Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа ( G6PD или G6PDH ) ( EC 1.1.1.49) представляет собой цитозольный фермент , катализирующий химическую реакцию .
Этот фермент участвует в пентозофосфатном пути (см. изображение), метаболическом пути , который поставляет восстанавливающую энергию клеткам (таким как эритроциты ) путем поддержания уровня восстановленной формы кофермента никотинамидадениндинуклеотидфосфата ( НАДФН). НАДФН, в свою очередь, поддерживает уровень глутатиона в этих клетках, что помогает защитить эритроциты от окислительного повреждения такими соединениями, как перекись водорода . [1] Большую количественную значимость имеет продукция НАДФН в тканях, участвующих в биосинтезе жирных кислот или изопреноидов , таких как печень, молочные железы , жировая ткань и надпочечники . G6PD восстанавливает НАДФ + до НАДФН, окисляя глюкозо-6-фосфат . [2] Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа также является ферментом пути Энтнера-Дудорова , типа гликолиза.
Клинически Х-сцепленный генетический дефицит G6PD делает человека склонным к неиммунной гемолитической анемии . [3]
G6PD широко распространен у многих видов, от бактерий до человека . Множественное выравнивание последовательностей более 100 известных G6PD из разных организмов обнаруживает идентичность последовательностей в диапазоне от 30% до 94%. [4] Человеческий G6PD имеет более чем 30% идентичности аминокислотной последовательности с последовательностями G6PD других видов. [5] У людей также есть две изоформы одного гена, кодирующего G6PD. [6] Более того, обнаружено по меньшей мере 168 мутаций в этом гене, вызывающих заболевания. [7] Эти мутации в основном представляют собой миссенс-мутации, 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 генетические вариации человеческого G6PD являются результатом адаптации поколений к малярийной инфекции. [9]
У других видов также наблюдаются вариации G6PD. У высших растений сообщалось о нескольких изоформах G6PDH, которые локализуются в цитозоле , пластидной строме и пероксисомах . [10] Модифицированный F 420- зависимый (в отличие от NADP + -зависимый) G6PD обнаружен в микобактериях туберкулеза и представляет интерес для лечения туберкулеза . [11] Было показано , что бактериальный G6PD, обнаруженный у Leuconostoc mesenteroides, в дополнение к G6P реагирует с 4-гидроксиноненалем . [12]
G6PD обычно встречается в виде димера двух идентичных мономеров (см. главное изображение). [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 НАДФ + /НАДФН с использованием 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 непосредственно в реакции, катализируемой G6PD. Эволюционное назначение структурного участка НАДФ + неизвестно. [4] Что касается размера, каждый мономер имеет длину примерно 500 аминокислот (514 аминокислот для человека [5] ).
Функциональная и структурная консервативность между G6PD человека и G6PD Leuconostoc mesenteroides указывает на 3 широко консервативных участка фермента: пептид из 9 остатков в сайте связывания субстрата, RIDHYLGKE (остатки 198-206 на G6PD человека), нуклеотидсвязывающий отпечаток пальца, GxxGDLA ( остатки 38-44 на G6PD человека) и частично консервативную последовательность EKPxG рядом с сайтом связывания субстрата (остатки 170-174 на G6PD человека), где мы использовали «x» для обозначения вариабельной аминокислоты. [4] Кристаллическая структура G6PD обнаруживает обширную сеть электростатических взаимодействий и водородных связей, включающую G6P, 3 молекулы воды, 3 лизина , 1 аргинин , 2 гистидина , 2 глутаминовые кислоты и другие полярные аминокислоты.
Считается , что пролин в положении 172 играет решающую роль в правильном позиционировании Lys171 относительно субстрата G6P. В двух кристаллических структурах нормального человеческого G6P Pro172 наблюдается исключительно в цис-конформации , тогда как в кристаллической структуре одного мутанта, вызывающего заболевание (вариант Canton R459L), Pro172 наблюдается почти исключительно в транс-конформации. [4]
Имея доступ к кристаллическим структурам, некоторые учёные попытались смоделировать структуры других мутантов. Например, у немецких предков, где энзимопатия из-за дефицита G6PD встречается редко, было показано, что сайты мутаций G6PD лежат рядом с сайтом связывания NADP + , сайтом связывания G6P и вблизи границы раздела 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 сайта NADP + . [13]
Структурный сайт НАДФ + расположен на расстоянии более 20 Å от сайта связывания субстрата и сайта связывания каталитического кофермента НАДФ + . Его назначение в реакциях, катализируемых ферментами, в течение многих лет было неясно. Некоторое время считалось, что связывание НАДФ + со структурным участком необходимо для димеризации мономеров фермента. Однако было показано, что это неверно. [13] С другой стороны, было показано, что присутствие НАДФ + в структурном участке способствует димеризации димеров с образованием тетрамеров фермента. [13] Также считалось, что состояние тетрамера необходимо для каталитической активности; однако и это оказалось ложью. [13] Структурный сайт НАДФ + сильно отличается от сайта связывания каталитического кофермента НАДФ + и содержит нуклеотидсвязывающий отпечаток пальца.
