Фенилаланингидроксилаза ( PAH ) ( EC 1.14.16.1) — фермент , катализирующий гидроксилирование ароматической боковой цепи фенилаланина для получения тирозина . PAH — один из трех членов биоптерин -зависимых ароматических аминокислотных гидроксилаз , класса монооксигеназ , которые используют тетрагидробиоптерин (BH 4 , птеридиновый кофактор) и негемовое железо для катализа. В ходе реакции молекулярный кислород гетеролитически расщепляется с последовательным включением одного атома кислорода в BH 4 и субстрат фенилаланина. [5] [6] У людей мутации в кодирующем его гене PAH могут привести к метаболическому расстройству фенилкетонурии .
Предполагается, что реакция протекает в следующие стадии:
Образование и расщепление мостика железо-пероксиптерин. Хотя доказательства убедительно подтверждают Fe(IV)=O как гидроксилирующий промежуточный продукт, [8] механистические детали, лежащие в основе образования мостика Fe(II)-OO-BH 4 до гетеролитического расщепления, остаются спорными. Были предложены два пути на основе моделей, которые различаются близостью железа к кофактору птерина и числом молекул воды, предположительно координируемых железом во время катализа. Согласно одной модели, комплекс дикислорода железа изначально образуется и стабилизируется как резонансный гибрид Fe 2+ O 2 и Fe 3+ O 2 − . Затем активированный O 2 атакует BH 4 , образуя переходное состояние , характеризующееся разделением заряда между электронодефицитным птериновым кольцом и богатыми электронами дикислородными видами. [9] Затем образуется мостик Fe(II)-OO-BH 4 . С другой стороны, образование этого мостика было смоделировано, предполагая, что BH4 находится в первой координационной оболочке железа и что железо не координируется ни с одной молекулой воды. Эта модель предсказывает другой механизм, включающий радикал птерина и супероксид в качестве критических промежуточных продуктов. [10] После образования мостик Fe(II)-OO-BH4 разрушается посредством гетеролитического расщепления связи OO до Fe(IV)=O и 4a-гидрокситетрагидробиоптерина; таким образом, молекулярный кислород является источником как атомов кислорода, используемых для гидроксилирования кольца птерина, так и фенилаланина.
Гидроксилирование фенилаланина ферриловым оксо-промежуточным соединением. Поскольку механизм включает гидроксилирующий промежуточный продукт Fe(IV)=O (в отличие от пероксиптерина), окисление кофактора BH 4 и гидроксилирование фенилаланина могут быть разделены, что приводит к непродуктивному потреблению BH 4 и образованию H 2 O 2 . [7] Однако при продуктивном процессе промежуточный продукт Fe(IV)=O добавляется к фенилаланину в реакции электрофильного ароматического замещения, которая восстанавливает железо из феррила в железное состояние. [7] Хотя изначально предполагалось оксид арена или радикальное промежуточное соединение, анализы родственных триптофан- и тирозингидроксилаз показали, что реакция вместо этого протекает через катионное промежуточное соединение, которое требует координации Fe(IV)=O с водным лигандом, а не с гидроксогруппой. [7] [11] Этот катионный промежуточный продукт впоследствии подвергается сдвигу NIH 1,2-гидрида, давая диеноновый промежуточный продукт, который затем таутомеризуется с образованием тирозинового продукта. [12] Кофактор птерина регенерируется путем гидратации карбиноламинового продукта PAH до хиноидного дигидробиоптерина (qBH 2 ), который затем восстанавливается до BH 4 . [13]
PAH предлагается использовать модель аллостерической регуляции морфеина . [14] [15]
PAH млекопитающих существует в равновесии, состоящем из тетрамеров двух различных архитектур, с одной или несколькими димерными формами как частью равновесия. Такое поведение согласуется с диссоциативным аллостерическим механизмом. [15]
Многие исследования показывают, что ПАУ млекопитающих демонстрирует поведение, сопоставимое с порфобилиногенсинтазой (ПБГС), при этом сообщается, что на активность фермента и стабильность белка влияют различные факторы, такие как pH и связывание лиганда. [15]
Мономер PAH (51,9 кДа) состоит из трех отдельных доменов: регуляторного N-концевого домена (остатки 1–117), который содержит субдомен связывания Phe ACT, каталитического домена (остатки 118–427) и C-концевого домена (остатки 428–453), отвечающего за олигомеризацию идентичных мономеров. Был проведен обширный кристаллографический анализ, особенно на координированном птерином и железом каталитическом домене для изучения активного центра. Структура N-концевого регуляторного домена также была определена, и вместе с решенной структурой гомологичного домена тетрамеризации C-конца тирозингидроксилазы была предложена структурная модель тетрамерного PAH. [13] С помощью рентгеновской кристаллографии была экспериментально определена структура полноразмерного крысиного PAH и показана автоингибированная или покоящаяся форма фермента. [16] Форма в состоянии покоя (RS-PAH) архитектурно отличается от активированной формы (A-PAH). [17] Полная структура A-PAH в настоящее время отсутствует, но был определен стабилизированный Phe интерфейс ACT-ACT, характерный для A-PAH, и была предложена структурная модель A-PAH, основанная на анализе SAXS. [18] [19]
