Глюкозо-6-фосфатаза - Glucose 6-phosphatase

Не путать с Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа.
Глюкозо-6-фосфатаза.
Идентификаторы
Номер ЕС3.1.3.9
Количество CAS9001-39-2
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Глюкозо-6-фосфат
Глюкоза

Глюкозо-6-фосфатаза (ЕС 3.1.3.9, G6Pase) является фермент который гидролизует глюкозо-6-фосфат, в результате чего образуется фосфатная группа и свободная глюкоза. Затем глюкоза экспортируется из клетки через мембранные белки-переносчики глюкозы.[1] Этот катализ завершает последний шаг в глюконеогенез и поэтому играет ключевую роль в гомеостатической регуляции уровня глюкозы в крови.[2]

Глюкозо-6-фосфатаза представляет собой комплекс многокомпонентных белков, включая переносчики G6P, глюкозы и фосфата. Основную функцию фосфатазы выполняет каталитическая субъединица глюкозо-6-фосфатазы. У человека есть три изоферменты каталитической субъединицы: глюкозо-6-фосфатаза-α, кодируемая G6PC; IGRP, закодированный G6PC2; и глюкозо-6-фосфатаза-β, кодируемая G6PC3.[3]

Глюкозо-6-фосфатаза-α и глюкозо-6-фосфатаза-β являются функциональными фосфогидролазами и имеют схожую структуру активного центра, топологию, механизм действия и кинетические свойства в отношении гидролиза G6P.[4] Напротив, IGRP практически не имеет гидролазной активности и может играть иную роль в стимуляции секреции инсулина поджелудочной железы.[5]

Фермент хлоропероксидаза, содержащий ванадий, аминокислотные остатки показаны цветом. Ванадийсодержащая хлоропероксидаза имеет такую ​​же структуру и активный центр, что и глюкозо-6-фосфатаза. PDB 1IDQ)
Положение аминокислотных остатков активного центра ванадийсодержащей хлоропероксидазы показано по отношению к поверхности фермента (из PDB 1IDQ)
Активный центр ванадийсодержащей хлоропероксидазы. Остатки Lys353, Arg360, Arg490, His404 и His496 соответствуют Lys76, Arg83, Arg170, His119 и His176 в Glc 6-Pase. (Из PDB 1IDQ)

Структура и функции

Хотя четкого консенсуса достичь не удалось, большое количество ученых придерживаются модели транспорта субстрата, чтобы учесть каталитические свойства глюкозо-6-фосфатазы. В этой модели глюкозо-6-фосфатаза имеет низкую степень селективности. Перенос глюкозо-6-фосфата осуществляется белком-переносчиком (T1), а эндоплазматический ретикулум (ER) содержит структуры, обеспечивающие выход фосфатной группы (T2) и глюкозы (T3).[6]

Глюкозо-6-фосфатаза состоит из 357 аминокислот и прикреплена к эндоплазматическому ретикулуму (ER) девятью трансмембранными спиралями. Его N-конец и активный сайт находятся на стороне просвета ER, а его C-конец выступает в цитоплазму. Из-за его тесной связи с ER точная структура глюкозо-6-фосфатазы остается неизвестной. Однако выравнивание последовательностей показало, что глюкозо-6-фосфатаза структурно сходна с активным центром ванадийсодержащей хлоропероксидазы, обнаруженной у Curvularia inaequalis.[7]

На основании исследований pH-кинетики катализа глюкозо-6-фосфатазы-α было предложено, чтобы гидролиз глюкозо-6-фосфата завершался через ковалентный фосфогистидин-глюкозо-6-фосфатный промежуточный продукт. Активный центр глюкозо-6-фосфатазы-α был первоначально идентифицирован по присутствию консервативного мотива фосфатной сигнатуры, обычно обнаруживаемого в липид-фосфатазах, кислых фосфатазах и галопероксидазах ванадия.[4]

