stringtranslate.com

Карнитинпальмитоилтрансфераза I

Карнитинпальмитоилтрансфераза I ( CPT1 ), также известная как карнитинацилтрансфераза I , CPTI , CAT1 , CoA:карнитинацилтрансфераза ( CCAT ) или пальмитоилКоА трансфераза I , представляет собой митохондриальный фермент , ответственный за образование ацилкарнитинов путем катализа переноса ацильной группы. длинноцепочечного жирного ацил-КоА от кофермента А до l-карнитина . Продуктом часто является пальмитоилкарнитин (отсюда и название), но субстратами могут быть и другие жирные кислоты. [5] [6] Он входит в семейство ферментов, называемых карнитинацилтрансферазами. [7] Этот «препарат» обеспечивает последующее перемещение ацилкарнитина из цитозоля в межмембранное пространство митохондрий.

В настоящее время известны три изоформы CPT1: CPT1A, CPT1B и CPT1C. CPT1 связан с внешней митохондриальной мембраной . Этот фермент может быть ингибирован малонил-КоА , первым промежуточным продуктом, образующимся при синтезе жирных кислот. Его роль в метаболизме жирных кислот делает CPT1 важным при многих метаболических нарушениях, таких как диабет . Поскольку его кристаллическая структура неизвестна, точный механизм его действия еще предстоит определить.

Состав

Пимол-карикатура карнитина, взаимодействующего с пятью остатками карнитинацетилтрансферазы.
Карнитин связан с каталитическим сайтом CRAT, фермента, гомологичного CPT1. Каталитические остатки гистидина и стабилизирующего серина окрашены в оранжевый цвет.

CPT1 представляет собой интегральный мембранный белок , который существует в тканях млекопитающих в трех изоформах: CPT1A, CPT1B и CPT1C. Первые два экспрессируются на внешней митохондриальной мембране большинства тканей, но их относительные пропорции варьируются в зависимости от ткани. CPT1A преобладает в липогенных тканях, таких как печень, тогда как CPT1B преобладает в таких тканях, как сердце и скелетные мышцы, которые имеют высокую окислительную способность жирных кислот в бурых жировых клетках . [8] [9] Обе изоформы представляют собой интегральные белки внешней мембраны митохондрий через две трансмембранные области пептидной цепи . Топология мембраны CPT1A была описана Fraser et al. в 1997 году. [10] Он политопный: как N-, так и C-концы обнажены на цитозольной стороне OMM, с короткой петлей, соединяющей два трансмембранных домена, выступающих в митохондриальное межмембранное пространство.

Третья изоформа (CPT1C) была идентифицирована в 2002 году и экспрессируется как в митохондриях, так и в эндоплазматическом ретикулуме. [11] Обычно он экспрессируется только в нейронах (мозг), хотя его экспрессия изменяется в некоторых типах раковых клеток. [12] [13]

Точная структура любой из изоформ CPT1 еще не определена, хотя было создано множество моделей CPT1 in silico на основе близкородственных карнитин-ацилтрансфераз, таких как карнитин-ацетилтрансфераза (CRAT) . [14]

Важным структурным различием между CPT1 и CPT2 , CRAT и карнитиноктаноилтрансферазой (COT) является то, что CPT1 содержит дополнительный домен на своем N-конце , состоящий примерно из 160 аминокислот. Было установлено, что этот дополнительный N-концевой домен важен для ключевой ингибирующей молекулы CPT1, малонил-КоА, и действует как переключатель, который делает CPT1A более или менее чувствительным к ингибированию малонил-КоА. [15]

Было предложено существование двух различных сайтов связывания в CPT1A и CPT1B. «Сайт А» или «Сайт КоА», по-видимому, связывает как малонил-КоА, так и пальмитоил-КоА , а также другие молекулы, содержащие кофермент А , что позволяет предположить, что фермент связывает эти молекулы посредством взаимодействия с фрагментом кофермента А. Было высказано предположение, что малонил-КоА может действовать как конкурентный ингибитор CPT1A в этом сайте. Было предложено, что второй «сайт О» связывает малонил-КоА более прочно, чем сайт А. В отличие от сайта А, сайт О связывается с малонил-КоА через дикарбонильную группу малонатного фрагмента малонил-КоА. Связывание малонил-КоА с сайтами A и O ингибирует действие CPT1A, исключая связывание карнитина с CPT1A. [16] Поскольку кристаллическую структуру CPT1A еще предстоит выделить и визуализировать, ее точную структуру еще предстоит выяснить.

