stringtranslate.com

Гликогенфосфорилаза

Гликогенфосфорилаза является одним из ферментов фосфорилазы ( EC 2.4.1.1). Гликогенфосфорилаза катализирует лимитирующий скорость этап гликогенолиза у животных, высвобождая глюкозо-1-фосфат из терминальной альфа-1,4-гликозидной связи. Гликогенфосфорилаза также изучается как модельный белок, регулируемый как обратимым фосфорилированием , так и аллостерическими эффектами.

Механизм

Гликогенфосфорилаза расщепляет гликоген на субъединицы глюкозы (см. также рисунок ниже):

(α-1,4 гликогеновая цепь) n + Pi ⇌ (α-1,4 гликогеновая цепь) n-1 + α-D-глюкозо-1-фосфат. [2]

Гликоген остается с одной молекулой глюкозы меньше , а свободная молекула глюкозы находится в форме глюкозо-1-фосфата . Чтобы быть использованной для метаболизма , она должна быть преобразована в глюкозо-6-фосфат ферментом фосфоглюкомутазой .

Хотя реакция обратима in vitro , внутри клетки фермент работает только в прямом направлении, как показано ниже, поскольку концентрация неорганического фосфата намного выше, чем концентрация глюкозо-1-фосфата. [2]

Действие гликогенфосфорилазы на гликоген
Действие гликогенфосфорилазы на гликоген

Гликогенфосфорилаза может действовать только на линейные цепи гликогена (α1-4 гликозидная связь). Ее работа немедленно остановится на расстоянии четырех остатков от ветви α1-6 (которые чрезвычайно распространены в гликогене). В этих ситуациях необходим фермент деветвления , который выпрямит цепь в этой области. Кроме того, фермент трансфераза смещает блок из 3 глюкозильных остатков с внешней ветви на другой конец, а затем требуется фермент α1-6 глюкозидаза, чтобы разрушить оставшийся (один глюкозный) остаток α1-6, который остается в новой линейной цепи. После того, как все это сделано, гликогенфосфорилаза может продолжать работу. Фермент специфичен для цепей α1-4, так как молекула содержит щель длиной 30 ангстрем с тем же радиусом, что и спираль, образованная цепью гликогена; это вмещает 4-5 глюкозильных остатков, но слишком узко для ответвлений. Эта щель соединяет место хранения гликогена с активным, каталитическим участком.

Гликогенфосфорилаза имеет пиридоксальфосфат (PLP, полученный из витамина B 6 ) на каждом каталитическом сайте. Пиридоксальфосфат связывается с основными остатками (в данном случае Lys680) и ковалентно образует основание Шиффа . После образования связи с основанием Шиффа, удерживающей молекулу PLP в активном сайте, фосфатная группа на PLP легко отдает протон неорганической молекуле фосфата, позволяя неорганическому фосфату, в свою очередь, депротонироваться кислородом, образуя α-1,4-гликозидную связь. PLP легко депротонируется, поскольку его отрицательный заряд стабилизирован не только внутри фосфатной группы, но и в пиридиновом кольце, таким образом, сопряженное основание, полученное в результате депротонирования PLP, является довольно стабильным. Протонированный кислород теперь представляет собой хорошую уходящую группу , и цепь гликогена отделяется от терминального гликогена в режиме S N 1 , что приводит к образованию молекулы глюкозы с вторичным карбокатионом в положении 1. Наконец, депротонированный неорганический фосфат действует как нуклеофил и связывается с карбокатионом, что приводит к образованию глюкозо-1-фосфата и цепи гликогена, укороченной на одну молекулу глюкозы.

Существует также альтернативный предложенный механизм, включающий положительно заряженный кислород в конформации полукресла. [3]

Механизм каталитического центра
Механизм каталитического центра

Структура

Мономер гликогенфосфорилазы — это большой белок, состоящий из 842 аминокислот с массой 97,434 кДа в мышечных клетках. Хотя фермент может существовать как неактивный мономер или тетрамер, он биологически активен как димер из двух идентичных субъединиц. [4]

Состояния R и T спиралей башни гликогенфосфорилазы b, слева и справа соответственно. Обратите внимание на относительное расположение спиралей центральной башни, а также на возросшие взаимодействия между субъединицами в состоянии R. PDB3CEH, PDB3E3O

