stringtranslate.com

Фермент, расщепляющий гликоген

Фермент разветвления гликогена у людей — это белок, кодируемый геном AGL. [5] Этот фермент необходим для расщепления гликогена , который служит хранилищем глюкозы в организме . Он обладает отдельными глюкозилтрансферазными и глюкозидазными активностями. [6] [7]

Вместе с фосфорилазами этот фермент мобилизует запасы глюкозы из гликогеновых отложений в мышцах и печени. Это является основным источником энергетических резервов для большинства организмов. Распад гликогена строго регулируется в организме, особенно в печени , различными гормонами, включая инсулин и глюкагон , для поддержания гомеостатического баланса уровней глюкозы в крови. [8] Когда распад гликогена нарушается мутациями в ферменте разветвления гликогена, могут возникнуть метаболические заболевания, такие как болезнь накопления гликогена III типа . [6] [7]

Два этапа расщепления гликогена, глюкозилтрансфераза и глюкозидаза, выполняются одним ферментом у млекопитающих, дрожжей и некоторых бактерий, но двумя различными ферментами у E. coli и других бактерий, что усложняет номенклатуру. Белки, которые катализируют обе функции, называются ферментами разветвления гликогена (GDE). Когда глюкозилтрансфераза и глюкозидаза катализируются различными ферментами, фермент разветвления гликогена обычно называют ферментом глюкозидазой . В некоторой литературе фермент, способный только к глюкозидазе, называют ферментом разветвления . [9]

Функция

Вместе с фосфорилазой ферменты разветвления гликогена участвуют в расщеплении гликогена и мобилизации глюкозы. Когда фосфорилаза расщепляет ветвь гликогена до четырех остатков глюкозы, она не удаляет дальнейшие остатки. Ферменты разветвления гликогена помогают фосфорилазе, основному ферменту, участвующему в расщеплении гликогена , в мобилизации запасов гликогена. Фосфорилаза может расщеплять только α-1,4-гликозидную связь между соседними молекулами глюкозы в гликогене, но разветвления также существуют в виде α-1,6 связей. Когда фосфорилаза достигает четырех остатков от точки разветвления, она прекращает расщепление; поскольку 1 из 10 остатков разветвлен, расщепления только фосфорилазой будет недостаточно для мобилизации запасов гликогена. [10] [11] Прежде чем фосфорилаза сможет возобновить катаболизм, ферменты разветвления выполняют две функции:

Таким образом, деветвящие ферменты трансфераза и α-1,6-глюкозидаза преобразуют разветвленную структуру гликогена в линейную, открывая путь для дальнейшего расщепления фосфорилазой.

Структура и деятельность

Два фермента

В E. coli и других бактериях функции глюкозилтрансферазы и глюкозидазы выполняются двумя различными белками. В E. coli перенос глюкозы осуществляется 4-альфа-глюканотрансферазой, белком массой 78,5 кДа, кодируемым геном malQ. [14] Второй белок, называемый ферментом дебранчинга, осуществляет расщепление α-1,6-глюкозы. Этот фермент имеет молекулярную массу 73,6 кДа и кодируется геном glgX. [15] Активность двух ферментов не всегда обязательно сопряжена. В E. coli glgX селективно катализирует расщепление ветвей из 4 субъединиц без действия глюканотрансферазы. Продукт этого расщепления, мальтотетраоза , далее расщепляется мальтодекстринфосфорилазой. [6] [16]

E. coli GlgX структурно похож на белок изоамилазу . Мономерный белок содержит центральный домен, в котором восемь параллельных бета-нитей окружены восемью параллельными альфа-нитеями. Примечательно, что в этой структуре есть канавка длиной 26 ангстремов и шириной 9 ангстремов, содержащая ароматические остатки, которые, как полагают, стабилизируют ветвь из четырех глюкоз перед расщеплением. [6]

Гликоген-разрушающий фермент археи Sulfolobus solfataricus , treX, представляет собой интересный пример использования одного активного центра для двух видов активности: амилозидазной и глюканотрансферазной. TreX структурно похож на glgX и имеет массу 80 кДа и один активный центр. [9] [17] Однако, в отличие от любого из glgX, treX существует в растворе в виде димера и тетрамера. Олигомерная форма TreX, по-видимому, играет значительную роль в изменении как формы, так и функции фермента. Считается, что димеризация стабилизирует «гибкую петлю», расположенную близко к активному центру. Это может быть ключом к объяснению того, почему treX (а не glgX) проявляет глюкозилтрансферазную активность. Как тетрамер, каталитическая эффективность treX увеличивается в четыре раза по сравнению с его димерной формой. [6] [18]

