Пропионил-КоА карбоксилаза - Википедия - Propionyl-CoA carboxylase

Пропионил-КоА карбоксилаза
Идентификаторы
Номер ЕС6.4.1.3
Количество CAS9023-94-3
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Метилмалонил-КоА декарбоксилаза
Идентификаторы
Номер ЕС4.1.1.41
Количество CAS37289-44-4
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Пропионил-КоА карбоксилаза (PCC) катализирует карбоксилирование реакция пропионил КоА в митохондриальный матрикс. Фермент биотин -зависимый. Продукт реакции (S) -метилмалонил КоА. Пропионил КоА является конечным продуктом метаболизма жирных кислот с нечетной цепью, а также является метаболитом большинства метил-разветвленных жирные кислоты. Он также является основным метаболитом валина и вместе с ацетил-КоА, является метаболитом изолейцина, а также метионин метаболит. Пропионил-КоА поэтому имеет большое значение как глюкоза предшественник. (S) -Метилмалонил-КоА не используется животными напрямую; на него действует рацемаза, давая (R) -метилмалонил-КоА. Последний преобразуется мутазой метилмалонил-КоА (один из очень немногих витаминов B12-зависимые ферменты), чтобы дать сукцинил-КоА. Последний преобразуется в оксалоацетат а потом малат в Цикл Кребса. Экспорт малат в цитозоль приводит к образованию оксалоацетат, фосфоенолпируват и другие глюконеогенные промежуточные соединения.

АТФ + пропионил-КоА + HCO3− <=> АДФ + фосфат + (S) -метилмалонил-КоА

Он был классифицирован как лигаза[1] и лиазе.[2]

Структура фермента

Пропионил-КоА-карбоксилаза (PCC) представляет собой альфа (6) -бета (6) -додекамер 750 кДа. (Только приблизительно 540 кДа является нативным ферментом.[3] Альфа-субъединицы расположены как мономеры, украшающие центральное гексамерное ядро ​​бета-6. Этот сердечник ориентирован в виде короткого цилиндра с отверстием вдоль его оси.

Альфа-субъединица PCC содержит биотин карбоксилаза (BC) и биотин карбоксильные домены белка-носителя (BCCP). Домен, известный как домен BT, также расположен на альфа-субъединице и необходим для взаимодействия с бета-субъединицей. 8-витой антипараллельный бета-баррель складка этого домена особенно интересна. Бета-субъединица содержит активность карбоксилтрансферазы (СТ).[4]

Рисунок 1. (а). Схематическое изображение структуры химеры RpPCCα-RdPCCβ, если смотреть вниз по оси симметрии третьего порядка. Домены в субъединицах α и β в верхней половине структуры обозначены разными цветами, а домены в первых субъединицах α и β помечены. Субъединицы α и β в нижней половине окрашены в пурпурный и зеленый цвета соответственно. Красная стрелка указывает направление обзора панели b. (б). Структура химеры RpPCCα-RdPCCβ, если смотреть вниз по двойной оси симметрии. Красный прямоугольник указывает на область, подробно показанную на рис. 2а. (с). Крио-ЭМ реконструкция HsPCC с разрешением 15 Å, если смотреть в той же ориентации, что и панель а. Атомная модель химеры помещалась в крио-ЭМ конверт. (г). Крио-ЭМ реконструкция в той же ориентации, что и панель b. Стрелки указывают на изменение положения BCCP, которое необходимо для соответствия крио-ЭМ карте. Все структурные фигуры были получены с помощью PyMOL (www.pymol.org), а крио-ЭМ-фигуры были получены с помощью Chimera.[5] Это обеспечивает четкое свидетельство решающего димерного взаимодействия между альфа- и бета-субъединицами.

Сайты BC и CT находятся на расстоянии примерно 55 Å друг от друга, что свидетельствует о перемещении всего домена BCCP во время катализа карбоксилирование из пропионил-КоА.[5] Это обеспечивает четкое свидетельство решающего димерного взаимодействия между альфа- и бета-субъединицами.