У млекопитающих основные изоферменты гликогенфосфорилазы находятся в мышцах, печени и мозге. Мозговой тип преобладает во взрослом мозге и эмбриональных тканях, тогда как печеночный и мышечный типы преобладают во взрослой печени и скелетных мышцах соответственно. [5]

Димер гликогенфосфорилазы имеет много областей биологического значения, включая каталитические сайты, сайты связывания гликогена, аллостерические сайты и обратимо фосфорилированный остаток серина. Во-первых, каталитические сайты относительно скрыты, 15Å от поверхности белка и от интерфейса субъединицы. [6] Это отсутствие легкого доступа каталитического сайта к поверхности имеет важное значение, поскольку делает активность белка весьма восприимчивой к регуляции, поскольку небольшие аллостерические эффекты могут значительно увеличить относительный доступ гликогена к сайту.

Возможно, наиболее важным регуляторным сайтом является Ser14, сайт обратимого фосфорилирования, очень близкий к интерфейсу субъединицы. Структурное изменение, связанное с фосфорилированием и с преобразованием фосфорилазы b в фосфорилазу a, заключается в размещении изначально неупорядоченных остатков 10-22 в α-спирали. Это изменение увеличивает активность фосфорилазы до 25% даже в отсутствие AMP и еще больше усиливает активацию AMP. [7]

Аллостерический сайт связывания AMP на мышечных изоформах гликогенфосфорилазы находится близко к интерфейсу субъединицы, как и Ser14. Связывание AMP на этом сайте, соответствующее изменению из состояния T фермента в состояние R, приводит к небольшим изменениям в третичной структуре на интерфейсе субъединицы, что приводит к большим изменениям в четвертичной структуре. [8] Связывание AMP вращает башенные спирали (остатки 262-278) двух субъединиц на 50˚ относительно друг друга за счет большей организации и межсубъединичных взаимодействий. Это вращение башенных спиралей приводит к вращению двух субъединиц на 10˚ относительно друг друга и, что более важно, нарушает остатки 282-286 (петля 280s), которые блокируют доступ к каталитическому сайту в состоянии T, но не в состоянии R. [6]

Последний, возможно, самый любопытный участок белка гликогенфосфорилазы — это так называемый участок хранения гликогена. Остатки 397-437 образуют эту структуру, которая позволяет белку ковалентно связываться с цепью гликогена на расстоянии целых 30 Å от каталитического участка. Этот участок, скорее всего, является участком, на котором фермент связывается с гранулами гликогена перед началом расщепления терминальных молекул глюкозы. Фактически, 70% димерной фосфорилазы в клетке существует в связанном виде с гранулами гликогена, а не в свободном состоянии. [9]

Клиническое значение

Ингибирование гликогенфосфорилазы было предложено в качестве одного из методов лечения диабета 2 типа . [10] Поскольку было показано, что выработка глюкозы в печени увеличивается у пациентов с диабетом 2 типа, [11] ингибирование высвобождения глюкозы из запасов гликогена печени, по-видимому, является обоснованным подходом. Клонирование гликогенфосфорилазы печени человека (HLGP) выявило новый аллостерический сайт связывания вблизи интерфейса субъединицы, который отсутствует в гликогенфосфорилазе мышц кролика (RMGP), обычно используемой в исследованиях. Этот сайт не был чувствителен к тем же ингибиторам, что и ингибиторы на аллостерическом сайте AMP, [12] и наибольший успех был достигнут при синтезе новых ингибиторов, которые имитируют структуру глюкозы, поскольку глюкозо-6-фосфат является известным ингибитором HLGP и стабилизирует менее активное состояние T. [13] Эти производные глюкозы имели определенный успех в ингибировании HLGP, с прогнозируемыми значениями Ki всего лишь 0,016 мМ. [14]

Мутации в мышечной изоформе гликогенфосфорилазы (PYGM) связаны с болезнью накопления гликогена типа V (GSD V, болезнь Мак-Ардля). На сегодняшний день выявлено более 65 мутаций в гене PYGM, которые приводят к болезни Мак-Ардля. [15] [16] Симптомы болезни Мак-Ардля включают мышечную слабость, миалгию и отсутствие выносливости, все из-за низкого уровня глюкозы в мышечной ткани. [17]

