Гликогенфосфорилаза - Glycogen phosphorylase

Фосфорилаза
ГликогенФосфорилазаDimer.png
Кристаллическая структура комплекса гликогенфосфорилаза-АМФ в мышцах кролика. Аллостерический сайт AMP (желтый), фосфорилированный Ser14 (оранжевый), сайт связывания гликогена (синий), каталитический сайт (красный).[1]
Идентификаторы
Номер ЕС2.4.1.1
Количество CAS9035-74-9
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Гликогенфосфорилаза один из фосфорилаза ферменты (EC 2.4.1.1 ). Гликогенфосфорилаза катализирует лимитирующую стадию в гликогенолиз у животных путем выпуска глюкозо-1-фосфат от концевой альфа-1,4-гликозидной связи. Гликогенфосфорилаза также изучается как модельный белок, регулируемый как обратимыми, так и обратимыми фосфорилирование и аллостерический эффекты.

Механизм

Гликогенфосфорилаза расщепляется гликоген в глюкоза подразделения (см. также рисунок ниже):

(цепь гликогена α-1,4)п + Пи ⇌ (цепь гликогена α-1,4)п-1 + α-D-глюкозо-1-фосфат.[2]

Гликогена остается на одну глюкозу меньше молекула, а свободная молекула глюкозы имеет вид глюкозо-1-фосфат. Чтобы использовать для метаболизм, он должен быть преобразован в глюкозо-6-фосфат ферментом фосфоглюкомутаза.

Хотя реакция обратимая in vitro, внутри клетки фермент работает только в прямом направлении, как показано ниже, потому что концентрация неорганический фосфат намного выше, чем у глюкозо-1-фосфата.[2]

Действие гликогенфосфорилазы на гликоген

Гликогенфосфорилаза может действовать только на линейный цепи гликогена (α1-4 гликозидная связь). Его работа немедленно остановится в четырех остатках от α1-6. ветвь (которые чрезвычайно распространены в гликогене). В этих ситуациях расщепляющий фермент необходимо, чтобы распрямить цепь в этой области. Кроме того, фермент трансфераза сдвигает блок из 3 глюкозильных остатков с внешней ветви на другой конец, а затем α1-6 глюкозидаза фермент требуется, чтобы разорвать оставшийся (единственный глюкозный) остаток α1-6, который остается в новой линейной цепи. После того, как все это будет сделано, гликогенфосфорилаза может продолжаться. Фермент специфичен для α1-4 цепей, так как молекула содержит щель длиной 30 ангстрем с таким же радиусом, что и спираль, образованная цепью гликогена; это вмещает 4-5 глюкозильных остатков, но слишком мало для разветвлений. Эта щель соединяет сайт хранения гликогена с активным каталитическим сайтом.

Гликогенфосфорилаза имеет пиридоксальфосфат (PLP, полученный из Витамин B6 ) на каждом каталитическом сайте. Пиридоксальфосфат связывается с основными остатками (в данном случае Lys680) и ковалентно образует База Шиффа. После образования связи основания Шиффа, удерживающего молекулу PLP в активном центре, фосфатная группа на PLP легко отдает протон молекуле неорганического фосфата, позволяя неорганическому фосфату, в свою очередь, депротонироваться кислородом, образующим α-1 , 4 гликозидная связь. PLP легко депротонируется, потому что его отрицательный заряд не только стабилизируется внутри фосфатной группы, но также в пиридиновом кольце, таким образом, основание конъюгата, образующееся в результате депротонирования PLP, довольно стабильно. Протонированный кислород теперь представляет собой хороший уходящая группа, и цепь гликогена отделена от концевого гликогена в SN1 мода, приводящая к образованию молекулы глюкозы с вторичным карбокатионом в положении 1. Наконец, депротонированный неорганический фосфат действует как нуклеофил и связывается с карбокатионом, что приводит к образованию глюкозо-1-фосфата и цепи гликогена, укороченной на одну молекулу глюкозы.

