариант Canton R459L), Pro172 наблюдается почти исключительно в транс-конформации. [4]

Имея доступ к кристаллическим структурам, некоторые учёные попытались смоделировать структуры других мутантов. Например, у немецких предков, где энзимопатия из-за дефицита G6PD встречается редко, было показано, что сайты мутаций G6PD лежат рядом с сайтом связывания NADP + , сайтом связывания G6P и вблизи границы раздела между двумя мономерами. Таким образом, мутации в этих критических областях возможны без полного нарушения функции G6PD. [8] Фактически было показано, что большинство мутаций G6PD, вызывающих заболевания, происходят вблизи структурного сайта NADP + . [13]

НАДФ + структурный участок

Структурный сайт НАДФ + расположен на расстоянии более 20 Å от сайта связывания субстрата и сайта связывания каталитического кофермента НАДФ + . Его назначение в реакциях, катализируемых ферментами, в течение многих лет было неясно. Некоторое время считалось, что связывание НАДФ + со структурным участком необходимо для димеризации мономеров фермента. Однако было показано, что это неверно. [13] С другой стороны, было показано, что присутствие НАДФ + в структурном участке способствует димеризации димеров с образованием тетрамеров фермента. [13] Также считалось, что состояние тетрамера необходимо для каталитической активности; однако и это оказалось ложью. [13] Структурный сайт НАДФ + сильно отличается от сайта связывания каталитического кофермента НАДФ + и содержит нуклеотидсвязывающий отпечаток пальца.

Структурный участок, связанный с НАДФ +, обладает благоприятными взаимодействиями, которые удерживают его прочно связанным. В частности, существует прочная сеть водородных связей, в которой электростатические заряды распространяются по множеству атомов посредством водородных связей с 4 молекулами воды (см. рисунок). Более того, существует чрезвычайно сильный набор гидрофобных стэкинг -взаимодействий, которые приводят к перекрытию π-систем.

НАДФ + структурный участок G6PD. НАДФ + показан кремовым цветом. Фосфор показан оранжевым цветом. Атомы кислорода кристаллографических молекул воды показаны красными сферами. Консервативная 9-пептидная последовательность G6PD показана голубым цветом.

Было показано, что структурный сайт важен для поддержания долгосрочной стабильности фермента. [13] Более 40 тяжелых мутаций класса I включают мутации вблизи структурного сайта, что влияет на долгосрочную стабильность этих ферментов в организме, что в конечном итоге приводит к дефициту G6PD. [13] Например, две тяжелые мутации класса I, G488S и G488V, резко увеличивают константу диссоциации между НАДФ + и структурным сайтом в 7–13 раз. Учитывая близость остатка 488 к Arg487, считается, что мутация в положении 488 может повлиять на расположение Arg487 относительно NADP + [ 13] и, таким образом, нарушить связывание.

Регулирование

G6PD превращает G6P в 6-фосфоглюконо-δ-лактон и является ферментом , лимитирующим скорость пентозофосфатного пути . Таким образом, регуляция G6PD имеет последующие последствия для активности остальной части пентозофосфатного пути .

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа стимулируется ее субстратом G6P. Обычное соотношение НАДФН/НАДФ + в цитозоле тканей, участвующих в биосинтезе, составляет около 100/1. Повышенное использование НАДФН для биосинтеза жирных кислот резко повысит уровень НАДФ + , тем самым стимулируя G6PD производить больше НАДФН. Согласно двум старым публикациям [14] [15] дрожжевой G6PD ингибируется длинноцепочечными жирными кислотами и может ингибировать продукт синтеза жирных кислот, который требует НАДФН.

G6PD отрицательно регулируется путем ацетилирования лизина 403 (Lys403), эволюционно консервативного остатка. Ацетилированный K403 G6PD не способен образовывать активные димеры и полностью утрачивает активность. Механистически ацетилирование Lys403 стерически препятствует проникновению НАДФ + в структурный участок НАДФ + , что снижает стабильность фермента. Клетки воспринимают внеклеточные окислительные стимулы для снижения ацетилирования G6PD SIRT2 -зависимым образом. SIRT2-опосредованное деацетилирование и активация G6PD стимулирует пентозофосфатный путь для снабжения цитозольного НАДФН для противодействия окислительному повреждению и защиты эритроцитов мыши . [16]

Регулирование также может происходить посредством генетических путей. Изоформа G6PDH регулируется факторами транскрипции и посттранскрипции. [17] Более того, G6PD является одним из ряда гликолитических ферментов, активируемых транскрипционным фактором , индуцируемым гипоксией фактором 1 (HIF1). [18]

