stringtranslate.com

Дифосфомевалонатдекарбоксилаза

Дифосфомевалонатдекарбоксилаза ( EC 4.1.1.33), чаще всего упоминаемая в научной литературе как мевалонатдифосфатдекарбоксилаза [ требуется ссылка ] , представляет собой фермент , катализирующий химическую реакцию

АТФ + (R)-5-дифосфомевалонат АДФ + фосфат + изопентенилдифосфат + CO 2

Этот фермент превращает мевалонат-5-дифосфат (MVAPP) в изопентенилдифосфат (IPP) посредством АТФ- зависимого декарбоксилирования . [1] Двумя субстратами этого фермента являются АТФ и мевалонат-5-дифосфат, тогда как его 4 продуктами являются АДФ , фосфат , изопентенилдифосфат и CO2 .

Мевалонатдифосфатдекарбоксилаза катализирует последний этап мевалонатного пути . Мевалонатный путь отвечает за биосинтез изопреноидов из ацетата . [2] Этот путь играет ключевую роль во многих клеточных процессах, синтезируя стериновые изопреноиды , такие как холестерин , и нестериновые изопреноиды, такие как долихол , гем А , тРНК-изопентенилтрансфераза и убихинон . [3] [4]

Этот фермент принадлежит к семейству лиаз , а именно карбокси-лиаз, которые расщепляют углерод-углеродные связи. Систематическое название этого класса ферментов — АТФ:(R)-5-дифосфомевалонаткарбокси-лиаза (добавление АТФ изопентенил-дифосфат-образующая) . Другие общеупотребительные названия включают пирофосфомевалонатдекарбоксилазу , мевалонат-5-пирофосфатдекарбоксилазу , декарбоксилазу пирофосфомевалоновой кислоты , 5-пирофосфомевалонатдекарбоксилазу , мевалонат-5-дифосфатдекарбоксилазу и АТФ:(R)-5-дифосфомевалонаткарбокси-лиазу (дегидратирующую) .

Механизм фермента

Мевалонатдифосфатдекарбоксилаза распознает и связывает два субстрата: АТФ и мевалонат-5-дифосфат. После связывания фермент выполняет три типа реакций, которые можно разделить на две основные стадии. Во-первых, происходит фосфорилирование . Это создает реактивный промежуточный продукт, который на второй стадии подвергается согласованному дефосфорилированию и декарбоксилированию. [5] Многие остатки фермента в активном центре играют важную роль в этом согласованном механизме. Остаток аспарагиновой кислоты депротонирует гидроксил C3 на MVAPP и облегчает кислороду атаку фосфата из АТФ. В результате промежуточный продукт 1, 3-фосфоMVAPP, теперь имеет гораздо лучшую уходящую группу, что помогает производить промежуточный продукт 2. [1] Этот третий промежуточный продукт является временным бета-карбоксикарбониевым промежуточным продуктом и обеспечивает «стоком электронов», который помогает управлять реакцией декарбоксилирования. [1]

Предложенный механизм для человеческой мевалонатдифосфатдекарбоксилазы. Аминокислотные остатки окрашены в соответствии с изображением кристаллической структуры остатков активного центра. АТФ коричневого цвета, чтобы показать перенос фосфорила. [1]

Структура фермента

Кристаллическая структура активного центра человеческой мевалонатдифосфатдекарбоксилазы, полученной из 3D4J. Выделены предложенные важные остатки для механизма и связывания субстрата: Arg-161 (зеленый), Ser-127 (синий), Asp-305 (оранжевый) и Asn-17 (красный). Ион сульфата помог лучше понять связывание субстрата. Предполагается, что дифосфат мевалоната должен быть расположен таким образом, чтобы конечный фосфат находился рядом с ионом сульфата в кристаллической структуре. [1]

Точный ферментный аппарат мевалонатдифосфатдекарбоксилазы до конца не изучен. Структуры как дрожжевой, так и человеческой мевалонатдифосфатдекарбоксилазы были решены с помощью рентгеновской кристаллографии , но ученые столкнулись с трудностями в получении структур связанных метаболитов. Ученые классифицировали мевалонатдифосфатдекарбоксилазу как фермент в семействе GHMP-киназ (галактокиназа, гомосеринкиназа, мевалонаткиназа и фосфомевалонаткиназа). [6] И мевалонаткиназа , и мевалонатдифосфатдекарбоксилаза, вероятно, произошли от общего предка, поскольку они имеют схожую складку и катализируют фосфорилирование схожих субстратов. [6] [7] Из-за этих общих черт оба фермента часто изучаются сравнительно, и особенно в отношении ингибиторов.

