stringtranslate.com

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа ( Г6ФД или Г6ФДГ ) ( КФ 1.1.1.49) — цитозольный фермент , катализирующий химическую реакцию

D -глюкозо-6-фосфат + НАДФ + + H 2 O ⇌ 6-фосфо- D- глюконо-1,5-лактон + НАДФН + H +

Этот фермент участвует в пентозофосфатном пути (см. изображение), метаболическом пути , который поставляет восстановительную энергию клеткам (например, эритроцитам ) путем поддержания уровня восстановленной формы кофермента никотинамидадениндинуклеотидфосфата ( НАДФН). НАДФН, в свою очередь, поддерживает уровень глутатиона в этих клетках, что помогает защищать эритроциты от окислительного повреждения такими соединениями, как перекись водорода . [1] Более важное количественное значение имеет выработка НАДФН для тканей, участвующих в биосинтезе жирных кислот или изопреноидов , таких как печень, молочные железы , жировая ткань и надпочечники . Г6ФД восстанавливает НАДФ + до НАДФН, окисляя глюкозо-6-фосфат . [2] Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа также является ферментом пути Энтнера-Дудорова , типа гликолиза.

С клинической точки зрения, генетический дефицит G6PD, связанный с Х-хромосомой, делает человека склонным к неиммунной гемолитической анемии . [3]

Распространение видов

G6PD широко распространен у многих видов от бактерий до человека . Многократное выравнивание последовательностей более 100 известных G6PD из разных организмов выявило идентичность последовательностей в диапазоне от 30% до 94%. [4] Человеческий G6PD имеет более 30% идентичности аминокислотной последовательности с последовательностями G6PD из других видов. [5] У людей также есть две изоформы одного гена, кодирующего G6PD. [6] Более того, было обнаружено по меньшей мере 168 мутаций, вызывающих заболевания в этом гене. [7] Эти мутации в основном являются миссенс-мутациями, которые приводят к заменам аминокислот, [8] и хотя некоторые из них приводят к дефициту G6PD, другие, по-видимому, не приводят к каким-либо заметным функциональным различиям. [8] Некоторые ученые предположили, что некоторые из генетических вариаций человеческого G6PD возникли в результате поколений адаптации к малярийной инфекции. [9]

Другие виды также испытывают вариации в G6PD. У высших растений было описано несколько изоформ G6PDH, которые локализуются в цитозоле , пластидной строме и пероксисомах . [10] Модифицированный F 420 -зависимый (в отличие от NADP + -зависимого) G6PD обнаружен в Mycobacterium tuberculosis и представляет интерес для лечения туберкулеза . [11] Было показано, что бактериальный G6PD, обнаруженный в Leuconostoc mesenteroides , реагирует на 4-гидроксиноненаль , в дополнение к G6P. [12]

Структура фермента

Субстратный участок связывания G6PD, связанный с G6P (показан кремовым цветом), из 2BHL. Фосфор показан оранжевым цветом. Атомы кислорода кристаллографических вод показаны в виде красных сфер. Консервативная 9-пептидная последовательность G6PD и частично консервативная 5-остаточная последовательность G6PD показаны голубым и пурпурным цветом соответственно. Все остальные аминокислоты из G6PD показаны черным цветом. Водородные связи и электростатические взаимодействия показаны зелеными пунктирными линиями. Все зеленые пунктиры представляют расстояния менее 3,7 Å.

G6PD обычно встречается в виде димера двух идентичных мономеров (см. основную миниатюру). [8] В зависимости от условий, таких как pH , эти димеры сами могут димеризоваться с образованием тетрамеров . [5] Каждый мономер в комплексе имеет сайт связывания субстрата , который связывается с G6P, и сайт связывания каталитического кофермента, который связывается с NADP + /NADPH с помощью складки Россмана . [4] Для некоторых высших организмов, таких как человек, G6PD содержит дополнительный сайт связывания NADP + , называемый структурным сайтом NADP + , который, по-видимому, не участвует напрямую в реакции, катализируемой G6PD. Эволюционное назначение структурного сайта NADP + неизвестно. [4] Что касается размера, каждый мономер имеет длину приблизительно 500 аминокислот (514 аминокислот для человека [5] ).