Клиническое значение

G6PD отличается своим генетическим разнообразием. Многие варианты G6PD, в основном образующиеся в результате миссенс-мутаций , описаны с широким диапазоном уровней активности фермента и связанных с ними клинических симптомов . Для этого гена обнаружено два варианта транскрипта, кодирующие разные изоформы . [19]

Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы очень распространен во всем мире и вызывает острую гемолитическую анемию при простой инфекции, употреблении в пищу бобов или реакции на некоторые лекарства, антибиотики, жаропонижающие и противомалярийные средства. [3]

G6PD влияет на рост и пролиферацию клеток. [20] Было показано, что фармакологическое удаление G6PD преодолевает перекрестную толерантность клеток рака молочной железы к антрациклинам. [21] Ингибиторы G6PD исследуются для лечения рака и других заболеваний. [18] Анализ пролиферации клеток in vitro показывает, что ингибиторы G6PD, DHEA (дегидроэпиандростерон) и ANAD (6-аминоникотинамид), эффективно снижают рост клеточных линий ОМЛ. [20] [22] G6PD гипометилируется по K403 при остром миелоидном лейкозе , SIRT2 активирует G6PD, увеличивая выработку НАДФН и способствуя пролиферации лейкозных клеток. [22]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Томас Д., Черест Х., Сурдин-Керджан Ю. (март 1991 г.). «Идентификация структурного гена глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы у дрожжей. Инактивация приводит к потребности в органической сере». Журнал ЭМБО . 10 (3): 547–53. doi :10.1002/j.1460-2075.1991.tb07981.x. ПМК  452682 . ПМИД  2001672.
  2. ^ Астер Дж., Кумар В., Роббинс С.Л., Аббас А.К., Фаусто Н., Котран Р.С. (2010). Роббинс и Котран Патологическая основа болезней . Сондерс/Эльзевир. стр. Адреса Kindle: 33340–33341. ISBN 978-1-4160-3121-5.
  3. ^ ab Cappellini MD, Fiorelli G (январь 2008 г.). «Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы». Ланцет . 371 (9606): 64–74. дои : 10.1016/S0140-6736(08)60073-2. PMID  18177777. S2CID  29165746.
  4. ^ abcde Котака М., Говер С., Вандепутте-Руттен Л., Ау С.В., Лам В.М., Адамс М.Дж. (май 2005 г.). «Структурные исследования связывания глюкозо-6-фосфата и НАДФ + с глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой человека» (PDF) . Акта Кристаллографика Д. 61 (Часть 5): 495–504. дои : 10.1107/S0907444905002350 . ПМИД  15858258.
  5. ^ abc Au SW, Говер С., Лам В.М., Адамс М.Дж. (март 2000 г.). «Человеческая глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа: кристаллическая структура обнаруживает структурную молекулу НАДФ (+) и дает представление о дефиците фермента». Состав . 8 (3): 293–303. дои : 10.1016/S0969-2126(00)00104-0 . ПМИД  10745013.
  6. ^ «G6PD глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа [Homo sapiens (человек)]» . НКБИ . Проверено 13 декабря 2015 г.
  7. ^ Шимчикова Д., Хенеберг П. (декабрь 2019 г.). «Уточнение прогнозов эволюционной медицины на основе клинических данных о проявлениях менделевских болезней». Научные отчеты . 9 (1): 18577. Бибкод : 2019NatSR...918577S. дои : 10.1038/s41598-019-54976-4. ПМК 6901466 . ПМИД  31819097. 
  8. ^ abcd Киани Ф, Шварцль С, Фишер С, Эфферт Т (июль 2007 г.). «Трехмерное моделирование вариантов с дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы немецкого происхождения». ПЛОС ОДИН . 2 (7): е625. Бибкод : 2007PLoSO...2..625K. дои : 10.1371/journal.pone.0000625 . ПМЦ 1913203 . ПМИД  17637841. 
  9. ^ Луццато Л., Биенцле Ю (июнь 1979 г.). «Гипотеза малярии/Г.-6-ПД». Ланцет . 1 (8127): 1183–4. дои : 10.1016/S0140-6736(79)91857-9. PMID  86896. S2CID  31214682.