Хотя информации мало, некоторые важные остатки были идентифицированы и выделены в структуре и механизме активного центра. Из-за сложности получения кристаллических структур связанных субстратов, для лучшего понимания роли остатков в связывании субстрата были использованы сульфатный ион и молекулы воды. [8]

При исследовании человеческой формы мевалонатдифосфатдекарбоксилазы были идентифицированы следующие специфические остатки: аргинин-161 (Arg-161), серин-127 (Ser-127), аспартат-305 (Asp-305) и аспарагин-17 (Asn-17). [1] Arg-161 взаимодействует с C1-карбонилом MVAPP, а Asn-17 важен для образования водородных связей с этим же остатком аргинина. [1] Asp-305 расположен примерно в 4 Å от C3-гидроксила на MVAPP и действует как общий основной катализатор в активном центре. [1] Ser-127 помогает в ориентации фосфорильной цепи для переноса фосфата в MVAPP. [1] Мевалонатдифосфатдекарбоксилаза также имеет фосфатсвязывающую петлю («P-петля»), где аминокислотные остатки обеспечивают ключевые взаимодействия, которые стабилизируют нуклеотидтрифосфорильную часть. [9] Остатки из P-петли сохраняются во всех ферментах семейства киназ GHMP и включают Ala-105, Ser-106, Ser-107 и Ala-108. [9]

Биологическая функция

Множество различных организмов используют мевалонатный путь и мевалонатдифосфатдекарбоксилазу, но для разных целей. [9] У грамположительных бактерий изопентенилдифосфат, конечный продукт мевалонатдифосфатдекарбоксилазы, является важным промежуточным продуктом в биосинтезе пептидогликана и полиизопреноида. [9] Таким образом, воздействие на мевалонатный путь и мевалонатдифосфатдекарбоксилазу может быть потенциальным антимикробным препаратом. [9]

Мевалонатный путь

Мевалонатный путь также используется в высших эукариотах и ​​растениях. Мевалонатдифосфатдекарбоксилаза в основном присутствует в печени млекопитающих, где большая часть мевалоната преобразуется в холестерин. [10] [11] Часть холестерина преобразуется в стероидные гормоны , желчные кислоты и витамин D. [ 10] Мевалонат также преобразуется во многие другие важные промежуточные продукты в клетках млекопитающих: долихолы (переносчики в сборке углеводных цепей в гликопротеинах ), убихиноны (важны для транспорта электронов), тРНК-изопентенилтрансферазу (используется в синтезе белка) и франезилированные и геранилгеранилированные белки (мембранные белки, которые, по-видимому, участвуют во внутриклеточной сигнализации). [10] Главной точкой регуляции в биосинтезе холестерина и нестеринового изопрена является HMGCoA-редуктаза , третий фермент в мевалонатном пути. [10]

Актуальность заболевания

Ишемическая болезнь сердца является основной причиной смерти среди населения США в целом. [12] Гиперхолестеринемия или высокий уровень холестерина считается основным фактором риска ишемической болезни сердца. [13] Поэтому основные усилия направлены на понимание регуляции и разработку ингибиторов биосинтеза холестерина. [13] Мевалонатдифосфатдекарбоксилаза является потенциальным ферментом, который может быть направлен на путь синтеза холестерина. Ученые обнаружили молекулу 6-фторомевалоната (6-FMVA), которая является сильным конкурентным ингибитором мевалонатдифосфатдекарбоксилазы. [13] Добавление 6-FMVA приводит к снижению уровня холестерина. [13]

Спонтанно гипертензивные крысы (склонные к инсульту) (SHRSP) страдают от тяжелой гипертонии и кровоизлияния в мозг . [14] Ученые обнаружили низкий уровень сывороточного холестерина у крыс с этим состоянием. [14] У SHRSP мевалонатдифосфатдекарбоксилаза имеет гораздо более низкую активность, в то время как HMG-CoA-редуктаза остается неизменной; следовательно, мевалонатдифосфатдекарбоксилаза может быть ответственна за более низкий биосинтез холестерина при этом состоянии. [14] [15] У людей предполагается, что дефицит холестерина может сделать плазматические мембраны хрупкими и, как следствие, вызвать ангионекроз в мозге. Сниженный уровень сывороточного холестерина, возникающий в результате низкой активности мевалонатдифосфатдекарбоксилазы, может быть причиной кровоизлияния в мозг в некоторых случаях. [14]

Структурные исследования

По состоянию на 2015 год для этого класса ферментов было решено не менее 15 структур , включая коды доступа PDB 1FI4, 2HK2, 2HK3 и 2HKE.