Рисунок 2. (а). Схематическое изображение относительного расположения активных центров BC и CT в холоферменте. Показаны одна субъединица α и димер β2 (β1 из одного слоя и β4 из другого слоя), а направление обзора такое же, как на рис. 1b. Два активных центра обозначены звездами, разделенными расстоянием 55 Å. Также показаны связанные положения ADP в комплексе с E. coli BC 18 и CoA в комплексе с 12S субъединицей транскарбоксилазы 21. (б). Подробные взаимодействия между BCCP-биотином и С-доменом субъединицы β. Взаимодействия с водородными связями показаны пунктирными линиями красного цвета. Атом N1 'биотина обозначен как 1', он связан водородной связью с карбонилом основной цепи Phe397. (с). Молекулярная поверхность активного сайта CT, показывающая глубокий каньон, где связаны оба субстрата. (г). Схематический рисунок активного сайта КТ.[5]

Биотин-связывающий карман PCC гидрофобен и высококонсервативен. Биотин и пропионил-КоА связываются перпендикулярно друг другу в оксианионная дыра -содержащий активный сайт. Отношение нативного фермента к биотину составляет один моль нативного фермента на 4 моль биотина.[3] Считается, что N1 биотина является основанием активного сайта.[4]

Сайт-направленный мутагенез на D422 показывает изменение субстратной специфичности сайта связывания пропионил-CoA, что указывает на важность этого остатка в каталитической активности PCC.[6] В 1979 г. фенилглиоксаль определили, что фосфатная группа из пропионил-КоА или АТФ реагирует с существенным остатком аргинина в активном центре во время катализа.[7] Позже (2004) было высказано предположение, что аргинин-338 служит для ориентации карбоксифосфатного интермедиата для оптимального карбоксилирования биотина.[8]

В Км значения для АТФ, пропионил-КоА и бикарбоната составляют 0,08 мМ, 0,29 мМ и 3,0 мМ соответственно. В изоэлектрическая точка падает при pH 5,5. Структурная целостность PCC сохраняется в диапазоне температур от -50 до 37 градусов Цельсия и диапазоне pH от 6,2 до 8,8. Было показано, что оптимальный pH составляет от 7,2 до 8,8 без связывания биотина.[3] Для биотина оптимальный pH составляет 8,0-8,5.[9]

Ферментный механизм

Механизм нормальной каталитической реакции включает карбанион промежуточный и не проходит через согласованный процесс.[10] На рисунке 3 показан вероятный путь.

Рисунок 3. Вероятный механизм PCC

Было показано, что реакция слегка обратима при низком потоке пропионил-КоА.[11]

Изоферменты

Люди экспрессируют следующие две пропионил-КоА карбоксилазы: изоферменты:

пропионил-коэнзим карбоксилаза, альфа-полипептид
Идентификаторы
СимволPCCA
Ген NCBI5095
HGNC8653
OMIM232000
RefSeqNM_000282
UniProtP05165
Прочие данные
Номер ЕС6.4.1.3
LocusChr. 13 q32
пропионил-коэнзим карбоксилаза, бета-полипептид
Идентификаторы
СимволPCCB
Ген NCBI5096
HGNC8654
OMIM232050
RefSeqNM_000532
UniProtP05166
Прочие данные
Номер ЕС6.4.1.3
LocusChr. 3 q21-q22

Патология

Дефицит связан с пропионовая ацидемия.[12][13][14]

Активность PCC является наиболее чувствительным индикатором статуса биотина на сегодняшний день. В будущих исследованиях беременности использование данных об активности КПК лимфоцитов должно оказаться полезным для оценки статуса биотина.[15]

Внутригенное дополнение

Когда несколько копий полипептида, кодируемого ген образуют агрегат, эта белковая структура называется мультимером. Когда мультимер образуется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутант аллели конкретного гена смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов по отдельности. В таком случае явление упоминается как внутригенная комплементация.

PCC представляет собой гетерополимер, состоящий из субъединиц α и β в α6β6 структура. Мутации в PCC, либо в субъединице α (PCCα), либо в субъединице β (PCCβ) может вызывать пропионовая ацидемия в людях. Когда другой мутантный скин фибробласт линии клеток, дефектные по PCCβ, были слиты в попарных комбинациях, β гетеромультимерный белок образующийся в результате часто проявляет более высокий уровень активности, чем можно было бы ожидать, исходя из активности исходных ферментов.[16] Это открытие внутригенная комплементация указали, что мультимерная структура PCC допускает кооперативные взаимодействия между составляющими мономерами PCCβ, которые могут генерировать более функциональную форму холофермента.

