Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ацил-КоА - дегидрогеназы ( ACADs ) представляют собой класс ферментов , которые катализируют функция начальный шаг в каждом цикле жирных кислот бета-окисления в митохондриях из клеток . Их действие приводит к введению транс- двойной связи между C2 (α) и C3 (β) субстрата тиоэфира ацил-CoA . [1] Флавинадениндинуклеотид (FAD) является необходимым кофактором в дополнение к присутствию глутамата в активном центре для функционирования фермента.

Следующая реакция является окисление из жирных кислот путем FAD с получением альфа, бета-ненасыщенных тиоэфир жирных кислот коэнзима А :

Beta-Oxidation1.svg

ACAD можно разделить на три отдельные группы в зависимости от их специфичности в отношении субстратов ацил-КоА жирных кислот с короткой, средней или длинной цепью . В то время как различные дегидрогеназы нацелены на жирные кислоты с разной длиной цепи, все типы ACAD механически схожи. Различия в ферменте возникают в зависимости от расположения активного сайта в аминокислотной последовательности. [2]

ACAD являются важным классом ферментов в клетках млекопитающих из-за их роли в метаболизме жирных кислот, присутствующих в пищевых продуктах. Действие этого фермента представляет собой первый шаг в метаболизме жирных кислот (процесс разрушения длинных цепей жирных кислот на молекулы ацетил-КоА). Дефицит этих ферментов связан с генетическими нарушениями, включающими окисление жирных кислот (т. Е. Нарушениями обмена веществ). [3]

Ферменты ACAD были идентифицированы у животных (из которых существует 9 основных классов эукариот), а также у растений, [4] нематод [5], грибов [6] и бактерий. [7] Пять из этих девяти классов участвуют в β-окислении жирных кислот (SCAD, MCAD, LCAD, VLCAD и VLCAD2), а остальные четыре участвуют в метаболизме аминокислот с разветвленной цепью (i3VD, i2VD, GD и iBD. ). Большинство ацил-CoA дегидрогеназ представляют собой α 4 гомотетрамеры , а в двух случаях (для субстратов очень длинноцепочечных жирных кислот) они являются α 2 гомодимерами. Был обнаружен дополнительный класс ацил-КоА-дегидрогеназы, которая катализирует реакции α, β-ненасыщенности с тиоэфирами стероид-КоА у определенных типов бактерий. [8][9] Было продемонстрировано, что этот класс ACAD формирует α 2 β 2 гетеротетрамеры, а не обычный α 4 гомотетрамер, белковая архитектура, которая эволюционировала для того, чтобы приспособиться к гораздо большему субстрату стероид-КоА. [10] [11]

ACAD классифицируются как EC 1.3.99.3 .

Структура [ править ]

Структура среднецепочечного тетрамера ацил-КоА-дегидрогеназы. Молекулы FAD показаны желтым цветом. Код PDB: 1egc.

Ацил-КоА-дегидрогеназа со средней длиной цепи (MCAD) представляет собой наиболее известную структуру из всех ACAD и является наиболее часто дефицитным ферментом в этом классе, который приводит к метаболическим нарушениям у животных. [1] Этот белок представляет собой гомотетрамер, каждая субъединица которого содержит примерно 400 аминокислот и один эквивалент FAD на мономер. Тетрамер классифицируется как «димер димеров» с общим диаметром приблизительно 90 Å . [2]

Интерфейс между двумя мономерами одного димера ACAD содержит сайты связывания FAD и имеет обширные связывающие взаимодействия. Напротив, интерфейс между двумя димерами имеет меньше взаимодействий. В тетрамере имеется всего 4 активных сайта, каждый из которых содержит одну молекулу FAD и сайт связывания субстрата ацил-CoA . Это дает в общей сложности четыре молекулы FAD и четыре сайта связывания субстрата ацил-CoA на фермент.