Один фермент с двумя каталитическими центрами

У млекопитающих и дрожжей один фермент выполняет обе функции дебранчинга. [19] Фермент дебранчинга человеческого гликогена (ген: AGL) представляет собой мономер с молекулярной массой 175 кДа. Было показано, что два каталитических действия AGL могут функционировать независимо друг от друга, что свидетельствует о наличии нескольких активных участков. Эта идея была подкреплена ингибиторами активного участка, такими как полигидроксиамин, которые, как было обнаружено, ингибируют активность глюкозидазы, в то время как активность трансферазы не была существенно изменена. [20] Фермент дебранчинга гликогена является единственным известным эукариотическим ферментом, который содержит несколько каталитических участков и активен как мономер. [21] [22]

Некоторые исследования показали, что C-концевая половина дрожжевого GDE связана с активностью глюкозидазы, тогда как N-концевая половина связана с активностью глюкозилтрансферазы. [19] В дополнение к этим двум активным участкам , AGL, по-видимому, содержит третий активный участок, который позволяет ему связываться с полимером гликогена. [23] Считается, что он связывается с шестью молекулами глюкозы цепи, а также с разветвленной глюкозой, таким образом, соответствуя 7 субъединицам в активном участке, как показано на рисунке ниже. [24]

Предполагаемые сайты связывания боковой цепи

Структура Candida glabrata GDE была описана. [25] Структура показала, что отдельные домены в GDE кодируют активность глюканотрансферазы и глюкозидазы. Их катализ аналогичен катализу альфа-амилазы и глюкоамилазы соответственно. Их активные центры селективны по отношению к соответствующим субстратам, обеспечивая правильную активацию GDE. Помимо активных центров GDE имеет дополнительные сайты связывания для гликогена, которые важны для его рекрутирования в гликоген. Картирование мутаций, вызывающих заболевание, на структуре GDE дало представление о болезни накопления гликогена типа III.

Генетическая локализация

Официальное название гена — «амило-α-1,6-глюкозидаза, 4-α-глюканотрансфераза» с официальным символом AGL. AGL — аутосомный ген, обнаруженный на хромосоме 1p21. [11] Ген AGL обеспечивает инструкции для создания нескольких различных версий, известных как изоформы, фермента разветвления гликогена. Эти изоформы различаются по размеру и экспрессируются в разных тканях, таких как печень и мышцы. Этот ген был изучен очень подробно, поскольку мутация в этом гене является причиной болезни накопления гликогена III типа. [5] Ген имеет длину 85 кб, имеет 35 экзонов и кодирует мРНК размером 7,0 кб. Трансляция гена начинается с экзона 3, который кодирует первые 27 аминокислот гена AGL, поскольку первые два экзона (68 кб) содержат 5'-нетранслируемую область. Экзоны 4-35 кодируют оставшиеся 1505 аминокислот гена AGL. [7] Исследования, проведенные кафедрой педиатрии в Университете Дьюка, показывают, что ген человека AGL содержит как минимум 2 промоторных региона, участки, где начинается транскрипция гена, что приводит к дифференциальной экспрессии изоформ, различных форм одного и того же белка, мРНК способом, специфичным для разных тканей. [23] [26]

Клиническое значение

Когда активность GDE нарушена, организм не может эффективно высвобождать запасенный гликоген, может возникнуть болезнь накопления гликогена типа III (дефицит дебранчера), аутосомно-рецессивное заболевание. При GSD III распад гликогена происходит не полностью, и происходит накопление аномального гликогена с короткими внешними ответвлениями. [27]

У большинства пациентов наблюдается дефицит GDE как в печени, так и в мышцах (тип IIIa), хотя у 15% пациентов сохраняется GDE в мышцах, но отсутствует в печени (тип IIIb). [11] В зависимости от локализации мутации , различные мутации в гене AGL могут влиять на различные изоформы экспрессии гена . Например, мутации, которые происходят в экзоне 3, влияют на форму, которая влияет на изоформу , которая в первую очередь экспрессируется в печени; это приведет к GSD типа III. [28]