Мутации в изоформе гликогенфосфорилазы печени (PYGL) связаны с болезнью Герса ( болезнь накопления гликогена типа VI ). [18] [19] Болезнь Герса часто связана с легкими симптомами, обычно ограниченными гипогликемией , и иногда ее трудно диагностировать из-за остаточной активности фермента. [20]

Мозговая изоформа гликогенфосфорилазы (PYGB) была предложена в качестве биомаркера рака желудка . [21]

Регулирование

Гликогенфосфорилаза регулируется посредством аллостерического контроля и посредством фосфорилирования . Фосфорилаза a и фосфорилаза b существуют в двух формах: неактивное состояние T (напряженное) и состояние R (расслабленное). Фосфорилаза b обычно находится в состоянии T, неактивном из-за физиологического присутствия АТФ и глюкозо-6-фосфата, а фосфорилаза a обычно находится в состоянии R (активном). Изофермент гликогенфосфорилазы существует в печени, чувствительной к концентрации глюкозы, поскольку печень действует как экспортер глюкозы. По сути, фосфорилаза печени реагирует на глюкозу, что вызывает очень чувствительный переход из формы R в форму T, инактивируя ее; кроме того, фосфорилаза печени нечувствительна к АМФ.

Гормоны, такие как адреналин , инсулин и глюкагон, регулируют гликогенфосфорилазу с помощью систем амплификации вторичных мессенджеров, связанных с G-белками . Глюкагон активирует аденилатциклазу через рецептор, связанный с G-белком (GPCR), связанный с G -белками , который, в свою очередь, активирует аденилатциклазу для увеличения внутриклеточной концентрации цАМФ. цАМФ связывается с протеинкиназой А (ПКА) и активирует ее. ПКА фосфорилирует киназу фосфорилазы , которая, в свою очередь, фосфорилирует гликогенфосфорилазу b на Ser14, превращая ее в активную гликогенфосфорилазу a.

В печени глюкагон также активирует другой GPCR, который запускает другой каскад, что приводит к активации фосфолипазы C (PLC). PLC косвенно вызывает высвобождение кальция из эндоплазматического ретикулума гепатоцитов в цитозоль. Повышенная доступность кальция связывается с субъединицей кальмодулина и активирует киназу гликогенфосфорилазы. Киназа гликогенфосфорилазы активирует гликогенфосфорилазу тем же способом, который упоминался ранее.

Гликогенфосфорилаза b не всегда неактивна в мышцах, так как она может быть аллостерически активирована AMP. [6] [9] Увеличение концентрации AMP, которое происходит во время напряженных упражнений, сигнализирует о потребности в энергии. AMP активирует гликогенфосфорилазу b, изменяя свою конформацию с напряженной на расслабленную форму. Эта расслабленная форма имеет схожие ферментативные свойства с фосфорилированным ферментом. Увеличение концентрации АТФ противодействует этой активации, вытесняя AMP из места связывания нуклеотидов, что указывает на достаточные запасы энергии.

После приема пищи происходит выброс инсулина , сигнализирующего о наличии глюкозы в крови. Инсулин косвенно активирует протеинфосфатазу 1 (PP1) и фосфодиэстеразу через каскад передачи сигнала. PP1 дефосфорилирует гликогенфосфорилазу a, преобразуя неактивную гликогенфосфорилазу b. Фосфодиэстераза преобразует цАМФ в АМФ. Вместе они снижают концентрацию цАМФ и ингибируют PKA. В результате PKA больше не может инициировать каскад фосфорилирования, который заканчивается образованием (активной) гликогенфосфорилазы a. В целом, сигнализация инсулина снижает гликогенолиз, чтобы сохранить запасы гликогена в клетке и запустить гликогенез . [22]