FAD связан между тремя доменами мономера, где доступна только нуклеотидная часть. Связывание FAD вносит значительный вклад в общую стабильность фермента . Ацил-КоА субстрат связывается полностью внутри каждого мономера фермента . Активный сайт выстлан остатками F252, T255, V259, T96, T99, A100, L103, Y375, Y375 и E376. Интересующая область внутри субстрата оказывается зажатой между Glu 376 и FAD, выстраивая молекулы в идеальное положение для реакции. [1]

MCAD может связываться с довольно широким диапазоном длин цепей в субстрате ацил-CoA , однако исследования показывают, что его специфичность имеет тенденцию нацеливаться на октаноил-CoA (C8-CoA). [12]

Была обнаружена новая ферментная архитектура ACAD у некоторых видов стероид-утилизирующих бактерий ( актинобактерии и протеобактерии ), которая участвует в утилизации повсеместно распространенных стероидных субстратов, таких как холестерин, патогенными организмами, такими как Mycobacterium tuberculosis . Генетически структура кодируется двумя отдельными генами ( открытыми рамками считывания ), которые образуют облигатный α 2 β 2 гетеротетрамический комплекс. Эта структура, скорее всего, была результатом эволюционного события, вызвавшего дупликацию генов.и частичная потеря функции, поскольку половина остатков связывания кофактора FAD находится в каждом гене и образуют полный сайт связывания только при совместной экспрессии в виде комплекса. Это, вероятно, позволило сайту связывания субстрата значительно раскрыться для размещения гораздо более крупных субстратов полициклического CoA, а не жирных кислот с различной длиной цепи.

Механизм [ править ]

Общий механизм ацил-КоА дегидрогеназы.

Механизм ацил-КоА-дегидрогеназы протекает через отщепление E2. Это удаление инициируется остатком глутамата , который, хотя и необходим для механизма, не является консервативным. [1]

Остаток появляется в широком диапазоне мест в разных типах фермента (это Glu 376 в MCAD). Глутамата остаток deprotonates про-R водород альфа - углерода . Водородное связывание карбонильного кислорода субстрата как с 2'-OH рибитильной боковой цепи FAD, так и с NH основной цепи ранее упомянутого остатка глутамата снижает pKa этого протона , позволяя легко удалить его глутаматом . [1]

Крупным планом - активный центр ацил-КоА-дегидрогеназы со средней длиной цепи. FAD связан. Субстрат будет связываться в пространстве между Glu-376 и FAD, когда начинается окисление жирных кислот. Код PDB: 3mdd.

По мере того как альфа- углерод депротонируется, pro-R- водород бета- углерода уходит в виде гидрида в FAD на согласованной стадии. Он добавляется к поверхности Re FAD в позиции N-5, и фермент удерживает FAD на месте за счет водородных связей с пиримидиновой частью и гидрофобных взаимодействий с диметилбензольной частью. Субстрат теперь был преобразован в & alpha ; , & beta ; ненасыщенный тиоэфир . [1]

Когда FAD захватывает гидрид, кислород карбонила, соседний с азотом N-1, становится отрицательно заряженным. Эти электроны находятся в резонансе с азотом N-1 , распределяя и стабилизируя результирующий отрицательный заряд. Заряд также стабилизируется водородными связями между интересующим кислородом и азотом и различными остатками внутри фермента . [1]

Клиническое значение [ править ]

Дефицит ацил-КоА дегидрогеназ приводит к снижению способности окислять жирные кислоты , что свидетельствует о метаболической дисфункции. Дефицит ацил-КоА-дегидрогеназы со средней длиной цепи ( MCADD ) хорошо известен и охарактеризован, поскольку он наиболее часто встречается среди ацил-КоА-дегидрогеназ, что приводит к нарушениям окисления жирных кислот и потенциальным опасным для жизни метаболическим заболеваниям . Некоторые симптомы дефицита ацил-КоА-дегидрогеназы со средней длиной цепи включают непереносимость голодания , гипогликемию и синдром внезапной детской смерти . Считается, что эти симптомы напрямую связаны с неспособностью метаболизировать жиры.. Непереносимость голодания и гипогликемия возникают из-за неспособности получать энергию и производить сахар из жировых отложений , в которых сохраняется большая часть избыточной энергии человека. Кроме того, жирные кислоты могут начать накапливаться в крови , снижая pH крови и вызывая ацидоз . [1]