Существует также альтернативный предложенный механизм с участием положительно заряженного кислорода в конформации полукресла.[3]

Каталитический механизм сайта

Структура

Мономер гликогенфосфорилазы - это большой белок, состоящий из 842 аминокислот с массой 97,434 кДа в мышечных клетках. Хотя фермент может существовать в виде неактивного мономера или тетрамера, он биологически активен как димер из двух одинаковых субъединиц.[4]

Состояния R и T гликогенфосфорилазы b Спирали башни слева и справа соответственно. Обратите внимание на относительное расположение спиралей центральной башни, а также на усиление взаимодействий между субъединицами в состоянии R. PDB3CEH, PDB3E3O

У млекопитающих основная изоферменты гликогенфосфорилазы обнаруживаются в мышцах, печени и головном мозге. Тип мозга преобладает во взрослом мозге и эмбриональных тканях, тогда как печень и мышечный тип преобладают в печени и скелетных мышцах взрослых, соответственно.[5]

Димер гликогенфосфорилазы имеет много областей биологического значения, включая каталитический сайты, сайты связывания гликогена, аллостерический сайтов и обратимо фосфорилированный остаток серина. Во-первых, каталитические центры относительно скрыты, на расстоянии 15 Å от поверхности белка и от границы раздела субъединиц.[6] Это отсутствие легкого доступа каталитического сайта к поверхности является значительным, поскольку оно делает активность белка очень чувствительной к регуляции, поскольку небольшие аллостерические эффекты могут значительно увеличить относительный доступ гликогена к сайту.

Пожалуй, самый важный регулирующий сайт это Ser14, сайт обратимого фосфорилирование очень близко к интерфейсу субблока. Структурное изменение, связанное с фосфорилированием и превращением фосфорилазы b в фосфорилазу a, представляет собой расположение первоначально неупорядоченных остатков с 10 по 22 в α-спирали. Это изменение увеличивает активность фосфорилазы до 25% даже в отсутствие AMP и дополнительно усиливает активацию AMP.[7]

Аллостерический сайт AMP Связывание с мышечными изоформами гликогенфосфорилазы близко к границе раздела субъединиц, как и Ser14. Связывание AMP на этом сайте, соответствующее изменению из состояния T фермента в состояние R, приводит к небольшим изменениям в третичной структуре на границе раздела субъединиц, что приводит к большим изменениям в четвертичной структуре.[8] Связывание AMP поворачивает башни-спирали (остатки 262-278) двух субъединиц на 50 ° относительно друг друга за счет большей организации и межсубъединичных взаимодействий. Это вращение башенных спиралей приводит к повороту двух субъединиц на 10 ° относительно друг друга и, что более важно, нарушает остатки 282-286 (петля 280s), которые блокируют доступ к каталитическому сайту в Т-состоянии, но не в состояние R.[6]

Последний, возможно, самый любопытный участок белка гликогенфосфорилазы - это так называемый участок хранения гликогена. Остатки 397-437 образуют эту структуру, которая позволяет белку ковалентно связываться с цепью гликогена на полных 30 Å от каталитического сайта. Этот сайт, скорее всего, является сайтом, в котором фермент связывается с гранулами гликогена перед инициацией расщепления концевых молекул глюкозы. Фактически, 70% димерной фосфорилазы в клетке существует как связанная с гранулами гликогена, а не свободно плавающая.[9]

Клиническое значение

фосфорилаза, гликоген; мышца (синдром Макардла, болезнь накопления гликогена V типа)
Идентификаторы
СимволPYGM
Ген NCBI5837
HGNC9726
OMIM608455
RefSeqNM_005609
UniProtP11217
Прочие данные
Номер ЕС2.4.1.1
LocusChr. 11 q12-q13.2
фосфорилаза, гликоген; печень (болезнь Херса, болезнь накопления гликогена VI типа)
Идентификаторы
СимволPYGL
Ген NCBI5836
HGNC9725
OMIM232700
RefSeqNM_002863
UniProtP06737
Прочие данные
Номер ЕС2.4.1.1
LocusChr. 14 q11.2-24.3
фосфорилаза, гликоген; мозг
Идентификаторы
СимволPYGB
Ген NCBI5834
HGNC9723
OMIM138550
RefSeqNM_002862
UniProtP11216
Прочие данные
Номер ЕС2.4.1.1
LocusChr. 20 п11.2-п11.1

Ингибирование гликогенфосфорилазы было предложено в качестве одного из методов лечения диабет 2 типа.[10] Поскольку было показано, что производство глюкозы в печени увеличивается у пациентов с диабетом 2 типа,[11] подавление высвобождения глюкозы из запасов гликогена в печени, по-видимому, является действенным подходом. Клонирование гликогенфосфорилазы печени человека (HLGP) выявило новый аллостерический сайт связывания рядом с интерфейсом субъединиц, который не присутствует в гликогенфосфорилазе мышц кролика (RMGP), обычно используемой в исследованиях. Этот сайт не был чувствителен к тем же ингибиторам, что и аллостерический сайт AMP,[12] и наибольший успех был достигнут при синтезе новых ингибиторов, имитирующих структуру глюкозы, поскольку глюкозо-6-фосфат является известным ингибитором HLGP и стабилизирует менее активное Т-состояние.[13] Эти производные глюкозы имели некоторый успех в ингибировании HLGP с прогнозируемыми значениями Ki всего 0,016 мМ.[14]

