stringtranslate.com

Фосфоглицератдегидрогеназа

Фосфоглицератдегидрогеназа (ФГДГ) — фермент, катализирующий химические реакции.

3-фосфо-D-глицерат + НАД + 3-фосфонооксипируват + НАДН + Н +
2-гидроксиглутарат + НАД + 2-оксоглутарат + НАДН + Н +

Двумя субстратами этого фермента являются 3-фосфо-D-глицерат и НАД + , тогда как его тремя продуктами являются 3-фосфогидроксипируват , НАДН и Н +.

Также возможно, что двумя субстратами этого фермента являются 2-гидроксиглутарат и НАД + , тогда как его тремя продуктами являются 2-оксоглутарат , НАДН и Н + .

По состоянию на 2012 год наиболее изученными вариантами PHGDH являются варианты из геномов E. coli и M. tuberculosis . [5] У людей этот фермент кодируется геном PHGDH . [6]

Функция

3-фосфоглицератдегидрогеназа катализирует переход 3-фосфоглицерата в 3-фосфогидроксипируват, что является обязательным этапом фосфорилированного пути биосинтеза L-серина . Он также необходим для синтеза цистеина и глицина , которые находятся ниже по течению. [7] Этот путь представляет собой единственный способ синтеза серина у большинства организмов, за исключением растений, которые обладают уникальными множественными синтетическими путями. Тем не менее, фосфорилированный путь, в котором участвует PHGDH, по-прежнему подозревается в том, что играет важную роль в синтезе серина, используемом в сигнальной системе развития растений. [8] [9]

Из-за роли серина и глицина как нейротрофических факторов в развивающемся мозге было показано, что PHGDH имеет высокую экспрессию в глиальных и астроцитарных клетках во время развития нервной системы. [10]

Механизм и регулирование

3-фосфоглицератдегидрогеназа работает через механизм индуцированной подгонки, катализируя перенос гидрида от субстрата к NAD+, необходимому кофактору . В своей активной конформации активный центр фермента имеет несколько катионных остатков, которые, вероятно, стабилизируют переходное состояние реакции между отрицательно заряженным субстратом и NAD + . Позиционирование таково, что альфа-углерод субстрата и C4 никотинамидного кольца сближаются, что облегчает перенос гидрида, производя NADH и окисленный субстрат. [5] [11]

Активный сайт человеческого PHGDH. Показаны ключевые остатки (два Arg и один His) и субстраты. Расстояние 4,2 Å между атомами углерода, подвергающимися переносу гидрида. Из рендеринга 2G76 PHGDH, кристаллизованного с NAD + и D-малатом.

PHGDH аллостерически регулируется своим нижестоящим продуктом, L-серином. Это ингибирование обратной связи понятно, учитывая, что 3-фосфоглицерат является промежуточным звеном в гликолитическом пути. Учитывая, что PHGDH представляет собой обязательный этап в производстве серина в клетке, поток через путь должен тщательно контролироваться.

Было показано, что связывание L-серина демонстрирует кооперативное поведение. Мутанты, которые снижали эту кооперативность, также увеличивали чувствительность к аллостерическому ингибированию серина, что предполагает разделение химических механизмов, которые приводят к кооперативности аллостерического связывания и ингибированию активного центра. [12] Механизм ингибирования относится к типу Vmax, что указывает на то, что серин влияет на скорость реакции, а не на сродство связывания активного центра. [11] [13]

Хотя аллостерические эффекты L-серина обычно находятся в центре внимания регуляторных исследований, было отмечено, что в некоторых вариантах фермента 3-фосфоглицератдегидрогеназа ингибируется на отдельном положительно заряженном аллостерическом участке высокими концентрациями ее собственного субстрата. [5] [14]

Структура

3-фосфоглицератдегидрогеназа представляет собой тетрамер , состоящий из четырех идентичных асимметричных субъединиц. В любой момент времени только максимум две смежные субъединицы представляют каталитически активный сайт; другие две вынуждены перейти в неактивную конформацию. Это приводит к активности половины сайтов в отношении как активных, так и аллостерических сайтов, что означает, что только два сайта активных субъединиц должны быть связаны для по существу максимального эффекта в отношении катализа и ингибирования соответственно. [15] Есть некоторые свидетельства того, что дальнейшее ингибирование происходит при связывании третьей и четвертой молекул серина, но оно относительно минимально. [13]