Функция

Ферментативный механизм

Поскольку данные о кристаллической структуре в настоящее время недоступны, точный механизм CPT1 в настоящее время не известен. Было предложено несколько различных возможных механизмов CPT1, оба из которых включают остаток гистидина 473 в качестве ключевого каталитического остатка. Один из таких механизмов, основанный на модели карнитинацетилтрансферазы, показан ниже, в котором His 473 депротонирует карнитин, в то время как близлежащий остаток серина стабилизирует тетраэдрический промежуточный оксианион . [7]

Был предложен другой механизм, который предполагает, что каталитическая триада , состоящая из остатков Cys-305, His-473 и Asp-454, осуществляет стадию катализа по переносу ацила . [17] Этот каталитический механизм включает образование ковалентного промежуточного соединения тиоацил-фермента с Cys-305.

Механизм действия карнитинпальмитоилтрансферазы.
Карнитинпальмитоилтрансферазный механизм.

Биологическая функция

Система карнитинпальмитоилтрансферазы является важным этапом бета-окисления длинноцепочечных жирных кислот . Эта система переноса необходима, поскольку, хотя жирные кислоты активируются (в форме тиоэфирной связи с коферментом А) на внешней митохондриальной мембране, активированные жирные кислоты должны окисляться внутри митохондриального матрикса . Жирные кислоты с длинной цепью, такие как пальмитоил-КоА, в отличие от жирных кислот с короткой и средней длиной цепи, не могут свободно диффундировать через внутреннюю мембрану митохондрий и требуют челночной системы для транспортировки в митохондриальный матрикс. [18]

Ацил-КоА из цитозоля в митохондриальный матрикс

Карнитинпальмитоилтрансфераза I является первым компонентом и лимитирующей стадией системы карнитинпальмитоилтрансферазы, катализирующей перенос ацильной группы от кофермента А к карнитину с образованием пальмитоилкарнитина . Затем транслоказа переносит ацилкарнитин через внутреннюю мембрану митохондрий, где он снова превращается в пальмитоил-КоА .

Действуя как акцептор ацильной группы, карнитин может также играть роль регулирования внутриклеточного соотношения КоА: ацил-КоА. [19]

Регулирование

CPT1 ингибируется малонил-КоА, хотя точный механизм ингибирования остается неизвестным. Было показано, что изоформа скелетных мышц и сердца CPT1, CPT1B, в 30–100 раз более чувствительна к ингибированию малонил-КоА, чем CPT1A. Это ингибирование является хорошей мишенью для будущих попыток регулировать CPT1 для лечения метаболических нарушений. [20]

Ацетил-КоА-карбоксилаза (АСС), фермент, катализирующий образование малонил-КоА из ацетил-КоА , играет важную роль в регуляции метаболизма жирных кислот. Ученые продемонстрировали, что у мышей с нокаутом ACC2 меньше жира и веса по сравнению с мышами дикого типа . Это результат снижения активности АСС, что вызывает последующее снижение концентрации малонил-КоА. Такое снижение уровня малонил-КоА, в свою очередь, предотвращает ингибирование CPT1, вызывая в конечном итоге усиление окисления жирных кислот. [21] Поскольку клетки сердца и скелетных мышц имеют низкую способность к синтезу жирных кислот, АСС может действовать исключительно как регуляторный фермент в этих клетках.