Решенные кристаллические структуры каталитического домена указывают на то, что активный сайт состоит из открытого и просторного кармана, выстланного в основном гидрофобными остатками, хотя три остатка глутаминовой кислоты, два гистидина и тирозин также присутствуют и связывают железо. [13] Существуют противоречивые данные о координационном состоянии атома железа и его близости к BH4 в активном сайте. Согласно кристаллографическому анализу, Fe(II) координируется водой, His285, His290 и Glu330 (2-гис-1-карбоксилатное лицевое триадное расположение) с октаэдрической геометрией. [20] Включение аналога Phe в кристаллическую структуру изменяет как железо с шести- на пятикоординированное состояние, включающее одну молекулу воды и бидентатную координацию с Glu330, и открывает сайт для связывания кислорода. BH4 одновременно смещается к атому железа, хотя кофактор птерина остается во второй координационной сфере. [21] С другой стороны, конкурирующая модель, основанная на анализе ЯМР и молекулярном моделировании, предполагает, что все координированные молекулы воды вытесняются из активного центра во время каталитического цикла, в то время как BH4 становится непосредственно координированным с железом. [22] Как обсуждалось выше, разрешение этого несоответствия будет важно для определения точного механизма катализа ПАУ.
Регуляторная природа N-концевого домена (остатки 1–117) обусловлена его структурной гибкостью. [23] Анализ обмена водорода/дейтерия показывает, что аллостерическое связывание Phe глобально изменяет конформацию PAH таким образом, что активный сайт становится менее закрытым, поскольку интерфейс между регуляторным и каталитическим доменами все больше подвергается воздействию растворителя. [23] [24] [25] Это наблюдение согласуется с кинетическими исследованиями, которые показывают изначально низкую скорость образования тирозина для полноразмерного PAH. Однако это время задержки не наблюдается для укороченного PAH, лишенного N-концевого домена, или если полноразмерный фермент предварительно инкубируют с Phe. Удаление N-концевого домена также устраняет время задержки, одновременно увеличивая сродство к Phe почти в два раза; не наблюдается разницы в V max или K m для кофактора тетрагидробиоптерина. [26] Дополнительная регуляция обеспечивается Ser16; фосфорилирование этого остатка не изменяет конформацию фермента, но снижает концентрацию Phe, необходимую для аллостерической активации. [25] Этот N-концевой регуляторный домен не наблюдается в бактериальных ПАУ, но демонстрирует значительную структурную гомологию с регуляторным доменом фосфоглицератдегидрогеназы, фермента в пути биосинтеза серина. [25]
Прокариотический ПАУ является мономерным, тогда как эукариотический ПАУ существует в равновесии между гомотетрамерной и гомодимерной формами. [7] [13] Интерфейс димеризации состоит из связанных с симметрией петель, которые связывают идентичные мономеры, в то время как перекрывающийся домен тетрамеризации С-конца опосредует ассоциацию конформационно различных димеров, которые характеризуются различной относительной ориентацией каталитического и тетрамеризационного доменов (Флатмарк, Эрландсен). Результирующее искажение симметрии тетрамера очевидно в дифференциальной площади поверхности интерфейсов димеризации и отличает ПАУ от тетрамерно симметричной тирозингидроксилазы. [13] Был предложен механизм обмена доменами для опосредования образования тетрамера из димеров, в котором альфа-спирали С-конца взаимно изменяют свою конформацию вокруг гибкой шарнирной области из пяти остатков С-конца, образуя спирально-спиральную структуру, смещая равновесие в сторону тетрамерной формы. [7] [13] [27] Хотя и гомодимерная, и гомотетрамерная формы PAH каталитически активны, они демонстрируют различную кинетику и регуляцию. В дополнение к сниженной каталитической эффективности, димер не проявляет положительной кооперативности по отношению к L-Phe (который при высоких концентрациях активирует фермент), что предполагает, что L-Phe аллостерически регулирует PAH, влияя на взаимодействие димер-димер. [27]
PAH является критическим ферментом в метаболизме фенилаланина и катализирует этап, ограничивающий скорость его полного катаболизма до углекислого газа и воды. [13] [28] Регулирование потока через пути, связанные с фенилаланином, имеет решающее значение в метаболизме млекопитающих, о чем свидетельствует токсичность высоких уровней этой аминокислоты в плазме, наблюдаемая при фенилкетонурии (см. ниже). Основным источником фенилаланина являются потребляемые белки, но относительно небольшая часть этого пула используется для синтеза белка. [28] Вместо этого большая часть потребляемого фенилаланина катаболизируется через PAH с образованием тирозина ; добавление гидроксильной группы позволяет разрушить бензольное кольцо на последующих катаболических этапах. Трансаминирование в фенилпируват , метаболиты которого выводятся с мочой, представляет собой другой путь оборота фенилаланина, но катаболизм через PAH преобладает. [28]