Субъединицы из E. coli PHGDH имеют три отдельных домена, тогда как из M. tuberculosis имеют четыре. Отмечено, что человеческий фермент больше похож на фермент M. tuberculosis , включая сайт для аллостерического субстратного ингибирования. Конкретно, были предложены три общих типа PHGDH: Тип I, II и III. Тип III имеет два отдельных домена, не имеет обоих аллостерических сайтов и встречается в различных одноклеточных организмах. Тип II имеет сайты связывания серина и охватывает хорошо изученный E. coli PHGDH. Тип I обладает как сайтами аллостерического связывания серина, так и сайтами субстратного аллостерического связывания и охватывает M. tuberculosis и PHGDH млекопитающих. [5]

Считается, что регуляция каталитической активности является результатом движения жестких доменов вокруг гибких «шарниров». Когда субстрат связывается с открытым активным сайтом, шарнир вращается и закрывает щель. Таким образом, аллостерическое ингибирование, вероятно, работает путем блокировки шарнира в состоянии, которое создает открытую щель активного сайта. [13] [16]

Кристаллическая структура ингибированного PHGDH из M. tuberculosis из-за аллостерически связанного серина. Из рендеринга 3DC2.

Вариант M. tuberculosis также демонстрирует необычный двойной оптимум pH для каталитической активности. [14]

Эволюция

3-фосфоглицератдегидрогеназа обладает менее чем 20% гомологии с другими НАД-зависимыми оксидоредуктазами и демонстрирует значительную дисперсию между видами. Похоже, что существует консервация в специфических остатках связывающего домена, но все еще есть некоторые различия в положительно заряженных остатках активного центра между вариантами. Например, ферменты типа III PHGDH можно разбить на два подкласса, в которых ключевой остаток гистидина заменен остатком лизина . [5] [17]

Актуальность заболевания

Гомозиготные или сложные гетерозиготные мутации в 3-фосфоглицератдегидрогеназе вызывают синдром Ней-Лаксовой [18] [19] и дефицит фосфоглицератдегидрогеназы . [20] Помимо значительного сокращения продолжительности жизни, известно, что дефицит PHGDH вызывает врожденную микроцефалию , психомоторную задержку и трудно поддающиеся лечению судороги как у людей, так и у крыс, предположительно из-за важной сигнализации в нервной системе, в которой тесно задействованы серин, глицин и другие молекулы нисходящего потока. Лечение обычно включает пероральное добавление серина и глицина и было показано наиболее эффективным, когда начиналось внутриутробно посредством перорального приема матерью. [21] [22]

Мутации , которые приводят к повышению активности PHGDH, также связаны с повышенным риском онкогенеза , включая некоторые виды рака молочной железы. [23] Это открытие предполагает, что пути, обеспечивающие выход для отвода углерода из гликолиза, могут быть полезны для быстрого роста клеток. [24]

Сообщалось, что PHGDH может также катализировать превращение альфа-кетоглутарата в 2-гидроксиглутаровую кислоту в некоторых вариантах. Таким образом, предполагается, что мутация в ферменте способствует 2-гидроксиглутаровой ацидурии у людей, хотя ведутся споры о том, является ли этот катализ общим для человеческого PHGDH. [5] [25]

Результаты исследований показывают, что PHGDH может служить биомаркером крови болезни Альцгеймера. [26]