Мутации в мышечной изоформе гликогенфосфорилазы (PYGM) связаны с болезнь накопления гликогена типа V (GSD V, болезнь Макардла). На сегодняшний день идентифицировано более 65 мутаций в гене PYGM, которые приводят к болезни Макардла.[15][16] Симптомы болезни Макардла включают мышечную слабость, миалгия и недостаток выносливости, все проистекающие из низкого уровня глюкозы в мышечной ткани.[17]

Мутации в изоформе гликогенфосфорилазы (PYGL) печени связаны с Ее болезнь (болезнь накопления гликогена типа VI ).[18][19] Ее болезнь часто сопровождается легкими симптомами, обычно ограниченными гипогликемия, и иногда его трудно диагностировать из-за остаточной активности ферментов.[20]

Изоформа гликогенфосфорилазы (PYGB) мозга была предложена в качестве биомаркер для рак желудка.[21]

Регулирование

Гликогенфосфорилаза регулируется через аллостерический контроль и через фосфорилирование. Каждая из фосфорилазы а и фосфорилазы b существует в двух формах: Т (напряженное) неактивное состояние и R (расслабленное) состояние. Фосфорилаза b обычно находится в состоянии T, неактивна из-за физиологического присутствия АТФ и глюкозо-6 фосфата, а фосфорилаза a обычно находится в состоянии R (активна). Изофермент гликогенфосфорилазы существует в печени, чувствительной к концентрации глюкозы, так как печень действует как экспортер глюкозы. По сути, фосфорилаза печени реагирует на глюкозу, что вызывает очень чувствительный переход от R к T-форме, инактивируя ее; кроме того, фосфорилаза печени нечувствительна к АМФ.

Гормоны, такие как адреналин, инсулин и глюкагон регулируют гликогенфосфорилазу с помощью систем амплификации второго мессенджера, связанных с G белки. Глюкагон активирует аденилатциклазу через G-белок-связанный рецептор (GPCR) в сочетании с гs что, в свою очередь, активирует аденилатциклаза для увеличения внутриклеточной концентрации цАМФ. цАМФ связывается и активирует протеинкиназа А (ПКА). Фосфорилаты PKA фосфорилаза киназа, которая, в свою очередь, фосфорилирует гликогенфосфорилазу b по Ser14, превращая ее в активную гликогенфосфорилазу a.

В печени, глюкагон также активирует другой GPCR, который запускает другой каскад, что приводит к активации фосфолипазы C (PLC). PLC косвенно вызывает высвобождение кальция из эндоплазматического ретикулума гепатоцитов в цитозоль. Повышенная доступность кальция связывается с кальмодулин субъединица и активирует киназу гликогенфосфорилазы. Киназа гликогенфосфорилазы активирует гликогенфосфорилазу таким же образом, как упоминалось ранее.

Гликогенфосфорилаза b не всегда неактивна в мышцах, поскольку она может аллостерически активироваться AMP. Повышение концентрации АМФ во время физических упражнений сигнализирует о потребности в энергии. АМФ активирует гликогенфосфорилазу b, изменяя ее конформацию с напряженной на расслабленную. Эта расслабленная форма имеет такие же ферментативные свойства, что и фосфорилированный фермент. Повышение концентрации АТФ препятствует этой активации, вытесняя АМФ из сайта связывания нуклеотидов, что указывает на наличие достаточных запасов энергии.

После еды происходит высвобождение инсулин, сигнализирующий о наличии глюкозы в крови. Инсулин косвенно активирует протеинфосфатаза 1 (PP1) и фосфодиэстераза через каскад передачи сигнала. PP1 дефосфорилирует гликогенфосфорилазу a, реформируя неактивную гликогенфосфорилазу b. Фосфодиэстераза превращает цАМФ в АМФ. Вместе они снижают концентрацию цАМФ и ингибируют ПКА. В результате PKA больше не может инициировать каскад фосфорилирования, который заканчивается образованием (активной) гликогенфосфорилазы a. В целом, передача сигналов инсулина снижает гликогенолиз, чтобы сохранить запасы гликогена в клетке и запускает гликогенез.[22]