Клиническое значение

Форма «CPT1A» связана с дефицитом карнитинпальмитоилтрансферазы I. [22] Это редкое заболевание повышает риск развития печеночной энцефалопатии , гипокетотической гипогликемии, судорог и внезапной неожиданной смерти в младенчестве. [23]

CPT1 связан с диабетом 2 типа и резистентностью к инсулину . Такие заболевания, наряду со многими другими проблемами со здоровьем, приводят к повышению уровня свободных жирных кислот (СЖК) у людей, накоплению жира в скелетных мышцах и снижению способности мышц окислять жирные кислоты. CPT1 участвует в возникновении этих симптомов. Повышенные уровни малонил-КоА, вызванные гипергликемией и гиперинсулинемией, ингибируют CPT1, что вызывает последующее снижение транспорта длинноцепочечных жирных кислот в митохондрии мышц и сердца, уменьшая окисление жирных кислот в таких клетках. Шунтирование ДЦЖК из митохондрий приводит к наблюдаемому повышению уровня СЖК и накоплению жира в скелетных мышцах. [24] [25]

Его важность в метаболизме жирных кислот делает CPT1 потенциально полезным ферментом, на котором следует сосредоточиться и при разработке методов лечения многих других метаболических нарушений. [26]

Взаимодействия

Известно, что CPT1 взаимодействует со многими белками, в том числе из семейства NDUF, PKC1 и ENO1. [27]