Существенные остатки в активном центре галопероксидазы ванадия включают: Lys353, Arg360, Arg490, His404 и His496. Соответствующие остатки в активном центре глюкозо-6-фосфатазы-α включают Arg170 и Arg83, которые отдают ионы водорода фосфату, стабилизируя переходное состояние, His119, который обеспечивает протон дефосфорилированному кислороду, присоединенному к глюкозе, и His176, который завершает нуклеофильная атака на фосфат с образованием ковалентно связанного промежуточного фосфорильного фермента.[1] Было обнаружено, что в составе ванадий-содержащей хлоропероксидазы Lys353 стабилизирует фосфат в переходном состоянии. Однако соответствующий остаток в глюкозо-6-фосфатазе-α (Lys76) находится внутри мембраны ER, и его функция, если таковая имеется, в настоящее время не определена. За исключением Lys76, все эти остатки расположены на просветной стороне мембраны ER.[4]

Глюкозо-6-фосфатаза-β представляет собой повсеместно экспрессируемый мембранный белок из 346 аминокислот, который имеет 36% идентичность последовательности с глюкозо-6-фосфатазой-α. В ферменте глюкозо-6-фосфатаза-β выравнивание последовательностей предсказывает, что его активный сайт содержит His167, His114 и Arg79. Подобно активному сайту глюкозо-6-фосфатазы-α, His167 является остатком, который обеспечивает нуклеофильную атаку, а His114 и Arg79 являются донорами водорода. Глюкозо-6-фосфатаза-β также локализуется в мембране ER, хотя ее ориентация неизвестна.[4]

Механизм

Гидролиз глюкозо-6-фосфата начинается с нуклеофильной атаки His176 на связанный с сахаром фосфат, что приводит к образованию фосфогистидиновой связи и деградации карбонила. Отрицательно заряженный кислород затем передает свои электроны, преобразовывая карбонил и разрывая его связь с глюкозой. Отрицательно заряженный кислород, связанный с глюкозой, затем протонируется His119, образуя свободную глюкозу. Промежуточное соединение фосфора, образующееся в результате реакции между His176 и фосфатной группой, затем разрушается гидрофильной атакой; после добавления другого гидроксида и разложения карбонила карбонил реформируется, отбрасывая электроны, первоначально отданные остатком His176, тем самым создавая свободную фосфатную группу и завершая гидролиз.[1]

Sdfh.gif

Выражение

Гены, кодирующие фермент, в основном экспрессируются в печени, в коре почек и (в меньшей степени) в β-клетках островков поджелудочной железы и слизистой оболочки кишечника (особенно во время голодания).[6] Согласно Сурхолту и Ньюсхолму, Glc 6-Pase присутствует в самых разных мышцах животного царства, хотя и в очень низких концентрациях.[8] Таким образом, гликоген, который хранится в мышцах, обычно недоступен для остальных клеток организма, поскольку глюкозо-6-фосфат не может пересекать сарколемма если он не дефосфорилирован. Фермент играет важную роль в периоды голодания и при низком уровне глюкозы. Было показано, что голодание и диабет вызывают увеличение активности глюкозо-6-фосфатазы в печени в два-три раза.[6] Активность Glc 6-Pase также резко возрастает при рождении, когда организм становится независимым от материнского источника глюкозы. Ген Glc 6-Pase человека содержит пять экзонов, охватывающих ДНК длиной примерно 125,5 т.п.н., расположенных на хромосоме 17q21.[9]

Клиническое значение

Мутации в системе глюкозо-6-фосфатазы, а именно субъединицы глюкозо-6-фосфатазы-α (глюкозо-6-фосфатаза-α), переносчика глюкозы-6 (G6PT) и глюкозо-6-фосфатазы-β (глюкозо-6-фосфатаза- β или G6PC3) субъединицы приводят к недостаткам в поддержании межрандиального гомеостаз глюкозы и нейтрофил функция и гомеостаз.[10][11] Мутации как в глюкозо-6-фосфатазе-α, так и в G6PT приводят к болезнь накопления гликогена типа I (GSD 1, болезнь фон Гирке).[12] Точнее говоря, мутации глюкозо-6-фосфатазы-α приводят к болезни накопления гликогена типа 1a, которая характеризуется накоплением гликогена и жира в печени и почках, что приводит к гепатомегалия и реномегалия.[13] GSD-1a составляет примерно 80% клинических случаев GSD-1.[14] Отсутствие G6PT приводит к GSD-1b (GSD-1b), который характеризуется отсутствием G6PT и составляет 20% клинических случаев.[14][15]