Регулирование

Пропионил-КоА карбоксилазы

а. Карбамазепин (противоэпилептический препарат): значительно снижает уровень ферментов в печени[17]

б. Кишечная палочка шаперонин белки groES и groEL: необходимы для сворачивания и сборки гетеромерных субъединиц PCC человека[18]

c. Бикарбонат: отрицательная кооперативность[8]

d. Mg2+ и MgATP2−: аллостерическая активация[19]

Пропионил-КоА-карбоксилазой

а. 6-дезоксиэритронолид B: снижение уровня PCC приводит к увеличению производства [20]

б. Глюкокиназа в бета-клетках поджелудочной железы: предшественник бета-PCC снижает KM и увеличивает Vmax; активация [21]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ EC 6.4.1.3
  2. ^ EC 4.1.1.41
  3. ^ а б c Kalousek F, Дариго MD, Розенберг LE (1980). «Выделение и характеристика пропионил-CoA карбоксилазы из нормальной печени человека. Доказательства протомерного тетрамера неидентичных субъединиц». Журнал биологической химии. 255 (1): 60–65. PMID  6765947.
  4. ^ а б Дьякович Л., Митчелл Д.Л., Фам Х., Гаго Г., Мельгар М.М., Хосла С., Грамаджо Х., Цай СК (2004). «Кристаллическая структура β-субъединицы ацил-CoA-карбоксилазы: структурная инженерия субстратной специфичности †, ‡». Биохимия. 43 (44): 14027–14036. Дои:10.1021 / bi049065v. PMID  15518551.
  5. ^ а б c Хуанг К.С., Садре-Баззаз К., Шен Й, Дэн Б., Чжоу Ч., Тонг Л. (2010). «Кристаллическая структура холофермента α6β6 пропионил-кофермента карбоксилазы». Природа. 466 (7309): 1001–1005. Дои:10.1038 / природа09302. ЧВК  2925307. PMID  20725044.
  6. ^ Араболаза А., Шиллито М.Э., Лин Т.В., Дьякович Л., Мелгар М., Фам Х, Амик Д., Грамаджо Х., Цай СК (2010). «Кристаллические структуры и мутационные анализы β-субъединицы ацил-КоА-карбоксилазы Streptomyces coelicolor». Биохимия. 49 (34): 7367–7376. Дои:10.1021 / bi1005305. ЧВК  2927733. PMID  20690600.
  7. ^ Вольф Б., Калоусек Ф, Розенберг Л. Е. (1979). «Основные остатки аргинина в активных центрах пропионил-КоА-карбоксилазы и бета-метилкротонил-КоА-карбоксилазы». Фермент. 24 (5): 302–306. Дои:10.1159/000458679. PMID  510274.
  8. ^ а б Слоан V, Уолдроп GL (2004). «Кинетическая характеристика мутаций, обнаруженных при пропионовой ацидемии и метилкротонилглицинурии: доказательства кооперативности биотинкарбоксилазы». Журнал биологической химии. 279 (16): 15772–15778. Дои:10.1074 / jbc.M311982200. PMID  14960587.
  9. ^ Ся Й.Е., Скалли К.Дж., Розенберг Л.Е. (1979). «Пропионил-КоА-карбоксилаза человека: некоторые свойства частично очищенного фермента в фибробластах контрольной группы и пациентов с пропионовой ацидемией». Педиатрические исследования. 13 (6): 746–751. Дои:10.1203/00006450-197906000-00005. PMID  481943.
  10. ^ Стуббе Дж., Фиш С., Абелес Р. Х. (1980). «Является ли карбоксилирование с участием биотина согласованным или несогласованным?». Журнал биологической химии. 255 (1): 236–242. PMID  7350155.
  11. ^ Решко А.Е., Касумов Т., Пирс Б.А., Дэвид Ф., Хоппель С.Л., Стэнли В.К., Де Розье С., Бруненграбер Х (2003). «Оценка обратимости анаплеротических реакций пути пропионил-КоА в сердце и печени». Журнал биологической химии. 278 (37): 34959–34965. Дои:10.1074 / jbc.M302013200. PMID  12824185.