Функциональная и структурная консерватизм между человеческим G6PD и Leuconostoc mesenteroides G6PD указывает на 3 широко сохраняющихся региона фермента: пептид из 9 остатков в сайте связывания субстрата, RIDHYLGKE (остатки 198-206 на человеческом G6PD), нуклеотидсвязывающий отпечаток, GxxGDLA (остатки 38-44 на человеческом G6PD), и частично сохраняющаяся последовательность EKPxG вблизи сайта связывания субстрата (остатки 170-174 на человеческом G6PD), где мы используем «x» для обозначения вариабельной аминокислоты. [4] Кристаллическая структура G6PD обнаруживает обширную сеть электростатических взаимодействий и водородных связей с участием G6P, 3 молекул воды, 3 лизинов , 1 аргинина , 2 гистидинов , 2 глутаминовых кислот и других полярных аминокислот.

Пролин в позиции 172 , как полагают, играет решающую роль в правильном позиционировании Lys171 по отношению к субстрату G6P. В двух кристаллических структурах нормального человеческого G6P Pro172 виден исключительно в цис-конформации , тогда как в кристаллической структуре одного мутанта, вызывающего заболевание (вариант Canton R459L), Pro172 виден почти исключительно в транс-конформации. [4]

Имея доступ к кристаллическим структурам, некоторые ученые пытались моделировать структуры других мутантов. Например, в немецкой родословной, где энзимопатия из-за дефицита G6PD встречается редко, было показано, что участки мутации на G6PD лежат вблизи участка связывания NADP + , участка связывания G6P и вблизи интерфейса между двумя мономерами. Таким образом, мутации в этих критических областях возможны без полного нарушения функции G6PD. [8] Фактически, было показано, что большинство мутаций G6PD, вызывающих заболевания, происходят вблизи структурного участка NADP + . [13]

НАДФ+структурный сайт

Структурный сайт NADP + расположен на расстоянии более 20 Å от сайта связывания субстрата и сайта связывания каталитического кофермента NADP + . Его назначение в реакции, катализируемой ферментом, было неясным в течение многих лет. Некоторое время считалось, что связывание NADP + со структурным сайтом необходимо для димеризации мономеров фермента. Однако было показано, что это неверно. [13] С другой стороны, было показано, что присутствие NADP + в структурном сайте способствует димеризации димеров с образованием тетрамеров фермента. [13] Также считалось, что состояние тетрамера необходимо для каталитической активности; однако было показано, что это тоже неверно. [13] Структурный сайт NADP + существенно отличается от сайта связывания каталитического кофермента NADP + и содержит нуклеотидсвязывающий отпечаток.

Структурный сайт, связанный с NADP +, обладает благоприятными взаимодействиями, которые удерживают его прочно связанным. В частности, существует сильная сеть водородных связей с электростатическими зарядами, которые распространяются по нескольким атомам через водородные связи с 4 молекулами воды (см. рисунок). Более того, существует чрезвычайно сильный набор гидрофобных стековых взаимодействий, которые приводят к перекрывающимся π-системам.

NADP + структурный сайт G6PD. NADP + показан кремовым цветом. Фосфор показан оранжевым цветом. Атомы кислорода кристаллографических молекул воды показаны красными сферами. Консервативная 9-пептидная последовательность G6PD показана голубым цветом.

Было показано, что структурный сайт важен для поддержания долгосрочной стабильности фермента. [13] Более 40 тяжелых мутаций класса I включают мутации вблизи структурного сайта, тем самым влияя на долгосрочную стабильность этих ферментов в организме, в конечном итоге приводя к дефициту G6PD. [13] Например, две тяжелые мутации класса I, G488S и G488V, резко увеличивают константу диссоциации между NADP + и структурным сайтом в 7–13 раз. Учитывая близость остатка 488 к Arg487, считается, что мутация в позиции 488 может повлиять на позиционирование Arg487 относительно NADP + , [13] и, таким образом, нарушить связывание.

Регулирование

G6PD преобразует G6P в 6-фосфоглюконо-δ-лактон и является ферментом , ограничивающим скорость пентозофосфатного пути . Таким образом, регуляция G6PD имеет нисходящие последствия для активности остальной части пентозофосфатного пути .

Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа стимулируется своим субстратом G6P. Обычное соотношение NADPH/NADP + в цитозоле тканей, участвующих в биосинтезе, составляет около 100/1. Повышенное использование NADPH для биосинтеза жирных кислот резко увеличит уровень NADP + , тем самым стимулируя G6PD к производству большего количества NADPH. Дрожжевой G6PD ингибируется длинноцепочечными жирными кислотами согласно двум более старым публикациям [14] [15] и может быть продуктом ингибирования в синтезе жирных кислот, который требует NADPH.