MCAD имеет отношение к « Внезапной детской смерти» . Приблизительно 90% случаев MCAD обусловлены одноточечной мутацией, когда лизин в положении 304 (Lys304) заменяется остатком глутамата, что препятствует правильному функционированию фермента . [1] Сообщается, что каждый год 1 из 20 000 младенцев рождается с дефицитом ацил-КоА дегидрогеназы со средней длиной цепи, вызванным мутацией . Мутация является рецессивным , и часто родители из детейте, кто страдает этим дефицитом, впоследствии могут быть диагностированы как носители. [3]

У людей наиболее часто встречающаяся в природе мутация MCAD находится в аминокислотном остатке Lys-304. [1] Измененный остаток возникает в результате одноточечной мутации, при которой боковая цепь лизина заменяется глутаматом . Lys-304 обычно взаимодействует с окружающими аминокислотными остатками, образуя водородные связи с Gln-342, Asp-300 и Asp-346. Когда мутация заставляет глутамат занять место лизинав этом месте вводится дополнительный отрицательный заряд, который нарушает обычно возникающую водородную связь. Такое нарушение изменяет структуру сворачивания фермента , в конечном итоге ставя под угрозу его стабильность и подавляя его функцию в окислении жирных кислот . [12] Эффективность мутированного белка примерно в 10 раз ниже, чем у природного белка . [13] Это может привести к появлению перечисленных выше симптомов дефицита.

См. Также [ править ]