Ссылки

  1. ^ abc GRCh38: Ensembl выпуск 89: ENSG00000092621 – Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: Ensembl выпуск 89: ENSMUSG00000053398 – 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. ^ abcdef Grant GA (март 2012). «Контрастные каталитические и аллостерические механизмы для фосфоглицератдегидрогеназ». Архивы биохимии и биофизики . 519 (2): 175–85. doi :10.1016/j.abb.2011.10.005. PMC 3294004. PMID 22023909  . 
  6. ^ "PHGDH фосфоглицератдегидрогеназа [Homo sapiens (человек)] - Ген - NCBI". www.ncbi.nlm.nih.gov . Получено 1 марта 2016 г. .
  7. ^ "Биосинтез L-серина MetaCyc". biocyc.org . Получено 1 марта 2016 г. .
  8. ^ Рос Р., Муньос-Бертомеу Дж., Крюгер С. (сентябрь 2014 г.). «Серин в растениях: биосинтез, метаболизм и функции». Trends in Plant Science . 19 (9): 564–9. doi :10.1016/j.tplants.2014.06.003. PMID  24999240. S2CID  19690197.
  9. ^ Ho CL, Noji M, Saito M, Saito K (январь 1999). «Регуляция биосинтеза серина у Arabidopsis. Решающая роль пластидной 3-фосфоглицератдегидрогеназы в нефотосинтетических тканях». Журнал биологической химии . 274 (1): 397–402. doi : 10.1074/jbc.274.1.397 . PMID  9867856.
  10. ^ Yamasaki M, Yamada K, Furuya S, Mitoma J, Hirabayashi Y, Watanabe M (октябрь 2001 г.). «3-фосфоглицератдегидрогеназа, ключевой фермент биосинтеза L-серина, преимущественно экспрессируется в радиальной глии/астроцитарной линии и обонятельной обкладочной глие в мозге мышей». The Journal of Neuroscience . 21 (19): 7691–704. doi : 10.1523/JNEUROSCI.21-19-07691.2001 . PMC 6762884 . PMID  11567059. S2CID  3547638. 
  11. ^ ab Grant GA, Kim SJ, Xu XL, Hu Z (февраль 1999). «Вклад соседних субъединиц в активные сайты D-3-фосфоглицератдегидрогеназы». Журнал биологической химии . 274 (9): 5357–61. doi : 10.1074/jbc.274.9.5357 . PMID  10026144.
  12. ^ Грант GA, Ху Z, Сю XL (январь 2001 г.). «Специфические взаимодействия на интерфейсе регуляторного домена-связывающего домена субстрата влияют на кооперативность ингибирования и связывания эффектора в D-3-фосфоглицератдегидрогеназе Escherichia coli». Журнал биологической химии . 276 (2): 1078–83. doi : 10.1074/jbc.M007512200 . PMID  11050089.
  13. ^ abc Grant GA, Schuller DJ, Banaszak LJ (январь 1996). "Модель регуляции D-3-фосфоглицератдегидрогеназы, аллостерического фермента типа Vmax". Protein Science . 5 (1): 34–41. doi :10.1002/pro.5560050105. PMC 2143248 . PMID  8771194. 
  14. ^ ab Burton RL, Chen S, Xu XL, Grant GA (октябрь 2007 г.). «Новый механизм ингибирования субстрата в D-3-фосфоглицератдегидрогеназе Mycobacterium tuberculosis». Журнал биологической химии . 282 (43): 31517–24. doi : 10.1074/jbc.M704032200 . PMID  17761677.
  15. ^ Грант GA, Сюй XL, Ху Z (апрель 2004 г.). «Количественные отношения взаимодействия между сайтами в D-3-фосфоглицератдегидрогеназе Escherichia coli, выявленные асимметричными гибридными тетрамерами». Журнал биологической химии . 279 (14): 13452–60. doi : 10.1074/jbc.M313593200 . PMID  14718528.
  16. ^ Al-Rabiee R, Lee EJ, Grant GA (май 1996). «Механизм аллостерической регуляции с модуляцией скорости в D-3-фосфоглицератдегидрогеназе. Сшивание смежных регуляторных доменов с помощью сконструированных дисульфидов имитирует связывание эффектора». Журнал биологической химии . 271 (22): 13013–7. doi : 10.1074/jbc.271.22.13013 . PMID  8662776. S2CID  28327405.
  17. ^ Tobey KL, Grant GA (сентябрь 1986). «Нуклеотидная последовательность гена serA Escherichia coli и аминокислотная последовательность кодируемого белка D-3-фосфоглицератдегидрогеназы». Журнал биологической химии . 261 (26): 12179–83. doi : 10.1016/S0021-9258(18)67220-5 . PMID  3017965.