G6PD отрицательно регулируется ацетилированием лизина 403 (Lys403), эволюционно консервативного остатка. Ацетилированный K403 G6PD не способен образовывать активные димеры и демонстрирует полную потерю активности. Механистически ацетилирование Lys403 стерически препятствует проникновению NADP + в структурный сайт NADP + , что снижает стабильность фермента. Клетки ощущают внеклеточные окислительные стимулы для снижения ацетилирования G6PD зависимым от SIRT2 образом. Опосредованное SIRT2 деацетилирование и активация G6PD стимулируют пентозофосфатный путь для поставки цитозольного NADPH для противодействия окислительному повреждению и защиты эритроцитов мыши . [16]

Регулирование также может происходить через генетические пути. Изоформа, G6PDH, регулируется транскрипционными и посттранскрипционными факторами. [17] Более того, G6PD является одним из ряда гликолитических ферментов, активируемых транскрипционным фактором гипоксии-индуцируемым фактором 1 (HIF1). [18]

Клиническое значение

G6PD отличается своим генетическим разнообразием. Было описано множество вариантов G6PD, в основном полученных из миссенс-мутаций , с широким диапазоном уровней активности фермента и связанных с ними клинических симптомов . Для этого гена были обнаружены два варианта транскриптов, кодирующих различные изоформы . [19]

Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы очень распространен во всем мире и вызывает острую гемолитическую анемию при наличии простой инфекции, употреблении конских бобов или реакции на некоторые лекарства, антибиотики, жаропонижающие и противомалярийные средства. [3]