Историческое значение

Гликогенфосфорилаза была первым открытым аллостерическим ферментом.[8] Он был изолирован, а его деятельность подробно охарактеризована Карл Ф. Кори, Герхард Шмидт и Герти Т. Кори.[23][24]Арда Грин и Герти Кори кристаллизовал его впервые в 1943 г. [25] и проиллюстрировал, что гликогенфосфорилаза существует либо в форме a, либо в форме b в зависимости от ее состояния фосфорилирования, а также в состояниях R или T в зависимости от присутствия AMP.[26]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ PDB: 3E3N​
  2. ^ а б Ливанова Н.Б., Чеботарева Н.А., Еронина Т.Б., Курганов Б.И. (октябрь 2002 г.). «Пиридоксаль-5'-фосфат как каталитический и конформационный кофактор мышечной гликогенфосфорилазы B». Биохимия. Биохимия. 67 (10): 1089–98. Дои:10.1023 / А: 1020978825802. PMID  12460107. S2CID  12036788.
  3. ^ Palm D, Klein HW, Schinzel R, Buehner M, Helmreich EJ (февраль 1990 г.). «Роль пиридоксаль-5'-фосфата в катализе гликогенфосфорилазы». Биохимия. 29 (5): 1099–107. Дои:10.1021 / bi00457a001. PMID  2182117.
  4. ^ Браунер М.Ф., Флеттерик Р.Дж. (февраль 1992 г.). «Фосфорилаза: биологический преобразователь». Тенденции в биохимических науках. 17 (2): 66–71. Дои:10.1016/0968-0004(92)90504-3. PMID  1566331.
  5. ^ Дэвид ES, Crerar MM (январь 1986 г.). «Количественное определение мРНК мышечной гликогенфосфорилазы и количества ферментов в тканях взрослых крыс». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Общие предметы. 880 (1): 78–90. Дои:10.1016/0304-4165(86)90122-4. PMID  3510670.
  6. ^ а б Джонсон Л.Н. (март 1992 г.). «Гликогенфосфорилаза: контроль за счет фосфорилирования и аллостерических эффекторов». Журнал FASEB. 6 (6): 2274–82. Дои:10.1096 / fasebj.6.6.1544539. PMID  1544539. S2CID  25954545.
  7. ^ Ньюгард С.Б., Хван П.К., Флеттерик Р.Дж. (1989). «Семейство гликогенфосфорилаз: структура и функции». Критические обзоры по биохимии и молекулярной биологии. 24 (1): 69–99. Дои:10.3109/10409238909082552. PMID  2667896.
  8. ^ а б Джонсон Л.Н., Барфорд Д. (февраль 1990 г.). «Гликогенфосфорилаза. Структурная основа аллостерического ответа и сравнение с другими аллостерическими белками». Журнал биологической химии. 265 (5): 2409–12. PMID  2137445.
  9. ^ Мейер Ф., Хейльмейер Л. М., Хашке Р. Х., Фишер Э. Х. (декабрь 1970 г.). «Контроль активности фосфорилазы в частице мышечного гликогена. I. Выделение и характеристика комплекса белок-гликоген». Журнал биологической химии. 245 (24): 6642–8. PMID  4320610.
  10. ^ Сомсак Л., Нагья В., Хадади З., Докса Т., Гергей П. (2003). «Аналоги глюкозы, ингибиторы гликогенфосфорилаз как потенциальные противодиабетические средства: последние разработки». Текущий фармацевтический дизайн. 9 (15): 1177–89. Дои:10.2174/1381612033454919. PMID  12769745.
  11. ^ Моллер Д.Е. (декабрь 2001 г.). «Новые лекарственные мишени для лечения диабета 2 типа и метаболического синдрома». Природа. 414 (6865): 821–7. Bibcode:2001Натура.414..821М. Дои:10.1038 / 414821a. PMID  11742415. S2CID  4426975.
  12. ^ Coats WS, Browner MF, Fletterick RJ, Newgard CB (август 1991 г.). "Сконструированная гликогенфосфорилаза печени с аллостерической активацией AMP". Журнал биологической химии. 266 (24): 16113–9. PMID  1874749.
  13. ^ Oikonomakos NG, Kontou M, Zographos SE, Tsitoura HS, Johnson LN, Watson KA и др. (Июль 1994). «Дизайн потенциальных противодиабетических препаратов: экспериментальное исследование ряда ингибиторов гликогенфосфорилазы аналога бета-D-глюкозы». Европейский журнал метаболизма и фармакокинетики лекарственных средств. 19 (3): 185–92. Дои:10.1007 / BF03188920. PMID  7867660. S2CID  11168623.