Нарушение различных компонентов дефицита системы глюкозо-6-фосфатазы

Конкретная причина GSD-1a проистекает из бессмысленных мутаций, вставок / делеций со сдвигом рамки считывания или без него или сайта сплайсинга. мутации которые происходят на генетическом уровне.[6] Миссенс-мутации влияют на две большие люминальные петли и трансмембранные спирали глюкозо-6-фосфатазы-α, отменяя или значительно снижая активность фермента.[6] Специфическая причина GSD-1b проистекает из «тяжелых» мутаций, таких как мутации сайта сплайсинга, мутации со сдвигом рамки считывания и замены высококонсервативного остатка, которые полностью разрушают активность G6PT.[6] Эти мутации приводят к преобладанию GSD-1, предотвращая транспорт глюкозо-6-фосфат (G6P) в просветную часть ER а также ингибирование превращения G6P в глюкозу, которая будет использоваться клеткой.

Третий тип дефицита глюкозо-6-фосфатазы, дефицит глюкозо-6-фосфатазы-β, характеризуется врожденным нейтропения синдром, при котором нейтрофилы демонстрируют повышенный стресс эндоплазматического ретикулума (ER), повышенный апоптоз, нарушение энергетического гомеостаза и нарушение функциональности.[16] Это также может привести к сердечным и урогенитальным порокам.[17] На этот третий класс дефицита также влияет дефицит G6PT, поскольку глюкозо-6-фосфатаза-β также находится в просвете ER и, таким образом, может приводить к аналогичным симптомам дефицита глюкозо-6-фосфатазы-β, связанным с GSD-1b.[15] Более того, недавние исследования прояснили эту область сходства между обоими недостатками и показали, что аберрантный гликозилирование возникает при обоих недостатках.[18] Гликозилирование нейтрофилов оказывает сильное влияние на активность нейтрофилов и, таким образом, также может быть классифицировано как нарушение врожденного гликозилирования.[18]

Было установлено, что основная функция глюкозо-6-фосфатазы-β заключается в обеспечении рециклированной глюкозы в цитоплазме нейтрофилов для поддержания нормальной функции. Нарушение соотношения глюкозы к G6P из-за значительного снижения внутриклеточного уровня глюкозы вызывает значительное нарушение гликолиз и HMS.[11] Если этому дефициту не противодействовать поглощение внеклеточной глюкозы, это приводит к дисфункции нейтрофилов.[11]

Соединения ванадия, такие как сульфат ванадила было показано, что ингибирует фермент и, таким образом, увеличивает чувствительность к инсулину in vivo у диабетиков, по оценке гиперинсулинемический зажим, что может иметь потенциальное терапевтическое значение[19][20]

Смотрите также

Примечания

Изображения молекулярной графики были получены с использованием UCSF Chimera.[21]

