Дифосфомевалонат декарбоксилаза - Diphosphomevalonate decarboxylase

дифосфомевалонат декарбоксилаза
Общая реакция, катализируемая мевалонатдифосфатдекарбоксилазой.jpg
АТФ-зависимое декарбоксилирование, катализируемое мевалонатдифосфатдекарбоксилазой[1]
Идентификаторы
Номер ЕС4.1.1.33
Количество CAS9024-66-2
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Мевалонат (дифосфо) декарбоксилаза
Идентификаторы
СимволМВД
Ген NCBI4597
HGNC7529
OMIM603236
RefSeqNM_002461
UniProtP53602
Прочие данные
Номер ЕС4.1.1.33
LocusChr. 16 q24.3

Дифосфомевалонат декарбоксилаза (EC 4.1.1.33 ), чаще всего упоминается в научная литература в качестве мевалонат дифосфат декарбоксилаза, является фермент который катализирует то химическая реакция

АТФ + (R) -5-дифосфомевалонат АДФ + фосфат + изопентенилдифосфат + CO2

Этот фермент преобразует мевалонат 5-дифосфат (MVAPP) в изопентенил дифосфат (IPP) через АТФ зависимый декарбоксилирование.[1] Два субстраты этого фермента являются АТФ и мевалонат-5-дифосфат, тогда как его 4 товары находятся ADP, фосфат, изопентенил дифосфат, и CO2.

Мевалонатдифосфатдекарбоксилаза катализирует заключительную стадию мевалонатный путь. Мевалонатный путь отвечает за биосинтез изопреноиды из ацетат.[2] Этот путь играет ключевую роль во многих клеточных процессах, синтезируя изопреноиды стеролов, Такие как холестерин, и нестериновые изопреноиды, такие как долихол, гем А, тРНК изопентенилтрансфераза, и убихинон.[3][4]

Этот фермент принадлежит к семейству лиасы в частности карбокси-лиазы, которые расщепляют углерод-углеродные связи. В систематическое название этого класса ферментов АТФ: (R) -5-дифосфомевалонаткарбоксилиаза (добавление изопентенилдифосфат-образующей АТФ). Другие широко используемые имена включают пирофосфомевалонат декарбоксилаза, мевалонат-5-пирофосфатдекарбоксилаза, декарбоксилаза пирофосфомевалоновой кислоты, 5-пирофосфомевалонат декарбоксилаза, мевалонат-5-дифосфатдекарбоксилаза, и АТФ: (R) -5-дифосфомевалонат карбоксилиаза (дегидратация).

Ферментный механизм

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. Первый, фосфорилирование происходит. Это создает реактивный промежуточный продукт, который на второй стадии подвергается согласованному воздействию. дефосфорилирование и декарбоксилирование.[5] Многие остатки фермента в активном центре играют важную роль в этом согласованном механизме. Остаток серина депротонирует гидроксил на MVAPP и способствует атаке кислорода на фосфат из АТФ. В результате промежуточное соединение 1, 3-phosphoMVAPP, теперь имеет гораздо лучшую уходящую группу, которая помогает производить промежуточное соединение 2.[1] Этот третий промежуточный продукт представляет собой временный промежуточный бета-карбоксикарбоний и обеспечивает «сток электронов», который помогает запускать реакцию декарбоксилирования.[1]

Предлагаемый механизм действия мевалонатдифосфатдекарбоксилазы человека. Аминокислотные остатки окрашены в соответствии с изображением кристаллической структуры остатков активного центра. АТФ имеет коричневый цвет, что свидетельствует о переносе фосфорила.[1]

Структура фермента

Кристаллическая структура активного центра мевалонатдифосфатдекарбоксилазы человека, полученного из 3D4J. Предлагаемые важные остатки для механизма и связывания субстрата выделены: Arg-161 (зеленый), Ser-127 (синий), Asp-305 (оранжевый) и Asn-17 (красный). Сульфат-ион помогает лучше понять связывание субстрата. Предлагается разместить мевалонатдифосфат так, 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 Рентгеновская кристаллография, но ученые столкнулись с трудностями в получении структур связанных метаболитов. Ученые классифицировали мевалонатдифосфатдекарбоксилазу как фермент в Семейство киназ GHMP (галактокиназа, гомосеринкиназа, мевалонаткиназа и фосфомевалонаткиназа).[6] Обе мевалонаткиназа и мевалонатдифосфатдекарбоксилаза, вероятно, произошла от общего предка, поскольку они имеют сходную складку и катализируют фосфорилирование сходных субстратов.[6][7] Из-за этих общих черт оба фермента часто изучаются сравнительно, особенно в отношении ингибиторов.