G6PD влияет на рост и пролиферацию клеток. [20] Было показано, что фармакологическая абляция G6PD преодолевает перекрестную толерантность клеток рака груди к антрациклинам. [21] Ингибиторы G6PD исследуются для лечения рака и других состояний. [18] Анализ пролиферации клеток in vitro показывает, что ингибиторы G6PD, DHEA (дегидроэпиандростерон) и ANAD (6-аминоникотинамид), эффективно снижают рост линий клеток ОМЛ. [20] [22] G6PD гипометилируется в K403 при остром миелоидном лейкозе , SIRT2 активирует G6PD для усиления продукции NADPH и стимуляции пролиферации лейкозных клеток. [22]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Thomas D, Cherest H, Surdin-Kerjan Y (март 1991). «Идентификация структурного гена глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы в дрожжах. Инактивация приводит к пищевой потребности в органической сере». The EMBO Journal . 10 (3): 547–53. doi :10.1002/j.1460-2075.1991.tb07981.x. PMC  452682. PMID  2001672 .
  2. ^ Aster J, Kumar V, Robbins SL, Abbas AK, Fausto N, Cotran RS (2010). Патологическая основа болезни Robbins and Cotran . Saunders/Elsevier. стр. Kindle Locations 33340–33341. ISBN 978-1-4160-3121-5.
  3. ^ ab Cappellini MD, Fiorelli G (январь 2008 г.). «Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы». Lancet . 371 (9606): 64–74. doi :10.1016/S0140-6736(08)60073-2. PMID  18177777. S2CID  29165746.
  4. ^ abcde Kotaka M, Gover S, Vandeputte-Rutten L, Au SW, Lam VM, Adams MJ (май 2005 г.). "Структурные исследования связывания глюкозо-6-фосфата и НАДФ+ с человеческой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой" (PDF) . Acta Crystallographica D . 61 (Pt 5): 495–504. doi : 10.1107/S0907444905002350 . PMID  15858258.
  5. ^ abc Au SW, Gover S, Lam VM, Adams MJ (март 2000 г.). «Человеческая глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа: кристаллическая структура выявляет структурную молекулу NADP(+) и дает представление о дефиците фермента». Structure . 8 (3): 293–303. doi : 10.1016/S0969-2126(00)00104-0 . PMID  10745013.
  6. ^ "G6PD глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа [ Homo sapiens (человек) ]". NCBI . Получено 13 декабря 2015 г. .
  7. ^ Šimčíková D, Heneberg P (декабрь 2019 г.). «Уточнение предсказаний эволюционной медицины на основе клинических данных о проявлениях менделевских заболеваний». Scientific Reports . 9 (1): 18577. Bibcode :2019NatSR...918577S. doi :10.1038/s41598-019-54976-4. PMC 6901466 . PMID  31819097. 
  8. ^ abcd Киани Ф., Шварцль С., Фишер С., Эфферт Т. (июль 2007 г.). "Трехмерное моделирование вариантов с дефицитом глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы немецкого происхождения". PLOS ONE . ​​2 (7): e625. Bibcode :2007PLoSO...2..625K. doi : 10.1371/journal.pone.0000625 . PMC 1913203 . PMID  17637841. 
  9. ^ Луццато Л., Биенцле Ю (июнь 1979 г.). «Гипотеза малярии/Г.-6-ПД». Ланцет . 1 (8127): 1183–4. дои : 10.1016/S0140-6736(79)91857-9. PMID  86896. S2CID  31214682.
  10. ^ Corpas FJ, Barroso JB, Sandalio LM, Distefano S, Palma JM, Lupiáñez JA, Del Río LA (март 1998). «Система рециркуляции НАДФН в пероксисомах растений, опосредованная дегидрогеназой». The Biochemical Journal . 330 (Pt 2): 777–84. doi :10.1042/bj3300777. PMC 1219205. PMID  9480890 . 
  11. ^ Bashiri G, Squire CJ, Moreland NJ, Baker EN (июнь 2008 г.). «Кристаллические структуры F420-зависимой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы FGD1, участвующей в активации кандидата на противотуберкулезный препарат PA-824, раскрывают основу связывания кофермента и субстрата». Журнал биологической химии . 283 (25): 17531–41. doi : 10.1074/jbc.M801854200 . PMID  18434308.
  12. ^ Szweda LI, Uchida K, Tsai L, Stadtman ER (февраль 1993). «Инактивация глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы 4-гидрокси-2-ноненалем. Селективная модификация лизина активного сайта». Журнал биологической химии . 268 (5): 3342–7. doi : 10.1016/S0021-9258(18)53699-1 . PMID  8429010.
  13. ^ abcdefg Wang XT, Chan TF, Lam VM, Engel PC (август 2008 г.). «Какова роль второго «структурного» сайта связывания NADP+ в человеческой глюкозо-6-фосфатдегидрогеназе?». Protein Science . 17 (8): 1403–11. doi :10.1110/ps.035352.108. PMC 2492815 . PMID  18493020. 
  14. ^ Эгер-Нойфельдт И, Тейнцер А, Вайс Л, Виланд О (март 1965). «Ингибирование глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы длинноцепочечным ацил-коферментом А». Biochemical and Biophysical Research Communications . 19 (1): 43–48. doi :10.1016/0006-291X(65)90116-6.
  15. ^ Кавагучи А., Блох К. (сентябрь 1974 г.). «Ингибирование глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы пальмитоил-коэнзимом А». Журнал биологической химии . 249 (18): 5793–800. doi : 10.1016/S0021-9258(20)79887-X . PMID  4153382.
  16. ^ Wang YP, Zhou LS, Zhao YZ, Wang SW, Chen LL, Liu LX, Ling ZQ, Hu FJ, Sun YP, Zhang JY, Yang C, Yang Y, Xiong Y, Guan KL, Ye D (июнь 2014 г.). «Регуляция ацетилирования G6PD с помощью SIRT2 и KAT9 модулирует гомеостаз NADPH и выживаемость клеток во время окислительного стресса». The EMBO Journal . 33 (12): 1304–20. doi :10.1002/embj.201387224. PMC 4194121 . PMID  24769394. 
  17. ^ Kletzien RF, Harris PK, Foellmi LA (февраль 1994). «Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа: фермент «домашнего хозяйства», подверженный тканеспецифической регуляции гормонами, питательными веществами и окислительным стрессом». FASEB Journal . 8 (2): 174–81. doi : 10.1096/fasebj.8.2.8119488 . PMID  8119488. S2CID  38768580.
  18. ^ ab de Lartigue J (2012-06-12). «Исследования рака выходят за рамки первоначальных признаков рака». OncLive. Архивировано из оригинала 2018-01-02 . Получено 2012-06-26 .
  19. ^ "Ген Энтреза: G6PD глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа".
  20. ^ ab Tian WN, Braunstein LD, Pang J, Stuhlmeier KM, Xi QC, Tian X, Stanton RC (апрель 1998 г.). «Важность активности глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы для роста клеток». Журнал биологической химии . 273 (17): 10609–17. doi : 10.1074/jbc.273.17.10609 . PMID  9553122.
  21. ^ Goldman A, Khiste S, Freinkman E, Dhawan A, Majumder B, Mondal J и др. (август 2019 г.). «Нацеливание на фенотипическую пластичность опухоли и метаболическое ремоделирование при адаптивной перекрестной лекарственной толерантности». Science Signaling . 12 (595). doi : 10.1126/scisignal.aas8779. PMC 7261372. PMID 31431543  . 
  22. ^ ab Xu SN, Wang TS, Li X, Wang YP (сентябрь 2016 г.). «SIRT2 активирует G6PD для усиления продукции NADPH и содействия пролиферации лейкозных клеток». Scientific Reports . 6 : 32734. Bibcode :2016NatSR...632734X. doi :10.1038/srep32734. PMC 5009355 . PMID  27586085. 

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки