Малонил-КоА-декарбоксилаза ( EC 4.1.1.9) (которую также можно назвать MCD и малонил-КоА-карбоксилиазой ) обнаружена у бактерий и людей и играет важную роль в регуляции метаболизма жирных кислот и потребления пищи, а также является привлекательной целью для разработки лекарств. Это фермент, связанный с дефицитом малонил-КоА-декарбоксилазы . У людей он кодируется геном MLYCD.
Его основная функция — катализировать превращение малонил-КоА в ацетил-КоА и углекислый газ . Он участвует в биосинтезе жирных кислот . В некоторой степени он обращает действие ацетил-КоА-карбоксилазы .
MCD представляет две изоформы , которые могут быть транскрибированы с одного гена: длинная изоформа (54 кДа), распределенная в митохондриях, и короткая изоформа (49 кДа), которая может быть обнаружена в пероксисомах и цитозоле. Длинная изоформа включает последовательность сигнализации в направлении митохондрий на N-конце; тогда как короткая изоформа содержит только типичную последовательность пероксисомальной сигнализации PTS1 на C-конце, также общую для длинной изоформы.
MCD — это тетрамер белка , олигомер, образованный димером гетеродимеров, связанных осью бинарной симметрии с углом поворота около 180 градусов. Сильная структурная асимметрия между мономерами гетеродимера предполагает половину реактивности сайтов, в которой только половина активных сайтов функциональны одновременно. Каждый мономер содержит в основном два домена:
Однако сайт связывания малонил-КоА в MCD представляет собой отклонение от их гомологии: в центре сайта связывания находится остаток глутаминовой кислоты вместо глицина, действующий как молекулярный рычаг при высвобождении субстрата.
Как уже говорилось, MCD представляет половину реакционной способности сайтов, поскольку каждый гетеродимер имеет две различные структурные конформации: состояние B (связанное), в котором субстрат объединен; и конформация U (несвязанное), в которой объединение субстрата не допускается. В соответствии с этим, половина механизма сайтов может представлять потребление каталитической энергии. Тем не менее, конформационное изменение, производимое в субъединице при переходе из состояния B в состояние U (которое приводит к высвобождению продукта), совпадает с образованием нового сайта объединения в активном сайте соседней субъединицы при переходе из состояния U в состояние B. В результате конформационные изменения, синхронизированные в паре субъединиц, способствуют катализу, несмотря на сокращение числа доступных активных сайтов.
Каждый мономер этой структуры демонстрирует большой гидрофобный интерфейс с возможностью образования межсубъединичного дисульфидного мостика. Гетеродимеры также связаны между собой небольшим интерфейсом домена С-конца, где пара цистеинов расположена должным образом. Дисульфидные связи дают MCD возможность образовывать тетрамерный фермент, связанный межсубъединичными ковалентными связями в присутствии окислителей, таких как перекись водорода.
Ген малонил-КоА-декарбоксилазы ( MLYCD ) расположен в хромосоме 16 ( локус : 16q23.3). [1] Этот ген имеет 2 транскрипта или варианта сплайсинга , один из которых кодирует MCD (другой не кодирует никаких белков). Он также имеет 59 ортологов , 1 паралог и связан с 5 фенотипами . [2]
MLYCD сильно выражен в сердце, печени и некоторых других тканях, таких как почки. Этот ген также слабо выражен во многих других тканях, таких как мозг, плацента, яички и т. д. [3] [4] [5]
Малонил-КоА-декарбоксилаза сначала обрабатывается как пропротеин или профермент , в котором транзитный пептид , роль которого заключается в транспортировке фермента к определенной органелле (в данном случае митохондрии), включает первые 39 аминокислот (начиная с метионина и заканчивая аланином ) . Полипептидная цепь в зрелом белке включает аминокислоты между 40 и 493.