Историческое значение

Гликогенфосфорилаза была первым открытым аллостерическим ферментом. [8] Она была выделена и ее активность подробно охарактеризована Карлом Ф. Кори , Герхардом Шмидтом и Герти Т. Кори . [23] [24] Арда Грин и Герти Кори впервые кристаллизовали ее в 1943 году [25] и показали, что гликогенфосфорилаза существует либо в форме a, либо в форме b в зависимости от ее состояния фосфорилирования, а также в состояниях R или T в зависимости от присутствия AMP. [26]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ PDB : 3E3N
  2. ^ ab Ливанова НБ, ​​Чеботарева НА, Еронина ТБ, Курганов БИ (октябрь 2002). "Пиридоксаль 5'-фосфат как каталитический и конформационный кофактор мышечной гликогенфосфорилазы В". Биохимия. Биохимия . 67 (10): 1089–98. doi :10.1023/A:1020978825802. PMID  12460107. S2CID  12036788.
  3. ^ Palm D, Klein HW, Schinzel R, Buehner M, Helmreich EJ (февраль 1990 г.). «Роль пиридоксаль-5'-фосфата в катализе гликогенфосфорилазы». Биохимия . 29 (5): 1099–107. doi :10.1021/bi00457a001. PMID  2182117.
  4. ^ Browner MF, Fletterick RJ (февраль 1992 г.). «Фосфорилаза: биологический преобразователь». Trends in Biochemical Sciences . 17 (2): 66–71. doi :10.1016/0968-0004(92)90504-3. PMID  1566331.
  5. ^ Дэвид ES, Крерар MM (январь 1986). «Количественное определение мРНК мышечной гликогенфосфорилазы и количества ферментов в тканях взрослых крыс». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects . 880 (1): 78–90. doi :10.1016/0304-4165(86)90122-4. PMID  3510670.
  6. ^ abc Johnson LN (март 1992). «Гликогенфосфорилаза: контроль фосфорилированием и аллостерическими эффекторами». FASEB Journal . 6 (6): 2274–82. doi : 10.1096/fasebj.6.6.1544539 . PMID  1544539. S2CID  25954545.
  7. ^ Newgard CB, Hwang PK, Fletterick RJ (1989). «Семейство гликогенфосфорилаз: структура и функция». Critical Reviews in Biochemistry and Molecular Biology . 24 (1): 69–99. doi :10.3109/10409238909082552. PMID  2667896.
  8. ^ ab Johnson LN, Barford D (февраль 1990). "Гликогенфосфорилаза. Структурная основа аллостерического ответа и сравнение с другими аллостерическими белками". Журнал биологической химии . 265 (5): 2409–12. doi : 10.1016/S0021-9258(19)39810-2 . PMID  2137445.
  9. ^ ab Meyer F, Heilmeyer LM, Haschke RH, Fischer EH (декабрь 1970 г.). «Контроль активности фосфорилазы в частице мышечного гликогена. I. Выделение и характеристика комплекса белок-гликоген». Журнал биологической химии . 245 (24): 6642–8. ​​doi : 10.1016/S0021-9258(18)62582-7 . PMID  4320610.
  10. ^ Somsák L, Nagya V, Hadady Z, Docsa T, Gergely P (2003). «Аналоговые ингибиторы гликогенфосфорилаз глюкозы как потенциальные противодиабетические средства: последние разработки». Current Pharmaceutical Design . 9 (15): 1177–89. doi :10.2174/1381612033454919. PMID  12769745.
  11. ^ Moller DE (декабрь 2001 г.). «Новые лекарственные мишени для диабета 2 типа и метаболического синдрома». Nature . 414 (6865): 821–7. Bibcode :2001Natur.414..821M. doi :10.1038/414821a. PMID  11742415. S2CID  4426975.
  12. ^ Coats WS, Browner MF, Fletterick RJ, Newgard CB (август 1991). «Сконструированная печеночная гликогенфосфорилаза с аллостерической активацией AMP». Журнал биологической химии . 266 (24): 16113–9. doi : 10.1016/S0021-9258(18)98523-6 . PMID  1874749.
  13. ^ Oikonomakos NG, Kontou M, Zographos SE, Tsitoura HS, Johnson LN, Watson KA и др. (июль 1994 г.). «Разработка потенциальных противодиабетических препаратов: экспериментальное исследование ряда ингибиторов бета-D-глюкозных аналогов гликогенфосфорилазы». European Journal of Drug Metabolism and Pharmacokinetics . 19 (3): 185–92. doi :10.1007/BF03188920. PMID  7867660. S2CID  11168623.