Эти различные проявления вызывают различные симптомы, которые могут быть почти неотличимы от GSD типа I, включая гепатомегалию , гипогликемию у детей, низкий рост, миопатию и кардиомиопатию . [7] [29] У пациентов с типом IIIa часто проявляются симптомы, связанные с заболеванием печени и прогрессирующим поражением мышц, с вариациями, вызванными возрастом начала, скоростью прогрессирования заболевания и тяжестью. У пациентов с типом IIIb обычно проявляются симптомы, связанные с заболеванием печени. [30] Пациентов с типом III можно отличить по повышенным уровням печеночных ферментов, с нормальным уровнем мочевой кислоты и лактата в крови, что отличается от других форм GSD. [28] У пациентов с поражением мышц, тип IIIa, мышечная слабость становится преобладающей во взрослом возрасте и может привести к желудочковой гипертрофии и дистальной мышечной дистрофии. [28]

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000162688 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000033400 – Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ "Human PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ "Mouse PubMed Reference:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ ab "Гены (Генетическая домашняя справочная служба Национальной медицинской библиотеки США" . Получено 29 февраля 2012 г. .
  6. ^ abcde Song HN, Jung TY, Park JT, Park BC, Myung PK, Boos W и др. (июнь 2010 г.). «Структурное обоснование специфичности короткого разветвленного субстрата фермента разветвления гликогена GlgX». Белки . 78 (8): 1847–1855. doi :10.1002/prot.22697. PMID  20187119. S2CID  28334066.
  7. ^ abcd Bao Y, Dawson TL, Chen YT (декабрь 1996 г.). "Ген фермента разветвления гликогена человека (AGL): полная структурная организация и характеристика 5'-фланкирующей области". Genomics . 38 (2): 155–165. doi :10.1006/geno.1996.0611. PMID  8954797.
  8. ^ Hers HG, Verhue W, Van hoof F (октябрь 1967 г.). «Определение амило-1,6-глюкозидазы». European Journal of Biochemistry . 2 (3): 257–264. doi :10.1111/j.1432-1033.1967.tb00133.x. PMID  6078537.
  9. ^ ab Woo EJ, Lee S, Cha H, Park JT, Yoon SM, Song HN и др. (октябрь 2008 г.). «Структурное понимание бифункционального механизма фермента разветвления гликогена TreX из археи Sulfolobus solfataricus». Журнал биологической химии . 283 (42): 28641–28648. doi : 10.1074/jbc.M802560200 . PMC 2661413. PMID  18703518 . 
  10. ^ abc Страйер Л., Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л. (2007). Биохимия (6-е изд.). Сан-Франциско: WH Freeman. ISBN 978-0-7167-8724-2.
  11. ^ abc Хондо Х., Сабури В., Мори Х., Окуяма М., Накада Т., Мацуура Ю. и др. (май 2008 г.). «Механизм распознавания субстрата фермента, гидролизующего альфа-1,6-глюкозидную связь, декстранглюкозидазы из Streptococcus mutans». Журнал молекулярной биологии . 378 (4): 913–922. дои : 10.1016/j.jmb.2008.03.016. ПМИД  18395742.
  12. ^ Chiba S (август 1997). «Молекулярный механизм альфа-глюкозидазы и глюкоамилазы». Бионаука, биотехнология и биохимия . 61 (8): 1233–1239. doi : 10.1271/bbb.61.1233 . PMID  9301101.
  13. ^ McCarter JD, Withers SG (декабрь 1994 г.). «Механизмы ферментативного гидролиза гликозидов». Current Opinion in Structural Biology . 4 (6): 885–892. doi :10.1016/0959-440X(94)90271-2. PMID  7712292.
  14. ^ "4-альфа-глюканотрансфераза - Escherichia coli (штамм K12)".
  15. ^ "Фермент разветвления гликогена - Escherichia coli O139:H28 (штамм E24377A / ETEC)". UniProt.
  16. ^ Даувилле Д., Киндерф И.С., Ли З., Косар-Хашеми Б., Сэмюэл М.С., Рэмплинг Л. и др. (февраль 2005 г.). «Роль гена glgX Escherichia coli в метаболизме гликогена». Журнал бактериологии . 187 (4): 1465–1473. дои : 10.1128/JB.187.4.1465-1473.2005. ПМК 545640 . ПМИД  15687211. 