Хотя имеется ограниченная информация, некоторые важные остатки были идентифицированы и выделены в структуре и механизме активного сайта. Из-за сложности получения кристаллических структур связанных субстратов, сульфат-ион и молекулы воды были использованы для лучшего понимания роли остатков в связывании субстрата.[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 карбонилом C1 MVAPP, и Asn-17 важен для образования водородных связей с тем же остатком аргинина.[1] Asp-305 расположен примерно в 4 Å от C3-гидроксила на MVAPP и действует как основной катализатор в активном центре.[1] Ser-127 помогает в ориентации фосфорильной цепи для переноса фосфата на MVAPP.[1] Мевалонатдифосфатдекарбоксилаза также имеет петлю, связывающую фосфат («P-петлю»), где аминокислотные остатки обеспечивают ключевые взаимодействия, которые стабилизируют нуклеотидтрифосфорильный фрагмент.[9] Остатки из P-петли являются консервативными для ферментов семейства киназ GHMP и включают Ala-105, Ser-106, Ser-107 и Ala-108.[9]

Биологическая функция

Многие разные организмы используют мевалонатный путь и мевалонатдифосфатдекарбоксилазу, но для разных целей.[9] У грамположительных бактерий изопентенилдифосфат, конечный продукт мевалонатдифосфатдекарбоксилазы, является важным промежуточным продуктом в пептидогликан и биосинетез полиизопреноидов.[9] Следовательно, воздействие на мевалонатный путь и мевалонатдифосфатдекарбоксилазу может быть потенциальным противомикробным препаратом.[9]

Мевалонатный путь

Мевалонатный путь также используется у эукариот и растений более высокого порядка. Мевалонат дифосфат декарбоксилаза в основном присутствует в печени млекопитающих, где большая часть мевалоната превращается в холестерин.[10][11] Часть холестерина превращается в стероидные гормоны, желчные кислоты, и Витамин Д.[10] Мевалонат также превращается во многие другие важные промежуточные продукты в клетках млекопитающих: долихолы (переносчики в сборке углеводных цепей в гликопротеины ), убихиноны (важные для транспорта электронов), тРНК изопентенилтрансфераза (используется в синтезе белков), а также франезилированные и геранилгеранилированные белки (мембранно-ассоциированные белки, которые, по-видимому, участвуют во внутриклеточной передаче сигналов).[10] Основным моментом регуляции биосинтеза холестерина и нестерол-изопрена является HMGCoA редуктаза, третий фермент мевалонатного пути.[10]

Актуальность болезни

Ишемическая болезнь сердца является основной причиной смерти среди населения США.[12] Гиперхолестеринемия или высокий уровень холестерина считается основным фактором риска ишемической болезни сердца.[13] Поэтому основные усилия сосредоточены на понимании регуляции и разработке ингибиторов биосинтеза холестерина.[13] Мевалонатдифосфатдекарбоксилаза - это потенциальный фермент, на который может быть нацелен путь синтеза холестерина. Ученые обнаружили молекулу 6-фтормевалонат (6-FMVA), которая является сильным конкурентным ингибитором мевалонатдифосфатдекарбоксилазы.[13] Добавление 6-FMVA приводит к снижению уровня холестерина.[13]

Крысы со спонтанной гипертензией (склонные к инсульту) (SHRSP) страдают от тяжелого гипертония и кровоизлияние в мозг.[14] Ученые обнаружили низкий уровень холестерина в сыворотке крови у крыс с этим заболеванием.[14] В SHRSP мевалонат дифосфат декарбоксилаза имеет гораздо более низкую активность, в то время как HMG-CoA редуктаза остается неизменной; следовательно, мевалонатдифосфатдекарбоксилаза может быть ответственна за более низкий биосинтез холестерина в этом состоянии.[14][15] Предполагается, что у людей дефицит холестерина может сделать плазматические мембраны хрупкими и, как следствие, вызвать ангионекроз в головном мозге. Снижение уровня холестерина в сыворотке крови в результате низкой активности мевалонатдифосфатдекарбоксилазы в некоторых случаях может быть причиной церебрального кровоизлияния.[14]

Структурные исследования

По состоянию на 2015 год не менее 15 структуры были решены для этого класса ферментов, в том числе PDB коды доступа 1FI4, 2HK2, 2HK3, и 2HKE.