Рекомендации

  1. ^ а б c Гош А., Ши Дж. Дж., Пан Си Джей, Сан М. С., Чжоу Дж. Й. (сентябрь 2002 г.). «Каталитический центр глюкозо-6-фосфатазы. HIS176 представляет собой нуклеофил, образующий промежуточное соединение фосфогистидин-фермент во время катализа». Журнал биологической химии. 277 (36): 32837–42. Дои:10.1074 / jbc.M201853200. PMID  12093795.
  2. ^ Нордли Р. и др. (1985). Ферменты биологических мембран, 2-е издание. Нью-Йорк: Пленум Пресс. С. 349–398. ISBN  0-306-41453-8.
  3. ^ Хаттон Дж. К., О'Брайен Р. М. (октябрь 2009 г.). «Семейство генов каталитической субъединицы глюкозо-6-фосфатазы». Журнал биологической химии. 284 (43): 29241–5. Дои:10.1074 / jbc.R109.025544. ЧВК  2785553. PMID  19700406.
  4. ^ а б c d Гош А., Шие Дж. Дж., Пан Си Джей, Чжоу Дж. Й. (март 2004 г.). «Гистидин 167 является акцептором фосфата в глюкозо-6-фосфатазе-бета, образуя промежуточный фермент фосфогистидин во время катализа». Журнал биологической химии. 279 (13): 12479–83. Дои:10.1074 / jbc.M313271200. PMID  14718531.
  5. ^ Шие Дж. Дж., Пан Си Джей, Мэнсфилд Британская Колумбия, Чжоу Дж. Й. (сентябрь 2005 г.). «В островков-специфическом белке, относящемся к глюкозо-6-фосфатазе, антигенная последовательность бета-клеток, на которую нацелена при диабете, не ответственна за потерю активности фосфогидролазы». Диабетология. 48 (9): 1851–9. Дои:10.1007 / s00125-005-1848-6. PMID  16012821.
  6. ^ а б c d е ж ван Шафтинген Э., Герин I (март 2002 г.). «Глюкозо-6-фосфатазная система». Биохимический журнал. 362 (Pt 3): 513–32. Дои:10.1042/0264-6021:3620513. ЧВК  1222414. PMID  11879177.
  7. ^ Пан С.Дж., Лей К.Дж., Аннаби Б., Хемрика В., Чжоу Дж.Й. (март 1998 г.). «Трансмембранная топология глюкозо-6-фосфатазы». Журнал биологической химии. 273 (11): 6144–8. Дои:10.1074 / jbc.273.11.6144. PMID  9497333.
  8. ^ Surholt, B; Ньюсхолм, EA (15 сентября 1981 г.). «Максимальная активность и свойства глюкозо-6-фосфатазы в мышцах позвоночных и беспозвоночных». Биохимический журнал. 198 (3): 621–9. Дои:10.1042 / bj1980621. ЧВК  1163310. PMID  6275855.
  9. ^ Ангарони CJ, де Кремер RD, Argaraña CE, Paschini-Capra AE, Giner-Ayala AN, Pezza RJ, Pan CJ, Chou JY (ноябрь 2004 г.). «Болезнь накопления гликогена типа Ia в Аргентине: две новые мутации глюкозо-6-фосфатазы, влияющие на стабильность белка». Молекулярная генетика и метаболизм. 83 (3): 276–9. Дои:10.1016 / j.ymgme.2004.06.010. PMID  15542400.
  10. ^ Чжоу Дж.Й., Джун Х.С., Мэнсфилд Британская Колумбия (декабрь 2010 г.). «Болезнь накопления гликогена типа I и дефицит глюкозо-6-фосфатазы-β: этиология и терапия». Обзоры природы. Эндокринология. 6 (12): 676–88. Дои:10.1038 / nrendo.2010.189. ЧВК  4178929. PMID  20975743.
  11. ^ а б c Джун Х.С., Ли Ю.М., Чунг Ю.Й., Макдермотт Д.Х., Мерфи П.М., Де Равин С.С., Мэнсфилд, Британская Колумбия, Чжоу Дж.Й. (октябрь 2010 г.) «Отсутствие рециркуляции глюкозы между эндоплазматическим ретикулумом и цитоплазмой лежит в основе клеточной дисфункции нейтрофилов с дефицитом глюкозо-6-фосфатазы-бета при синдроме врожденной нейтропении». Кровь. 116 (15): 2783–92. Дои:10.1182 / кровь-2009-12-258491. ЧВК  2974586. PMID  20498302.