  18. ^ Шахин Р., Рахбини З., Альхашем А., Факейх Э., Чжао К., Сюн Ю., Альмоишир А., Аль-Каттан С.М., Альмадани Х.А., Аль-Онази Н., Аль-Бакави Б.С., Салех М.А., Алькурая Ф.С. (июнь 2014 г.). «Синдром Неу-Лаховой, врожденное нарушение метаболизма серина, вызвано мутациями PHGDH». Американский журнал генетики человека . 94 (6): 898–904. дои : 10.1016/j.ajhg.2014.04.015. ПМЦ 4121479 . ПМИД  24836451. 
  19. ^ Акуна-Идальго Р., Шанце Д., Кариминежад А., Нордгрен А., Кариминежад М.Х., Коннер П., Григелиониене Г., Нильссон Д., Норденшельд М., Веделл А., Фрейер С., Реденберг А., Вечорек Д., Гиллессен-Кесбах Г., Кайсерили Х., Эльджиоглу Н, Гадери-Сохи С, Гударзи П., Сетайеш Х., ван де Ворст М., Стихаувер М., Пфундт Р., Крабихлер Б., Карри С., Маккензи М.Г., Бойкот К.М., Гилиссен С., Джанеке А.Р., Хойшен А., Ценкер М. (сентябрь 2014 г.). «Синдром Неу-Лаховой представляет собой гетерогенное метаболическое расстройство, вызванное дефектами ферментов пути биосинтеза L-серина». Американский журнал генетики человека . 95 (3): 285–93. doi :10.1016/j.ajhg.2014.07.012. PMC 4157144. PMID 25152457  . 
  20. ↑ Jaeken J, Detheux M, Van Maldergem L, Foulon M, Carchon H, Van Schaftingen E (июнь 1996 г.). «Дефицит 3-фосфоглицератдегидрогеназы: врожденная ошибка биосинтеза серина». Архив болезней в детстве . 74 (6): 542–5. дои : 10.1136/adc.74.6.542. ПМК 1511571 . ПМИД  8758134. 
  21. ^ de Koning TJ, Duran M, Dorland L, Gooskens R, Van Schaftingen E, Jaeken J, Blau N, Berger R, Poll-The BT (август 1998 г.). «Полезные эффекты L-серина и глицина при лечении приступов при дефиците 3-фосфоглицератдегидрогеназы». Annals of Neurology . 44 (2): 261–5. doi : 10.1002/ana.410440219 . PMID  9708551. S2CID  46565109.
  22. ^ де Конинг Т.Дж., Кломп Л.В., ван Оппен AC, Бимер Ф.А., Дорланд Л., ван ден Берг I, Бергер Р. (18 декабря 2004 г.). «Пренатальное и раннее послеродовое лечение при дефиците 3-фосфоглицератдегидрогеназы». Ланцет . 364 (9452): 2221–2. doi : 10.1016/S0140-6736(04)17596-X. PMID  15610810. S2CID  40121728.
  23. ^ Поссемато Р., Маркс К.М., Шауль Ю.Д., Паколд М.Е., Ким Д., Бирсой К., Сетумадхаван С., Ву Х.К., Чан Х.Г., Джа АК, Чен В.В., Барретт Ф.Г., Странски Н., Цун З.И., Коули Г.С., Барретина Дж., Калаани Нью-Йорк, Сюй П.П., Оттина К., Чан А.М., Юань Б., Гарравэй Л.А., Рут Д.Э., Мино-Кенудсон М., Брахтел Э.Ф., Дриггерс Э.М., Сабатини Д.М. (август 2011 г.). «Функциональная геномика показывает, что путь синтеза серина имеет важное значение при раке молочной железы». Природа . 476 (7360): 346–50. Бибкод : 2011Natur.476..346P. дои : 10.1038/nature10350. PMC 3353325. PMID  21760589 . 
  24. ^ Локасале Дж.В., Грассиан А.Р., Мелман Т., Лиссиотис К.А., Маттаини КР, Басс А.Дж., Хеффрон Г., Металло СМ, Муранен Т., Шарфи Х., Сасаки А.Т., Анастасиу Д., Малларки Э., Вокес Н.И., Сасаки М., Берухим Р., Стефанопулос Дж., Лигон А.Х., Мейерсон М., Ричардсон А.Л., Чин Л., Вагнер Г., Асара Дж.М., Брюгге Дж.С., Кэнтли Л.К., Вандер Хайден М.Г. (сентябрь 2011 г.). «Фосфоглицератдегидрогеназа отвлекает гликолитический поток и способствует онкогенезу» (PDF) . Природная генетика . 43 (9): 869–74. дои : 10.1038/ng.890. ПМЦ 3677549 . PMID  21804546. 
  25. ^ Zhao G, Winkler ME (январь 1996). «Новая активность альфа-кетоглутаратредуктазы 3-фосфоглицератдегидрогеназы, кодируемой serA, Escherichia coli K-12 и ее возможные последствия для 2-гидроксиглутаровой ацидурии у человека». Журнал бактериологии . 178 (1): 232–9. doi :10.1128/JB.178.1.232-239.1996. PMC 177644. PMID  8550422 . 
  26. ^ Chen X, Calandrelli R, Girardini J, Yan Z, Tan Z, Xu X, Hiniker A, Zhong S (май 2022 г.). «Экспрессия PHGDH увеличивается с прогрессированием патологии и симптомов болезни Альцгеймера». Cell Metabolism . 34 (5): 651–653. doi :10.1016/j.cmet.2022.02.008. PMC 9531314 . PMID  35508105.