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж грамм час я j Войнова Н.Е .; Fu, Z; Баттайле, КП; Хердендорф, Т.Дж.; Ким, JJ; Miziorko, HM (1 декабря 2008 г.). «Человеческая мевалонатдифосфатдекарбоксилаза: характеристика, исследование сайта связывания мевалонатдифосфата и кристаллической структуры». Архивы биохимии и биофизики. 480 (1): 58–67. Дои:10.1016 / j.abb.2008.08.024. ЧВК  2709241. PMID  18823933.
  2. ^ Miziorko, HM (15 января 2011 г.). «Ферменты мевалонатного пути биосинтеза изопреноидов». Архивы биохимии и биофизики. 505 (2): 131–43. Дои:10.1016 / j.abb.2010.09.028. ЧВК  3026612. PMID  20932952.
  3. ^ Бухаеску, I; Иззедин, Х (июнь 2007 г.). «Путь мевалоната: обзор клинических и терапевтических последствий». Клиническая биохимия. 40 (9–10): 575–84. Дои:10.1016 / j.clinbiochem.2007.03.016. PMID  17467679.
  4. ^ Miziorko, HM (15 января 2011 г.). «Ферменты мевалонатного пути биосинтеза изопреноидов». Архивы биохимии и биофизики. 505 (2): 131–43. Дои:10.1016 / j.abb.2010.09.028. ЧВК  3026612. PMID  20932952.
  5. ^ Byres, E; Алфей, MS; Смит, Т.К .; Хантер, Вашингтон (10 августа 2007 г.). «Кристаллические структуры Trypanosoma brucei и Staphylococcus aureus мевалонат дифосфат декарбоксилазы информируют о детерминантах специфичности и реакционной способности». Журнал молекулярной биологии. 371 (2): 540–53. Дои:10.1016 / j.jmb.2007.05.094. PMID  17583736.
  6. ^ а б Цю, Юнге; Гао, Дзинбо; Го, Фэй; Цяо, Юцинь; Ли, Дин (ноябрь 2007 г.). «Исследования мутации и ингибирования мевалонат-5-дифосфатдекарбоксилазы». Письма по биоорганической и медицинской химии. 17 (22): 6164–6168. Дои:10.1016 / j.bmcl.2007.09.033. PMID  17888661.
  7. ^ Цю, Юнге; Ли, Дин (июль 2006 г.). «Ингибирование мевалонат-5-дифосфатдекарбоксилазы фторированными аналогами субстрата». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Общие предметы. 1760 (7): 1080–1087. Дои:10.1016 / j.bbagen.2006.03.009. PMID  16626865.
  8. ^ Крепкий, Дмитрий; Мизиорко, Генри М. (июль 2004 г.). «Идентификация остатков активного центра в мевалонатдифосфатдекарбоксилазе: значение для семейства фосфотрансфераз». Белковая наука. 13 (7): 1875–1881. Дои:10.1110 / пс 04725204. ЧВК  2279928. PMID  15169949.
  9. ^ а б c d е Barta, Michael L .; Маквортер, Уильям Дж .; Miziorko, Генри М .; Гейсбрехт, Брайан В. (17 июля 2012 г.). «Структурная основа связывания нуклеотидов и реакционного катализа в мевалонатдифосфат декарбоксилазе». Биохимия. 51 (28): 5611–5621. Дои:10.1021 / bi300591x. ЧВК  4227304. PMID  22734632.
  10. ^ а б c d Hinson, DD; Chambliss, KL; Тот, MJ; Tanaka, RD; Гибсон, К.М. (ноябрь 1997 г.). "Посттрансляционная регуляция мевалонаткиназы промежуточными звеньями путей биосинтеза холестерина и нестерол-изопрена". Журнал липидных исследований. 38 (11): 2216–23. PMID  9392419.
  11. ^ Мичихара, А; Акасаки, К. Ямори, Й; Цудзи, Х (ноябрь 2001 г.). «Тканевое распределение основной мевалонатпирофосфатдекарбоксилазы у крыс». Биологический и фармацевтический бюллетень. 24 (11): 1231–4. Дои:10.1248 / bpb.24.1231. PMID  11725954.
  12. ^ Маккалоу, П. А. (11 апреля 2007 г.). "Ишемическая болезнь сердца". Клинический журнал Американского общества нефрологов. 2 (3): 611–616. Дои:10.2215 / CJN.03871106. PMID  17699471.
  13. ^ а б c d Неф, Жан-Франкуа; d'Orchymont, Hugues; Дучеп, Жан-Бернар; Пириу, Франсуа; Юнг, Мишель Дж. (1985). «Механизм ингибирования биосинтеза холестерина 6-фтормевалонатом». Биохимический журнал. 227 (1): 247–254. Дои:10.1042 / bj2270247. ЧВК  1144833. PMID  2986604.
  14. ^ а б c d Савамура, М; Нара, Й; Ямори, Y (25 марта 1992 г.). «Мевалонат-5-пирофосфатдекарбоксилаза печени отвечает за снижение уровня холестерина в сыворотке у склонных к инсульту крыс со спонтанной гипертонией». Журнал биологической химии. 267 (9): 6051–5. PMID  1556116.
  15. ^ Крепкий, Д; Miziorko, HM (июль 2004 г.). «Идентификация остатков активного сайта в мевалонатдифосфат декарбоксилазе: значение для семейства фосфотрансфераз». Белковая наука. 13 (7): 1875–81. Дои:10.1110 / пс 04725204. ЧВК  2279928. PMID  15169949.
  • Блох К., Чайкин С., Филлипс А.Х., де Ваард А. (1959). «Пирофосфат и изопентенилпирофосфат мевалоновой кислоты». J. Biol. Chem. 234: 2595–2604. PMID  13801508.