При ВИЧ Vpr усиливает индуцированную PPARbeta/delta экспрессию мРНК PDK4, карнитинпальмитоилтрансферазы I (CPT1) в клетках. [28] Нокдаун CPT1A с помощью скрининга библиотеки shRNA ингибирует репликацию ВИЧ-1 в культивируемых Т-клетках Jurkat. [29]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ abc GRCh38: выпуск Ensembl 89: ENSG00000110090 - Ensembl , май 2017 г.
  2. ^ abc GRCm38: выпуск Ensembl 89: ENSMUSG00000024900 - Ensembl , май 2017 г.
  3. ^ "Ссылка на Human PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  4. ^ "Ссылка на Mouse PubMed:". Национальный центр биотехнологической информации, Национальная медицинская библиотека США .
  5. ^ ван дер Лейж Ф.Р., Хейкман, Северная Каролина, Бумсма С., Кейперс Дж.Р., Бартелдс Б. (2000). «Геномика генов карнитинацилтрансферазы человека». Молекулярная генетика и обмен веществ . 71 (1–2): 139–53. дои : 10.1006/mgme.2000.3055. ПМИД  11001805.
  6. ^ Боннефонт Дж.П., Джуади Ф., Прип-Буус С., Гобин С., Мюнних А., Бастин Дж. (2004). «Карнитинпальмитоилтрансферазы 1 и 2: биохимические, молекулярные и медицинские аспекты». Молекулярные аспекты медицины . 25 (5–6): 495–520. дои : 10.1016/j.mam.2004.06.004. ПМИД  15363638.
  7. ^ Аб Джогл Г., Тонг Л. (январь 2003 г.). «Кристаллическая структура карнитинацетилтрансферазы и значение каталитического механизма и транспорта жирных кислот». Клетка . 112 (1): 113–22. дои : 10.1016/S0092-8674(02)01228-X . PMID  12526798. S2CID  18633987.
  8. ^ Браун Н.Ф., Хилл Дж.К., Эссер В., Киркланд Дж.Л., Корки Б.Е., Фостер Д.В., МакГарри Дж.Д. (октябрь 1997 г.). «Белые адипоциты мыши и клетки 3T3-L1 демонстрируют аномальный характер экспрессии изоформы карнитинпальмитоилтрансферазы (CPT) I во время дифференцировки. Межтканевая и межвидовая экспрессия ферментов CPT I и CPT II». Биохимический журнал . 327 (1): 225–31. дои : 10.1042/bj3270225. ПМЦ 1218784 . ПМИД  9355756. 
  9. ^ Ли Дж., Эллис Дж.М., Вольфганг М.Дж. (январь 2015 г.). «Окисление жирных кислот необходимо для термогенеза и усиливает воспаление, вызванное окислительным стрессом». Отчеты по ячейкам . 10 (2): 266–279. дои : 10.1016/j.celrep.2014.12.023. ПМК 4359063 . ПМИД  25578732. 
  10. ^ Фрейзер Ф., Корсторфин, CG, Заммит, Вирджиния (май 1997 г.). «Топология карнитинпальмитоилтрансферазы I во внешней мембране митохондрий». Биохимический журнал . 323 (3): 711–718. дои : 10.1042/bj3230711 . ПМЦ 1218374 . ПМИД  1218374. 
  11. ^ Прайс Н., ван дер Лей Ф., Джексон В., Корсторфин С., Томсон Р., Соренсен А., Заммит В. (октябрь 2002 г.). «Новый белок, экспрессируемый в мозге, родственный карнитинпальмитоилтрансферазе I». Геномика . 80 (4): 433–442. дои : 10.1006/geno.2002.6845. ПМИД  12376098.
  12. ^ Казальс Н., Заммит В.А., Эрреро Л., Фадо Р., Родригес Р., Серра Д. (декабрь 2016 г.). «Карнитинпальмитоилтрансфераза 1C: от познания к раку» (PDF) . Прог Липид Рес . 61 : 134–148. doi :10.1016/j.plipres.2015.11.004. ПМИД  26708865.
  13. ^ Эззеддини Р., Тагихани М., Салек Фаррохи А., Соми М.Х., Самади Н., Исфахани А., Расаи, MJ (май 2021 г.). «Подавление окисления жирных кислот за счет участия HIF-1α и PPARγ в аденокарциноме желудка человека и связанное с этим клиническое значение». Журнал физиологии и биохимии . 77 (2): 249–260. дои : 10.1007/s13105-021-00791-3. PMID  33730333. S2CID  232300877.
  14. ^ Морильяс М., Лопес-Виньяс Э., Валенсия А., Серра Д., Гомес-Пуэртас П., Хегардт Ф.Г., Асинс Г. (май 2004 г.). «Структурная модель карнитинпальмитоилтрансферазы I на основе кристалла карнитинацетилтрансферазы». Биохимический журнал . 379 (Часть 3): 777–784. дои : 10.1042/BJ20031373. ПМЦ 1224103 . ПМИД  14711372. 
  15. ^ Рао Дж.Н., Уоррен Г.З., Эстольт-Поведано С., Заммит В.А., Ульмер Т.С. (2011). «Зависимый от окружающей среды структурный переключатель лежит в основе регуляции карнитинпальмитоилтрансферазы 1А». J Биол Хим . 286 (49): 42545–42554. дои : 10.1074/jbc.M111.306951 . ПМЦ 3234983 . ПМИД  21990363. 
  16. ^ Лопес-Виньяс Э, Бентебибель А, Гурунатан С, Морильяс М, де Арриага Д, Серра Д, Асинс Г, Хегардт ФГ, Гомес-Пуэртас П (июнь 2007 г.). «Определение с помощью функционального и структурного анализа двух сайтов малонил-КоА в карнитинпальмитоилтрансферазе 1А». Журнал биологической химии . 282 (25): 18212–24. дои : 10.1074/jbc.M700885200 . ПМИД  17452323.