Для того чтобы превратиться в активный фермент, MCD претерпевает 8 посттрансляционных модификаций (ПТМ) в различных аминокислотах. Последняя из них, которая состоит из ацетилирования в аминокислоте лизине в позиции 472, активирует активность малонил-КоА-декарбоксилазы. Аналогично, деацетилирование в этой конкретной аминокислоте SIRT4 (митохондриальный белок) подавляет активность фермента, ингибируя окисление жирных кислот в мышечных клетках. [6] Другим важным ПТМ является образование межцепочечной дисульфидной связи в аминокислоте цистеине в позиции 206, что может происходить в пероксисомах, поскольку цитозольная и митохондриальная среды слишком восстановительны для этого процесса. [3]
Фермент малонил-КоА декарбоксилаза (МКД) функционирует как косвенный путь преобразования малонового полуальдегида в ацетил-КоА в пероксисомах . Это связано с тем, что бета-окисление длинноцепочечных жирных кислот с нечетным числом атомов углерода производит пропионил-КоА . Большая часть этого метаболита преобразуется в сукцинил-КоА , который является промежуточным продуктом цикла трикарбоновых кислот . Основной альтернативный путь, по которому метаболизируется пропионил-КоА, основан на его преобразовании в акрилил-КоА. После этого он преобразуется в 3-гидроксипропионовую кислоту и, наконец, в малоновый полуальдегид. Как только образуется малоновый полуальдегид, он косвенно преобразуется в ацетил-КоА. Это преобразование было обнаружено только у бактерий, [7] в других природных царствах нет никаких научных доказательств, подтверждающих это. [8]
Малонил-КоА является важным метаболитом в некоторых частях клетки. В пероксисомах накопление этого вещества вызывает малоновую ацидурию , высокопатогенное заболевание. Чтобы избежать этого, малонил-КоА-декарбоксилаза (MCD) превращает малонил-КоА в ацетил-КоА посредством следующей реакции:
В цитозоле малонил-КоА может ингибировать вход жирных кислот в митохондрии, а также может выступать в качестве предшественника синтеза жирных кислот. Малонил-КоА также играет важную роль внутри митохондрий, где он является посредником между жирными кислотами и ацетил-КоА, который будет резервом для цикла Кребса .
Считается, что цитоплазматический MCD играет роль в регуляции содержания цитоплазматического малонил-КоА и, следовательно, поглощения и окисления митохондриальных жирных кислот. [9] Было отмечено, что мРНК MCD наиболее распространена в сердечных и скелетных мышцах, тканях, в которых цитоплазматический малонил-КоА является сильным ингибитором окисления митохондриальных жирных кислот и которые получают значительное количество энергии от окисления жирных кислот.
Предполагается, что в пероксисомах этот фермент может участвовать в деградации интрапероксисомального малонил-КоА, который образуется в результате пероксисомального бета-окисления дикарбоновых жирных кислот с нечетной длиной цепи (DFA с нечетной длиной цепи). В то время как жирные кислоты с длинной и средней длиной цепи окисляются в основном в митохондриях, DFA окисляются в основном в пероксисомах, которые полностью деградируют DFA до малонил-КоА (в случае DFA с нечетной длиной цепи) и оксалил-КоА (для DFA с четной длиной цепи). Пероксисомальная форма MCD может функционировать для устранения этого конечного малонил-КоА.
Малонил-КоА действует как посредник между жирными кислотами и ацетил-КоА в митохондриях, где, как полагают, МКД участвует в устранении остаточного малонил-КоА, благодаря чему ацетил-КоА может войти в цикл Кребса.
MCD также играет роль в регуляции глюкозы и липидов как топлива в тканях человека. Концентрации малонил-КоА имеют решающее значение во внутриклеточной энергетической регуляции, а производство или деградация этого метаболита ограничивает использование глюкозы или липидов для производства АТФ .
Заболевания, связанные с MCD, могут быть вызваны его неправильной локализацией, мутациями, затрагивающими ген MLYCD, его накоплением в пероксисомах и, главным образом, его дефицитом.
Дефицит MCS — редкое аутосомное заболевание, которое широко диагностируется при неонатальном скрининге и вызывается мутациями в MLYCD. Оно вызывает множество симптомов: аномалии мозга, легкую умственную отсталость, судороги, гипотонию, метаболический ацидоз, рвоту, выделение малоновой и метилмалоновой кислот с мочой, кардиомиопатии и гипогликемию. Реже оно может также вызывать ревматоидный артрит.
Накопление вещества MCD в пероксисомах также вызывает патологические симптомы, схожие с дефицитом MCS: малоновую ацидурию — смертельное заболевание, при котором у пациентов (обычно детей) наблюдается задержка развития, а также могут наблюдаться судороги, диарея, гипогликемия и кардиомиопатия.
Другими симптомами, вызванными измененным действием MCD, могут быть боли в животе и хронические запоры. [10]
Малонил-КоА-декарбоксилаза присутствует в цитозольных , митохондриальных и пероксисомальных компартментах. MCD обнаруживается у бактерий и растений . [11] [12] У людей MCD обнаружен в сердце, скелетной ткани, поджелудочной железе и почках. У крыс MCD обнаружен в жире, сердце и печени. [13]
Поскольку образование межцепочечных дисульфидных связей приводит к положительной кооперативности между активными центрами и увеличивает сродство к малонил-КоА и каталитическую эффективность (in vitro), активность MCD не требует вмешательства каких-либо кофакторов или ионов двухвалентных металлов. [14]
MCD участвует в регуляции уровней сердечного малонил-КоА, ингибирование MCD может ограничивать скорость окисления жирных кислот, что приводит к вторичному увеличению окисления глюкозы, связанному с улучшением функционального восстановления сердца во время ишемии / реперфузионного повреждения . MCD является потенциальной новой мишенью для лечения рака.