  17. ^ "TreX - Actinoplanes sp. SN223/29". UniProt.
  18. ^ Park JT, Park HS, Kang HK, Hong JS, Cha H, Woo EJ и др. (2008). «Олигомерные и функциональные свойства фермента деветвления (TreX) из археи Sulfobus solfataricus P2». Биокатализ и биотрансформация . 26 (1–2): 76–85. doi :10.1080/10242420701806652. S2CID  83831481.
  19. ^ ab Nakayama A, Yamamoto K, Tabata S (август 2001 г.). «Идентификация каталитических остатков бифункционального фермента разветвления гликогена». Журнал биологической химии . 276 (31): 28824–28828. doi : 10.1074/jbc.M102192200 . PMID  11375985.
  20. ^ Gillard BK, White RC, Zingaro RA, Nelson TE (сентябрь 1980 г.). «Амило-1,6-глюкозидаза/4-альфа-глюканотрансфераза. Реакция фермента разветвления мышечной ткани кролика с необратимым ингибитором, направленным на активный сайт, 1-S-диметиларсино-1-тио-бета-D-глюкопиранозидом». Журнал биологической химии . 255 (18): 8451–8457. doi : 10.1016/S0021-9258(18)43517-X . PMID  6447697.
  21. ^ Chen YT, He JK, Ding JH, Brown BI (декабрь 1987 г.). «Фермент разветвления гликогена: очистка, характеристика антител и иммуноблот-анализ болезни накопления гликогена III типа». American Journal of Human Genetics . 41 (6): 1002–1015. PMC 1684360. PMID  2961257 . 
  22. ^ "Фермент разветвления гликогена - Homo sapiens (человек)". UniProt.
  23. ^ ab Gillard BK, Nelson TE (сентябрь 1977 г.). "Амило-1,6-глюкозидаза/4-альфа-глюканотрансфераза: использование ингибиторов обратимых субстратных моделей для изучения связывания и активных участков фермента разветвления мышц кролика". Биохимия . 16 (18): 3978–3987. doi :10.1021/bi00637a007. PMID  269742.
  24. ^ Ямамото Э., Макино И., Омичи К. (май 2007 г.). «Картирование активного участка амило-альфа-1,6-глюкозидазы в ферменте разветвления гликогена печени свиньи с использованием флуорогенных 6-O-альфа-глюкозил-мальтоолигосахаридов». Журнал биохимии . 141 (5): 627–634. doi :10.1093/jb/mvm065. PMID  17317688.
  25. ^ Zhai L, Feng L, Xia L, Yin H, Xiang S (апрель 2016 г.). «Кристаллическая структура фермента разветвления гликогена и понимание его катализа и мутаций, вызывающих заболевания». Nature Communications . 7 : 11229. Bibcode :2016NatCo...711229Z. doi :10.1038/ncomms11229. PMC 4837477 . PMID  27088557. 
  26. ^ Ding JH, de Barsy T, Brown BI, Coleman RA, Chen YT (январь 1990 г.). «Иммуноблот-анализ фермента разветвления гликогена при различных подтипах болезни накопления гликогена типа III». Журнал педиатрии . 116 (1): 95–100. doi :10.1016/S0022-3476(05)81652-X. PMID  2295969.
  27. ^ Monga SP (2010). Молекулярная патология заболеваний печени (Библиотека молекулярной патологии) . Берлин: Springer. ISBN 978-1-4419-7106-7.
  28. ^ abc Shen J, Bao Y, Liu HM, Lee P, Leonard JV, Chen YT (июль 1996 г.). «Мутации в экзоне 3 гена фермента разветвления гликогена связаны с болезнью накопления гликогена типа III, которая по-разному выражена в печени и мышцах». Журнал клинических исследований . 98 (2): 352–357. doi :10.1172/JCI118799. PMC 507437. PMID  8755644. 
  29. ^ Talente GM, Coleman RA, Alter C, Baker L, Brown BI, Cannon RA и др. (февраль 1994 г.). «Болезнь накопления гликогена у взрослых». Annals of Internal Medicine . 120 (3): 218–226. doi :10.7326/0003-4819-120-3-199402010-00008. PMID  8273986. S2CID  24896145.
  30. ^ Кишнани PS, Остин SL, Арн P, Бали DS, Бони A, Кейс LE и др. (Июль 2010 г.). «Диагностика и руководство по лечению болезни накопления гликогена III типа». Генетика в медицине . 12 (7): 446–463. doi : 10.1097/GIM.0b013e3181e655b6 . PMID  20631546.

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Фермент, расщепляющий гликоген» .