  17. ^ Лю Х, Чжэн Г, Требер М, Дай Дж, Вольдегиоргис Г (февраль 2005 г.). «Цистеин-сканирующий мутагенез мышечной карнитинпальмитоилтрансферазы I выявил единственный остаток цистеина (Cys-305), важный для катализа». Журнал биологической химии . 280 (6): 4524–4531. дои : 10.1074/jbc.M400893200 . ПМИД  15579906.
  18. ^ Берг Дж.М., Тимочо Дж.Л., Страйер Л., «Биохимия», 6-е издание, 2007 г.
  19. ^ Джогл Г., Сяо Ю.С., Тонг Л. (ноябрь 2004 г.). «Структура и функции карнитинацилтрансфераз». Анналы Нью-Йоркской академии наук . 1033 (1): 17–29. Бибкод : 2004NYASA1033...17J. дои : 10.1196/анналы.1320.002. PMID  15591000. S2CID  24466239.
  20. ^ Ши Дж., Чжу Х., Арвидсон Д.Н., Вольдегиоргис Г. (февраль 2000 г.). «Первые 28 N-концевых аминокислотных остатков карнитинпальмитоилтрансферазы I сердечной мышцы человека необходимы для чувствительности малонил-КоА и высокоаффинного связывания». Биохимия . 39 (4): 712–717. дои : 10.1021/bi9918700. ПМИД  10651636.
  21. ^ Абу-Эльхейга Л., О В., Кордари П., Вакил С.Дж. (сентябрь 2003 г.). «Мутантные мыши по ацетил-КоА-карбоксилазе 2 защищены от ожирения и диабета, вызванных диетой с высоким содержанием жиров и углеводов». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 100 (18): 10207–10212. Бибкод : 2003PNAS..10010207A. дои : 10.1073/pnas.1733877100 . ЧВК 193540 . ПМИД  12920182. 
  22. ^ Огава Э, Канадзава М, Ямамото С, Оцука С, Огава А, Отаке А, Такаянаги М, Коно Ю (2002). «Анализ экспрессии двух мутаций при дефиците карнитинпальмитоилтрансферазы IA». Журнал генетики человека . 47 (7): 342–7. дои : 10.1007/s100380200047 . ПМИД  12111367.
  23. ^ Коллинз С.А., Синклер Г., Макинтош С., Бэмфорт Ф., Томпсон Р., Соболь И., Осборн Г., Корриво А., Сантос М., Хэнли Б., Гринберг С.Р., Валланс Х., Арбор Л. (2010). «Распространенность карнитинпальмитоилтрансферазы 1A (CPT1A) P479L у живых новорожденных в Юконе, Северо-Западных территориях и Нунавуте». Молекулярная генетика и обмен веществ . 101 (2–3): 200–204. дои : 10.1016/j.ymgme.2010.07.013. ПМИД  20696606.
  24. ^ Расмуссен Б.Б., Хольмбек Калифорнийский университет, Вольпи Э, Морио-Лайондор Б, Паддон-Джонс Д, Вулф Р.Р. (декабрь 2002 г.). «Малонил-коэнзим А и регуляция функциональной активности карнитинпальмитоилтрансферазы-1 и окисления жиров в скелетных мышцах человека». Журнал клинических исследований . 110 (11): 1687–93. дои : 10.1172/JCI15715. ПМК 151631 . ПМИД  12464674. 
  25. ^ МакГарри JD, Миллс SE, Лонг CS, Фостер Д.В. (июль 1983 г.). «Наблюдения за сродством к карнитину и чувствительностью к малонил-КоА карнитинпальмитоилтрансферазы I в тканях животных и человека. Демонстрация присутствия малонил-КоА в непеченочных тканях крысы». Биохимический журнал . 214 (1): 21–8. дои : 10.1042/bj2140021. ПМЦ 1152205 . ПМИД  6615466. 
  26. ^ Шреурс М., Кейперс Ф., ван дер Лей ФР (2010). «Регуляторные ферменты бета-окисления митохондрий как мишени лечения метаболического синдрома». Обзоры ожирения . 11 (5): 380–8. дои : 10.1111/j.1467-789X.2009.00642.x . PMID  19694967. S2CID  24954036.
  27. ^ Хавугимана ПК, Харт ГТ, Непуш Т, Ян Х, Туринский А.Л., Ли З, Ван ПИ, Бутц Д.Р., Фонг В., Фанс С., Бабу М., Крейг С.А., Ху П., Ван С., Власблом Дж., Дар В.У., Безгинов А, Кларк Г.В., Ву Г.К., Водак С.Дж., Тилье Э.Р., Пакканаро А., Маркотт Э.М., Эмили А. (август 2012 г.). «Перепись растворимых белковых комплексов человека». Клетка . 150 (5): 1068–81. дои : 10.1016/j.cell.2012.08.011. ПМЦ 3477804 . ПМИД  22939629. 
  28. ^ Шривастав С., Чжан Л., Окамото К., Ли Х., Лагранья С., Абэ Ю., Баласубраманьям А., Лопащук Г.Д., Кино Т., Копп Дж.Б. (сентябрь 2013 г.). «Vpr ВИЧ-1 усиливает PPARβ/δ-опосредованную транскрипцию, увеличивает экспрессию PDK4 и снижает активность PDC». Молекулярная эндокринология . 27 (9): 1564–76. дои : 10.1210/me.2012-1370. ПМЦ 3753422 . ПМИД  23842279. 
  29. ^ Юнг М.Л., Узе Л., Йедавалли В.С., Жанг К.Т. (июль 2009 г.). «Полногеномный скрининг короткой шпильковой РНК Т-клеток юрката на наличие белков человека, способствующих продуктивной репликации ВИЧ-1». Журнал биологической химии . 284 (29): 19463–73. дои : 10.1074/jbc.M109.010033 . ПМЦ 2740572 . ПМИД  19460752. 

Внешние ссылки