  12. ^ Угарте М., Перес-Серда С., Родригес-Помбо П., Десвиат Л.Р., Перес Б., Ричард Е., Муро С., Кампо Е., Охура Т., Гравел Р.А. (1999). «Обзор мутаций в генах PCCA и PCCB, вызывающих пропионовую ацидемию». Человеческая мутация. 14 (4): 275–282. Дои:10.1002 / (SICI) 1098-1004 (199910) 14: 4 <275 :: AID-HUMU1> 3.0.CO; 2-N. PMID  10502773.
  13. ^ Desviat LR, Pérez B, Pérez-Cerdá C, Rodríguez-Pombo P, Clavero S, Ugarte M (2004). «Пропионовая ацидемия: обновление мутаций и функциональные и структурные эффекты вариантных аллелей». Молекулярная генетика и метаболизм. 83 (1–2): 28–37. Дои:10.1016 / j.ymgme.2004.08.001. PMID  15464417.
  14. ^ Deodato, F .; Boenzi, S .; Санторелли, Ф. М .; Диониси-Вичи, К. (2006). «Метилмалоновая и пропионовая ацидурия». Американский журнал медицинской генетики, часть C. 142C (2): 104–112. Дои:10.1002 / ajmg.c.30090. PMID  16602092. S2CID  21114631.
  15. ^ Stratton SL, Bogusiewicz A, Mock MM, Mock NI, Wells AM, Mock DM (2006). «Пропионил-КоА карбоксилаза лимфоцитов и ее активация биотином являются чувствительными индикаторами маргинального дефицита биотина у людей». Американский журнал клинического питания. 84 (2): 384–388. Дои:10.1093 / ajcn / 84.1.384. ЧВК  1539098. PMID  16895887.
  16. ^ Родригес-Помбо П., Перес-Серда С., Перес Б., Десвиат Л. Р., Санчес-Пулидо Л., Угарте М. К модели, объясняющей внутригенную комплементацию в гетеромультимерном протеине пропионил-КоА-карбоксилазе. Biochim Biophys Acta. 2005; 1740 (3): 489-498. DOI: 10.1016 / j.bbadis.2004.10.009
  17. ^ Rathman SC, Eisenschenk S, McMahon RJ (2002). «Количество и функция биотин-зависимых ферментов снижены у крыс, которым хронически вводили карбамазепин». Журнал питания. 132 (11): 3405–3410. Дои:10.1093 / jn / 132.11.3405. PMID  12421859.
  18. ^ Келсон Т.Л., Охура Т., Краус Дж. П. (1996). «Опосредованная шаперонином сборка субъединиц дикого типа и мутантных субъединиц пропионил-CoA карбоксилазы человека, экспрессируемых в Escherichia coli». Молекулярная генетика человека. 5 (3): 331–337. Дои:10.1093 / hmg / 5.3.331. PMID  8852656.
  19. ^ МакКеон Ч, Вольф Б (1982). «Магний и активация аденозинтрифосфатом магния человека пропионил-КоА-карбоксилазы и бета-метилкротонил-КоА-карбоксилазы». Фермент. 28 (1): 76–81. Дои:10.1159/000459088. PMID  6981505.
  20. ^ Чжан Х., Богигян Б.А., Пфейфер Б.А. (2010). «Изучение роли метаболизма нативного пропионил-КоА и метилмалонил-КоА на выработку гетерологичных поликетидов в Escherichia coli». Биотехнологии и биоинженерия. 105 (3): 567–573. Дои:10.1002 / бит. 22560. PMID  19806677. S2CID  659042.
  21. ^ Сираиси А., Ямада Ю., Цуура Ю., Фиджимото С., Цукияма К., Мукаи Е., Тойода Ю., Мива И., Сейно Ю. (2000). «Новый регулятор глюкокиназы в бета-клетках поджелудочной железы: предшественник бета-субъединицы пропионил-КоА-карбоксилазы взаимодействует с глюкокиназой и увеличивает ее активность». Журнал биологической химии. 276 (4): 2325–2328. Дои:10.1074 / jbc.C000530200. PMID  11085976.

внешняя ссылка