Структурный участок, связанный с НАДФ +, обладает благоприятными взаимодействиями, которые удерживают его прочно связанным. В частности, существует прочная сеть водородных связей, в которой электростатические заряды распространяются по множеству атомов посредством водородных связей с 4 молекулами воды (см. рисунок). Более того, существует чрезвычайно сильный набор гидрофобных стэкинг -взаимодействий, которые приводят к перекрытию π-систем.
Было показано, что структурный сайт важен для поддержания долгосрочной стабильности фермента. [13] Более 40 тяжелых мутаций класса I включают мутации вблизи структурного сайта, что влияет на долгосрочную стабильность этих ферментов в организме, что в конечном итоге приводит к дефициту G6PD. [13] Например, две тяжелые мутации класса I, G488S и G488V, резко увеличивают константу диссоциации между НАДФ + и структурным сайтом в 7–13 раз. Учитывая близость остатка 488 к Arg487, считается, что мутация в положении 488 может повлиять на расположение Arg487 относительно NADP + [ 13] и, таким образом, нарушить связывание.
G6PD превращает G6P в 6-фосфоглюконо-δ-лактон и является ферментом , лимитирующим скорость пентозофосфатного пути . Таким образом, регуляция G6PD имеет последующие последствия для активности остальной части пентозофосфатного пути .
Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа стимулируется ее субстратом G6P. Обычное соотношение НАДФН/НАДФ + в цитозоле тканей, участвующих в биосинтезе, составляет около 100/1. Повышенное использование НАДФН для биосинтеза жирных кислот резко повысит уровень НАДФ + , тем самым стимулируя G6PD производить больше НАДФН. Согласно двум старым публикациям [14] [15] дрожжевой G6PD ингибируется длинноцепочечными жирными кислотами и может ингибировать продукт синтеза жирных кислот, который требует НАДФН.
G6PD отрицательно регулируется путем ацетилирования лизина 403 (Lys403), эволюционно консервативного остатка. Ацетилированный K403 G6PD не способен образовывать активные димеры и полностью утрачивает активность. Механистически ацетилирование Lys403 стерически препятствует проникновению НАДФ + в структурный участок НАДФ + , что снижает стабильность фермента. Клетки воспринимают внеклеточные окислительные стимулы для снижения ацетилирования G6PD SIRT2 -зависимым образом. SIRT2-опосредованное деацетилирование и активация G6PD стимулирует пентозофосфатный путь для снабжения цитозольного НАДФН для противодействия окислительному повреждению и защиты эритроцитов мыши . [16]
Регулирование также может происходить посредством генетических путей. Изоформа G6PDH регулируется факторами транскрипции и посттранскрипции. [17] Более того, G6PD является одним из ряда гликолитических ферментов, активируемых транскрипционным фактором , индуцируемым гипоксией фактором 1 (HIF1). [18]
G6PD отличается своим генетическим разнообразием. Многие варианты G6PD, в основном образующиеся в результате миссенс-мутаций , описаны с широким диапазоном уровней активности фермента и связанных с ними клинических симптомов . Для этого гена обнаружено два варианта транскрипта, кодирующие разные изоформы . [19]
Дефицит глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы очень распространен во всем мире и вызывает острую гемолитическую анемию при простой инфекции, употреблении в пищу бобов или реакции на некоторые лекарства, антибиотики, жаропонижающие и противомалярийные средства. [3]
G6PD влияет на рост и пролиферацию клеток. [20] Было показано, что фармакологическое удаление G6PD преодолевает перекрестную толерантность клеток рака молочной железы к антрациклинам. [21] Ингибиторы G6PD исследуются для лечения рака и других заболеваний. [18] Анализ пролиферации клеток in vitro показывает, что ингибиторы G6PD, DHEA (дегидроэпиандростерон) и ANAD (6-аминоникотинамид), эффективно снижают рост клеточных линий ОМЛ. [20] [22] G6PD гипометилируется по K403 при остром миелоидном лейкозе , SIRT2 активирует G6PD, увеличивая выработку НАДФН и способствуя пролиферации лейкозных клеток. [22]