  14. ^ Hopfinger AJ, Reaka A, Venkatarangan P, Duca JS, Wang S (сентябрь 1999 г.). «Прогнозирование свободной энергии связывания лиганд-рецептор с помощью анализа 4D-QSAR: применение к набору аналогов глюкозных ингибиторов гликогенфосфорилазы». Журнал химической информации и компьютерных наук. 39 (6): 1141–1150. Дои:10.1021 / ci9900332.
  15. ^ Ногалес-Гадеа Дж., Аренас Дж., Андреу А.Л. (январь 2007 г.). «Молекулярная генетика болезни Макардла». Текущие отчеты по неврологии и неврологии. 7 (1): 84–92. Дои:10.1007 / s11910-007-0026-2. PMID  17217859. S2CID  39626196.
  16. ^ Андреу А.Л., Ногалес-Гадеа Дж., Кассандрини Д., Аренас Дж., Бруно С. (июль 2007 г.). «Болезнь Макардла: обновление молекулярной генетики». Acta Myologica. 26 (1): 53–7. ЧВК  2949323. PMID  17915571.
  17. ^ Грюнфельд Дж. П., Ганеваль Д., Чанард Дж., Фардо М., Дрейфус Дж. К. (июнь 1972 г.). «Острая почечная недостаточность при болезни Макардла. Сообщение о двух случаях». Медицинский журнал Новой Англии. 286 (23): 1237–41. Дои:10.1056 / NEJM197206082862304. PMID  4502558.
  18. ^ Бурвинкель Б., Баккер Х.Д., Гершковиц Э., Мозес С.В., Шин Ю.С., Килиманн М.В. (апрель 1998 г.). «Мутации в гене гликогенфосфорилазы печени (PYGL), лежащие в основе гликогеноза VI типа». Американский журнал генетики человека. 62 (4): 785–91. Дои:10.1086/301790. ЧВК  1377030. PMID  9529348.
  19. ^ Чанг С., Розенберг М.Дж., Мортон Х., Франкомано, Калифорния, Бизекер Л.Г. (май 1998 г.). «Идентификация мутации гликогенфосфорилазы печени при болезни накопления гликогена VI типа». Молекулярная генетика человека. 7 (5): 865–70. Дои:10,1093 / чмг / 7,5,865. PMID  9536091.
  20. ^ Тан Н.Л., Хуэй Дж., Янг Э., Уортингтон В., То К.Ф., Чунг К.Л. и др. (Июнь 2003 г.). «Новая мутация (G233D) в гене гликогенфосфорилазы у пациента с болезнью накопления гликогена в печени и остаточной ферментативной активностью». Молекулярная генетика и метаболизм. 79 (2): 142–5. Дои:10.1016 / S1096-7192 (03) 00068-4. PMID  12809646.
  21. ^ Шимада С., Мацузаки Х., Маруцука Т., Сиомори К., Огава М. (июль 2001 г.). «Желудочные и кишечные фенотипы карциномы желудка со ссылкой на экспрессию гликогенфосфорилазы головного (фетального) типа». Журнал гастроэнтерологии. 36 (7): 457–64. Дои:10.1007 / s005350170068. PMID  11480789. S2CID  25602637.
  22. ^ Alemany S, Pelech S, Brierley CH, Cohen P (апрель 1986). «Протеиновые фосфатазы, участвующие в клеточной регуляции. Доказательства того, что дефосфорилирование гликогенфосфорилазы и гликогенсинтазы в гликогеновой и микросомальной фракциях печени крысы катализируется одним и тем же ферментом: протеинфосфатазой-1». Европейский журнал биохимии. 156 (1): 101–10. Дои:10.1111 / j.1432-1033.1986.tb09554.x. PMID  3007140.
  23. ^ Кори CF, Шмидт G, Кори GT (май 1939 г.). «Синтез полисахарида из глюкозо-1-фосфата в мышечном экстракте». Наука. 89 (2316): 464–5. Bibcode:1939Sci .... 89..464C. Дои:10.1126 / наука.89.2316.464. PMID  17731092.
  24. ^ Cori GT, Cori CF (июль 1940 г.). «Кинетика ферментативного синтеза гликогена из глюкозо-1-фосфата». Журнал биологической химии. 135: 733–756.
  25. ^ Грин AA, Cori GT (7 июля 1943 г.). «Кристаллическая мышечная фосфорилаза I. Получение, свойства и молекулярный вес». Журнал биологической химии. 151: 21–29.
  26. ^ Cori GT, Green AA (июль 1943 г.). «Кристаллическая мышечная фосфорилаза II простетической группы». Журнал биологической химии. 151 (1): 21–29.

дальнейшее чтение

внешние ссылки