  10. ^ Корпус Ф.Д., Баррозо Х.Б., Сандалио Л.М., Дистефано С., Пальма Х.М., Лупианьес Х.А., Дель Рио Л.А. (март 1998 г.). «Опосредованная дегидрогеназой система рециркуляции НАДФН в пероксисомах растений». Биохимический журнал . 330 (Часть 2): 777–84. дои : 10.1042/bj3300777. ПМК 1219205 . ПМИД  9480890. 
  11. ^ Башири Г., Сквайр С.Дж., Морленд, штат Нью-Джерси, Бейкер Э.Н. (июнь 2008 г.). «Кристаллические структуры F420-зависимой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы FGD1, участвующей в активации кандидата на противотуберкулезное лекарство PA-824, раскрывают основу связывания коферментов и субстратов». Журнал биологической химии . 283 (25): 17531–41. дои : 10.1074/jbc.M801854200 . ПМИД  18434308.
  12. ^ Шведа Л.И., Учида К., Цай Л., Штадтман Э.Р. (февраль 1993 г.). «Инактивация глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы 4-гидрокси-2-ноненалем. Селективная модификация лизина активного центра». Журнал биологической химии . 268 (5): 3342–7. дои : 10.1016/S0021-9258(18)53699-1 . ПМИД  8429010.
  13. ^ abcdefg Ван XT, Чан Т.Ф., Лам В.М., Энгель ПК (август 2008 г.). «Какова роль второго «структурного» НАДФ+-связывающего сайта в глюкозо-6-фосфатдегидрогеназе человека?». Белковая наука . 17 (8): 1403–11. дои : 10.1110/ps.035352.108. ПМК 2492815 . ПМИД  18493020. 
  14. ^ Эгер-Нойфельдт I, Тейнцер А, Вайс Л, Виланд О (март 1965 г.). «Ингибирование глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы длинноцепочечным ацил-коферментом А». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 19 (1): 43–48. дои : 10.1016/0006-291X(65)90116-6.
  15. ^ Кавагути А, Блох К (сентябрь 1974 г.). «Ингибирование глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы пальмитоил-коэнзимом А». Журнал биологической химии . 249 (18): 5793–800. дои : 10.1016/S0021-9258(20)79887-X . ПМИД  4153382.
  16. ^ Ван Ю.П., Чжоу Л.С., Чжао Ю.З., Ван С.В., Чен Л.Л., Лю LX, Лин ZQ, Ху FJ, Сунь Ю.П., Чжан Ю.И., Ян С., Ян Ю., Сюн Ю., Гуань К.Л., Е Д. (июнь 2014 г.). «Регуляция ацетилирования G6PD с помощью SIRT2 и KAT9 модулирует гомеостаз НАДФН и выживаемость клеток во время окислительного стресса». Журнал ЭМБО . 33 (12): 1304–20. дои : 10.1002/embj.201387224. ПМЦ 4194121 . ПМИД  24769394. 
  17. ^ Клетциен Р.Ф., Харрис ПК, Фоэллми Л.А. (февраль 1994 г.). «Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа: фермент «домашнего хозяйства», подлежащий тканеспецифической регуляции гормонами, питательными веществами и окислительным стрессом». Журнал ФАСЭБ . 8 (2): 174–81. дои : 10.1096/fasebj.8.2.8119488 . PMID  8119488. S2CID  38768580.
  18. ^ Аб де Лартиг Дж (12 июня 2012 г.). «Исследование рака выходит за рамки первоначальных признаков рака». ОнкЛайв.
  19. ^ «Ген Энтрез: глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа G6PD» .
  20. ^ ab Тиан В.Н., Браунштейн Л.Д., Панг Дж., Штулмайер К.М., Си QC, Тиан X, Стэнтон RC (апрель 1998 г.). «Важность активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы для роста клеток». Журнал биологической химии . 273 (17): 10609–17. дои : 10.1074/jbc.273.17.10609 . ПМИД  9553122.
  21. ^ Голдман А., Хисте С., Фрейнкман Э., Дхаван А., Маджумдер Б., Мондал Дж. и др. (август 2019 г.). «Нацеливание на фенотипическую пластичность опухолей и метаболическое ремоделирование при адаптивной толерантности к перекрестным лекарствам». Научная сигнализация . 12 (595). doi : 10.1126/scisignal.aas8779. ПМЦ 7261372 . ПМИД  31431543. 
  22. ^ Аб Сюй С.Н., Ван Т.С., Ли X, Ван Ю.П. (сентябрь 2016 г.). «SIRT2 активирует G6PD, увеличивая выработку НАДФН и способствуя пролиферации клеток лейкемии». Научные отчеты . 6 : 32734. Бибкод : 2016NatSR...632734X. дои : 10.1038/srep32734. ПМК 5009355 . ПМИД  27586085. 

дальнейшее чтение

Внешние ссылки