  • Ацил КоА
  • Бета-окисление

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e f g h i j Thorpe, C .; Ким, Джей Джей (июнь 1995 г.). «Структура и механизм действия ацил-КоА дегидрогеназ» . FASEB J . 9 (9): 718–25. DOI : 10.1096 / fasebj.9.9.7601336 . PMID  7601336 .
  2. ^ а б Ким Дж. Дж., Ван М., Пашке Р. (август 1993 г.). «Кристаллические структуры среднецепочечной ацил-КоА дегидрогеназы из митохондрий печени свиньи с субстратом и без него» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 90 (16): 7523–7. DOI : 10.1073 / pnas.90.16.7523 . PMC 47174 . PMID 8356049 .  
  3. ^ a b Touma EH, Charpentier C (январь 1992 г.). «Дефицит ацил-КоА-дегидрогеназы со средней длиной цепи» . Arch. Дис. Ребёнок . 67 (1): 142–5. DOI : 10.1136 / adc.67.1.142 . PMC 1793557 . PMID 1739332 .  
  4. ^ Bode, K .; Крючки, МА; Couee, I. (1999). «Идентификация, разделение и характеристика дегидрогеназ ацил-кофермента А, участвующих в митохондриальном β-окислении у высших растений» . Plant Physiol . 119 (4): 1305–1314. DOI : 10.1104 / pp.119.4.1305 . PMC 32015 . PMID 10198089 .  
  5. ^ Komuniecki, R .; Fekete, S .; Тиссен-Парра, Дж. (1985). «Очистка и характеристика 2-метил-Acyl-CoA дегидрогеназы с разветвленной цепью, фермента, участвующего в НАДН-зависимом восстановлении еноил-КоА в анаэробных митохондриях нематоды Ascaris suum». J Biol Chem . 260 (8): 4770–4777. PMID 3988734 . 
  6. ^ Кионка, C .; Кунау, WH (1985). «Индуцируемый путь β-окисления в Neurospora crassa». J Bacteriol . 161 : 153–157.
  7. ^ Кэмпбелл, JW; Кронан, младший (2002). «Загадочный ген fadE Escherichia coli - yafH» . J. Bacteriol . 184 (13): 3759–64. CiteSeerX 10.1.1.333.9931 . DOI : 10.1128 / JB.184.13.3759-3764.2002 . PMC 135136 . PMID 12057976 .   
  8. ^ Томас, ST; Сэмпсон, Н.С. (2013). «Mycobacterium tuberculosis использует уникальную гетеротетрамерную структуру для дегидрирования боковой цепи холестерина» . Биохимия . 52 (17): 2895–2904. DOI : 10.1021 / bi4002979 . PMC 3726044 . PMID 23560677 .  
  9. ^ Випперман, MF; Ян, М .; Thomas, ST; Сэмпсон, Н.С. (2013). «Сокращение протеома FadE микобактерий туберкулеза : понимание метаболизма холестерина посредством идентификации семейства α 2 β 2 гетеротетрамерных ацилкоферментных дегидрогеназ A» . J. Bacteriol . 195 (19): 4331–4341. DOI : 10.1128 / JB.00502-13 . PMC 3807453 . PMID 23836861 .  
  10. ^ Voskuil, MI (2013). «Катаболизм холестерина Mycobacterium tuberculosis требует нового класса ацилкоферментной дегидрогеназы» . J. Bacteriol . 195 (19): 4319–4321. DOI : 10.1128 / JB.00867-13 . PMC 3807469 . PMID 23893117 .  
  11. ^ Випперман, Мэтью, Ф .; Thomas, Suzanne, T .; Сэмпсон, Николь, С. (2014). «Возбудитель ярости: использование холестерина Mycobacterium tuberculosis» . Крит. Rev. Biochem. Мол. Биол . 49 (4): 269–93. DOI : 10.3109 / 10409238.2014.895700 . PMC 4255906 . PMID 24611808 .  
  12. ^ a b Kieweg V, Kräutle FG, Nandy A, et al. (Июнь 1997 г.). «Биохимическая характеристика очищенной человеческой рекомбинантной Lys304 → Glu среднецепочечной ацил-CoA дегидрогеназы, содержащей общую вызывающую заболевание мутацию, и сравнение с нормальным ферментом» (PDF) . Евро. J. Biochem . 246 (2): 548–56. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1997.00548.x . PMID 9208949 .  
  13. ^ Насер I, Мохсен AW, Jelesarov I, J Vockley, Macheroux P, Ghisla S (сентябрь 2004). «Термическое разворачивание среднецепочечной ацил-КоА дегидрогеназы и изо (3) валерил-КоА дегидрогеназы: изучение влияния генетических дефектов на стабильность ферментов» . Биохим. Биофиз. Acta . 1690 (1): 22–32. DOI : 10.1016 / j.bbadis.2004.04.008 . PMID 15337167 . 
  • «Молекулярные графические изображения были получены с использованием пакета UCSF Chimera из Ресурса для биокомпьютеров, визуализации и информатики Калифорнийского университета в Сан-Франциско (при поддержке NIH P41 RR-01081)».
  • Петтерсен Э.Ф., Годдард Т.Д., Хуанг С.С. и др. (Октябрь 2004 г.). «UCSF Chimera - система визуализации для поисковых исследований и анализа». J. Comput Chem . 25 (13): 1605–12. CiteSeerX  10.1.1.456.9442 . DOI : 10.1002 / jcc.20084 . PMID  15264254 .
  • Ли Х.Дж., Ван М., Пашке Р., Нанди А., Гисла С., Ким Дж.Дж. (сентябрь 1996 г.). «Кристаллические структуры дикого типа и мутант Glu376Gly / Thr255Glu среднецепочечной ацил-CoA дегидрогеназы человека: влияние расположения каталитического основания на специфичность субстрата» . Биохимия . 35 (38): 12412–20. DOI : 10.1021 / bi9607867 . PMID  8823176 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Венц А., Торп С., Гисла С. (октябрь 1981 г.). «Инактивация общей ацил-КоА дегидрогеназы из почек свиньи метаболитом гипоглицина А» . J. Biol. Chem . 256 (19): 9809–12. PMID  7275979 .
  • Энгст С., Вок П., Ван М., Ким Дж. Дж., Гисла С. (январь 1999 г.). «Механизм активации ацил-КоА субстратов среднецепочечной ацил-КоА дегидрогеназой: взаимодействие тиоэфиркарбонила с боковой цепью флавинадениндинуклеотида рибитила» . Биохимия . 38 (1): 257–67. DOI : 10.1021 / bi9815041 . PMID  9890906 .
  • Воскуил, М.И. (2013). «Катаболизм холестерина Mycobacterium tuberculosis требует нового класса ацилкоферментной дегидрогеназы» . J. Bacteriol . 195 (19): 4319–4321. DOI : 10.1128 / JB.00867-13 . PMC  3807469 . PMID  23893117 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Ацил-КоА + дегидрогеназа в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)