  12. ^ Страйер, Люберт; Берг, Джереми Марк; Тимочко, Джон Л. (2007). Биохимия. Сан-Франциско: W.H. Фримен. ISBN  978-0-7167-8724-2.
  13. ^ Пагон Р.А., Берд Т.Д., Долан С.Р. и др. (1993). «Заболевание накопления гликогена I типа». PMID  20301489. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)
  14. ^ а б Чоу Дж.Й., Матерн Д., Мэнсфилд BC, Чен Ю.Т. (март 2002 г.). «Заболевания накопления гликогена I типа: нарушения комплекса глюкозо-6-фосфатазы». Современная молекулярная медицина. 2 (2): 121–43. Дои:10.2174/1566524024605798. PMID  11949931.
  15. ^ а б Froissart R, Piraud M, Boudjemline AM, Vianey-Saban C, Petit F, Hubert-Buron A, Eberschweiler PT, Gajdos V, Labrune P (2011). «Дефицит глюкозо-6-фосфатазы». Журнал редких заболеваний Orphanet. 6: 27. Дои:10.1186/1750-1172-6-27. ЧВК  3118311. PMID  21599942.
  16. ^ Джун Х.С., Ли Ю.М., Сон К.Д., Мэнсфилд, Британская Колумбия, Чжоу Дж.Й. (апрель 2011 г.). «G-CSF улучшает функцию мышиных нейтрофилов с дефицитом G6PC3, модулируя апоптоз и энергетический гомеостаз». Кровь. 117 (14): 3881–92. Дои:10.1182 / blood-2010-08-302059. ЧВК  3083300. PMID  21292774.
  17. ^ Бозтуг К., Аппасвами Г., Ашиков А., Шеффер А.А., Зальцер Ю., Дистельхорст Дж., Гермесхаузен М., Брандес Дж., Ли-Госслер Дж., Ноян Ф., Гацке А.К., Минков М., Грейл Дж., Крац С., Петропулу Т., Пелье I. Bellanné-Chantelot C, Rezaei N, Mönkemöller K, Irani-Hakimeh N, Bakker H, Gerardy-Schahn R, Zeidler C, Grimbacher B, Welte K, Klein C (январь 2009 г.). «Синдром с врожденной нейтропенией и мутациями в G6PC3». Медицинский журнал Новой Англии. 360 (1): 32–43. Дои:10.1056 / NEJMoa0805051. ЧВК  2778311. PMID  19118303.
  18. ^ а б Хэйи Б., Антонопулос А., Мерфи Э. Дж., Рахман Ф. З., Сьюэлл Дж., Смит Б. Н., Маккартни С., Фурман М., Холл Г., Блум С. Л., Хаслам С. М., Моррис Х. Р., Бозтуг К., Кляйн С., Винчестер Б., Пик E, Линч, округ Колумбия , Gale RE, Smith AM, Dell A, Segal AW (июль 2011 г.). «Мутации G6PC3 связаны с основным дефектом гликозилирования: новым механизмом дисфункции нейтрофилов». Гликобиология. 21 (7): 914–24. Дои:10.1093 / glycob / cwr023. ЧВК  3110488. PMID  21385794.
  19. ^ «Влияние ванадилсульфата на углеводный и липидный обмен у пациентов с инсулиннезависимым сахарным диабетом. Метаболизм - Клинические и экспериментальные данные». www.metabolismjournal.com. Получено 16 июн 2015.
  20. ^ Шехзад, Сайма (1 января 2013 г.). «Возможное влияние соединений ванадия на глюкозо-6-фосфатазу». Bioscience Horizons. 6: hzt002. Дои:10.1093 / биогоризонты / hzt002. ISSN  1754-7431. Архивировано из оригинал 24 апреля 2016 г.. Получено 16 июн 2015.
  21. ^ Петтерсен Э. Ф., Годдард Т. Д., Хуанг С. К., Коуч Г. С., Гринблатт Д. М., Мэн Э. К., Феррин Т. Е. (октябрь 2004 г.) «UCSF Chimera - система визуализации для поисковых исследований и анализа» (PDF). Журнал вычислительной химии. 25 (13): 1605–12. Дои:10.1002 / jcc.20084. PMID  15264254.

внешняя ссылка