У людей этот фермент экспрессируется как в печени, так и в почках, и есть некоторые указания на то, что он может по-разному регулироваться в этих тканях. [29] PAH необычен среди гидроксилаз ароматических аминокислот своей вовлеченностью в катаболизм; с другой стороны, тирозин- и триптофангидроксилазы в первую очередь экспрессируются в центральной нервной системе и катализируют этапы, ограничивающие скорость, в биосинтезе нейротрансмиттеров/гормонов. [13]
Дефицит активности PAH из-за мутаций в PAH вызывает гиперфенилаланинемию (HPA), а когда уровень фенилаланина в крови повышается более чем в 20 раз по сравнению с нормальной концентрацией, возникает метаболическое заболевание фенилкетонурия (ФКУ). [28] ФКУ является как генотипически, так и фенотипически гетерогенной: было идентифицировано более 300 различных патогенных вариантов, большинство из которых соответствуют миссенс-мутациям, которые сопоставляются с каталитическим доменом. [13] [20] Когда когорта идентифицированных мутантов ФАГ была экспрессирована в рекомбинантных системах, ферменты продемонстрировали измененное кинетическое поведение и/или сниженную стабильность, что согласуется со структурным картированием этих мутаций как в каталитическом, так и в тетрамеризационном доменах фермента. [13] BH4 4 назначался в качестве фармакологического лечения и, как было показано, снижал уровень фенилаланина в крови у части пациентов с ФКУ, генотипы которых приводят к некоторой остаточной активности PAH, но не имеют дефекта в синтезе или регенерации BH4 4. Последующие исследования показывают, что в случае определенных мутантов PAH избыток BH4 4 действует как фармакологический шаперон для стабилизации мутантных ферментов с нарушенной сборкой тетрамера и повышенной чувствительностью к протеолитическому расщеплению и агрегации. [30] Мутации, которые были идентифицированы в локусе PAH, задокументированы в базе знаний локуса фенилаланингидроксилазы (PAHdb, https://web.archive.org/web/20130718162051/http://www.pahdb.mcgill.ca/).
Поскольку фенилкетонурия может вызвать необратимые повреждения, крайне важно, чтобы дефицит фенилаланингидроксилазы определялся на ранних стадиях развития. Первоначально это делалось с помощью анализа бактериального ингибирования, известного как тест Гатри . Теперь ФКУ является частью скрининга новорожденных во многих странах, и повышенные уровни фенилаланина определяются вскоре после рождения путем измерения с помощью тандемной масс-спектрометрии . Размещение человека на диете с низким содержанием фенилаланина и высоким содержанием тирозина может помочь предотвратить любые долгосрочные повреждения его развития.
Первая попытка создания мышиной модели Pah -KO была описана в исследовательской статье, опубликованной в 2021 году. [31] Эта нокаутная мышь была создана гомозиготной посредством ее развития в штамме C57BL/6 J с использованием CRISPR / Cas9 . [32] Кодон 7, GAG, в гене Pah был изменен на стоп-кодон TAG, что представляет собой преднамеренную точечную мутацию . Гомозиготные мыши-самцы в возрасте от двух до шести месяцев изучались с помощью научных методов, таких как поведенческие и биохимические анализы, МРТ и гистопатология. Гомозиготных мышей регулярно сравнивали с контрольными мышами, гетерозиготными мышами Pah -KO соответствующего возраста и пола, которые проявляли достаточную активность фермента PAH для обеспечения уровней фенилаланина и тирозина, аналогичных мышам дикого типа .
Модель мышей Pah -KO показала высокий уровень фенилаланина в крови и низкий уровень тирозина, гипохолестеринемию , высокий уровень фенилаланина и низкий уровень нейротрансмиттеров и тирозина в мозге, гипомиелинизацию, низкий вес мозга и тела, высокую степень глазной патологии, гипопигментацию и прогрессирующий поведенческий дефицит по сравнению с гетерозиготными мышами. [31] После прекращения лечения гомозиготных мышей анализ вестерн-блоттинга не выявил никаких печеночных белков PAH . [33] Повышенное количество фенилаланина в гомогенатах всего мозга гомозиготных мышей было похоже на пациентов с ФКУ. Цвет шерсти обеих мышей зависел от количества пигмента меланина в волосяных стержнях; таким образом, гомозиготные мыши были склонны быть более светло-коричневыми на основе меньшего количества меланина. Поведение мышей проверялось с помощью анализа строительства гнезда. [31]
Эта модель открывает возможности для обширного исследования биологии ФКУ, сходной с таковой у пациентов с ФКУ, а также для оценки современных терапевтических стратегий лечения ФКУ.
Фенилаланингидроксилаза тесно связана с двумя другими ферментами:
Все три фермента гомологичны, то есть считается, что они произошли от одной и той же древней гидроксилазы.