Ссылки

  1. ^ abcdefghij Войнова, NE; Фу, Z; Баттайл, KP; Хердендорф, TJ; Ким, JJ; Мизиорко, HM (1 декабря 2008 г.). "Человеческая мевалонатдифосфатдекарбоксилаза: характеристика, исследование сайта связывания мевалонатдифосфата и кристаллическая структура". Архивы биохимии и биофизики . 480 (1): 58–67. doi :10.1016/j.abb.2008.08.024. PMC  2709241. PMID  18823933 .
  2. ^ Miziorko, HM (15 января 2011 г.). «Ферменты мевалонатного пути биосинтеза изопреноидов». Архив биохимии и биофизики . 505 (2): 131–43. doi :10.1016/j.abb.2010.09.028. PMC 3026612. PMID 20932952  . 
  3. ^ Buhaescu, I; Izzedine, H (июнь 2007 г.). «Путь мевалоната: обзор клинических и терапевтических последствий». Клиническая биохимия . 40 (9–10): 575–84. doi :10.1016/j.clinbiochem.2007.03.016. PMID  17467679.
  4. ^ Miziorko, HM (15 января 2011 г.). «Ферменты мевалонатного пути биосинтеза изопреноидов». Архив биохимии и биофизики . 505 (2): 131–43. doi :10.1016/j.abb.2010.09.028. PMC 3026612. PMID 20932952  . 
  5. ^ Byres, E; Alphey, MS; Smith, TK; Hunter, WN (10 августа 2007 г.). «Кристаллические структуры мевалонатдифосфатдекарбоксилазы Trypanosoma brucei и Staphylococcus aureus информируют о детерминантах специфичности и реактивности». Журнал молекулярной биологии . 371 (2): 540–53. doi :10.1016/j.jmb.2007.05.094. PMID  17583736.
  6. ^ ab Qiu, Yongge; Gao, Jinbo; Guo, Fei; Qiao, Yuqin; Li, Ding (ноябрь 2007 г.). «Исследования мутаций и ингибирования мевалонат-5-дифосфатдекарбоксилазы». Bioorganic & Medicinal Chemistry Letters . 17 (22): 6164–6168. doi :10.1016/j.bmcl.2007.09.033. PMID  17888661.
  7. ^ Qiu, Yongge; Li, Ding (июль 2006 г.). «Ингибирование мевалонат-5-дифосфатдекарбоксилазы аналогами фторированных субстратов». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - General Subjects . 1760 (7): 1080–1087. doi :10.1016/j.bbagen.2006.03.009. PMID  16626865.
  8. ^ Крепкий, Дмитрий; Мизёрко, Генри М. (июль 2004 г.). «Идентификация остатков активного центра в мевалонатдифосфатдекарбоксилазе: значение для семейства фосфотрансфераз». Protein Science . 13 (7): 1875–1881. doi :10.1110/ps.04725204. PMC 2279928 . PMID  15169949. 
  9. ^ abcde Barta, Michael L.; McWhorter, William J.; Miziorko, Henry M.; Geisbrecht, Brian V. (17 июля 2012 г.). «Структурная основа связывания нуклеотидов и катализа реакции в мевалонатдифосфатдекарбоксилазе». Biochemistry . 51 (28): 5611–5621. doi :10.1021/bi300591x. PMC 4227304 . PMID  22734632. 
  10. ^ abcd Hinson, DD; Chambliss, KL; Toth, MJ; Tanaka, RD; Gibson, KM (ноябрь 1997 г.). "Посттрансляционная регуляция мевалонаткиназы промежуточными продуктами биосинтетических путей холестерина и нестеринового изопрена". Journal of Lipid Research . 38 (11): 2216–23. doi : 10.1016/S0022-2275(20)34935-X . PMID  9392419.
  11. ^ Мичихара, А; Акасаки, К; Ямори, И; Цудзи, Х (ноябрь 2001 г.). «Распределение в тканях основной мевалонатпирофосфатдекарбоксилазы у крыс». Biological & Pharmaceutical Bulletin . 24 (11): 1231–4. doi : 10.1248/bpb.24.1231 . PMID  11725954.
  12. ^ Маккалоу, Пенсильвания (11 апреля 2007 г.). «Ишемическая болезнь сердца». Клинический журнал Американского общества нефрологии . 2 (3): 611–616. doi : 10.2215/CJN.03871106 . PMID  17699471.
  13. ^ abcd Нав, Жан-Франсуа; д'Оршимон, Юг; Дюсеп, Жан-Бернар; Пириу, Франсуа; Юнг, Мишель Ж. (1985). «Механизм ингибирования биосинтеза холестерина 6-фторомевалонатом». Biochemical Journal . 227 (1): 247–254. doi :10.1042/bj2270247. PMC 1144833 . PMID  2986604. 
  14. ^ abcd Sawamura, M; Nara, Y; Yamori, Y (25 марта 1992 г.). "Печеночная мевалонат 5-пирофосфатдекарбоксилаза отвечает за снижение уровня холестерина в сыворотке крови у склонных к инсульту спонтанно гипертензивных крыс". Журнал биологической химии . 267 (9): 6051–5. doi : 10.1016/S0021-9258(18)42660-9 . PMID  1556116.
  15. ^ Крепкий, Д; Мизёрко, ХМ (июль 2004 г.). «Идентификация остатков активного центра в мевалонатдифосфатдекарбоксилазе: последствия для семейства фосфотрансфераз». Protein Science . 13 (7): 1875–81. doi :10.1110/ps.04725204. PMC 2279928 . PMID  15169949.