  14. ^ Hopfinger AJ, Reaka A, Venkatarangan P, Duca JS, Wang S (сентябрь 1999 г.). «Прогнозирование свободной энергии связывания лиганда с рецептором с помощью анализа 4D-QSAR: применение к набору ингибиторов аналогов глюкозы гликогенфосфорилазы». Журнал химической информации и компьютерных наук . 39 (6): 1141–1150. doi :10.1021/ci9900332.
  15. ^ Nogales-Gadea G, Arenas J, Andreu AL (январь 2007 г.). «Молекулярная генетика болезни Мак-Ардла». Current Neurology and Neuroscience Reports . 7 (1): 84–92. doi :10.1007/s11910-007-0026-2. PMID  17217859. S2CID  39626196.
  16. ^ Андреу А.Л., Ногалес-Гадеа Г., Кассандрини Д., Аренас Дж., Бруно С. (июль 2007 г.). «Болезнь МакАрдла: молекулярно-генетическое обновление». Акта Миологика . 26 (1): 53–7. ПМЦ 2949323 . ПМИД  17915571. 
  17. ^ Grünfeld JP, Ganeval D, Chanard J, Fardeau M, Dreyfus JC (июнь 1972 г.). «Острая почечная недостаточность при болезни Мак-Ардля. Отчет о двух случаях». The New England Journal of Medicine . 286 (23): 1237–41. doi :10.1056/NEJM197206082862304. PMID  4502558.
  18. ^ Burwinkel B, Bakker HD, Herschkovitz E, Moses SW, Shin YS, Kilimann MW (апрель 1998 г.). «Мутации в гене гликогенфосфорилазы печени (PYGL), лежащие в основе гликогеноза VI типа». American Journal of Human Genetics . 62 (4): 785–91. doi :10.1086/301790. PMC 1377030 . PMID  9529348. 
  19. ^ Chang S, Rosenberg MJ, Morton H, Francomano CA, Biesecker LG (май 1998). «Идентификация мутации в фосфорилазе гликогена печени при болезни накопления гликогена типа VI». Human Molecular Genetics . 7 (5): 865–70. doi : 10.1093/hmg/7.5.865 . PMID  9536091.
  20. ^ Tang NL, Hui J, Young E, Worthington V, To KF, Cheung KL и др. (июнь 2003 г.). «Новая мутация (G233D) в гене гликогенфосфорилазы у пациента с болезнью накопления гликогена в печени и остаточной активностью фермента». Молекулярная генетика и метаболизм . 79 (2): 142–5. doi :10.1016/S1096-7192(03)00068-4. PMID  12809646.
  21. ^ Shimada S, Matsuzaki H, Marutsuka T, Shiomori K, Ogawa M (июль 2001 г.). «Желудочные и кишечные фенотипы карциномы желудка с учетом экспрессии гликогенфосфорилазы мозгового (фетального) типа». Журнал гастроэнтерологии . 36 (7): 457–64. doi :10.1007/s005350170068. PMID  11480789. S2CID  25602637.
  22. ^ Alemany S, Pelech S, Brierley CH, Cohen P (апрель 1986 г.). «Протеиновые фосфатазы, участвующие в клеточной регуляции. Доказательства того, что дефосфорилирование гликогенфосфорилазы и гликогенсинтазы в гликогеновой и микросомальной фракциях печени крысы катализируется одним и тем же ферментом: протеинфосфатазой-1». European Journal of Biochemistry . 156 (1): 101–10. doi : 10.1111/j.1432-1033.1986.tb09554.x . PMID  3007140.
  23. ^ Cori CF, Schmidt G, Cori GT (май 1939). «Синтез полисахарида из глюкозо-1-фосфата в мышечном экстракте». Science . 89 (2316): 464–5. Bibcode :1939Sci....89..464C. doi :10.1126/science.89.2316.464. PMID  17731092.
  24. ^ Cori GT, Cori CF (июль 1940). «Кинетика ферментативного синтеза гликогена из глюкозо-1-фосфата». Журнал биологической химии . 135 (2): 733–756. doi : 10.1016/S0021-9258(18)73136-0 .
  25. ^ Грин А.А., Кори Г.Т. (7 июля 1943 г.). «Кристаллическая мышечная фосфорилаза I. Приготовление, свойства и молекулярный вес». Журнал биологической химии . 151 : 21–29. doi : 10.1016/S0021-9258(18)72110-8 .
  26. ^ Cori GT, Green AA (июль 1943). «Простетическая группа кристаллической мышечной фосфорилазы II». Журнал биологической химии . 151 (1): 21–29. doi : 10.1016/S0021-9258(18)72113-3 .

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме Гликогенфосфорилаза .