Enzym rozgałęziający glikogen
| Identyfikatory | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| AGL | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| , GDE, amylo-alfa-1, 6-glukozydaza, 4-alfa-glukanotransferaza | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Identyfikatory zewnętrzne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wikidane | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 4-α-glukanotransferazy | |||||||||
| nr WE | 2.4.1.25 | ||||||||
| nr CAS | 9032-09-1 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| amylo-α-1,6-glukozydazy | |||||||||
| nr WE | 3.2.1.33 | ||||||||
| nr CAS | 9012-47-9 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Enzym usuwający rozgałęzienia to cząsteczka, która ułatwia rozkład glikogenu , który służy jako magazyn glukozy w organizmie, poprzez aktywność glukozylotransferazy i glukozydazy . Wraz z fosforylazami enzymy usuwające rozgałęzienia mobilizują rezerwy glukozy ze złogów glikogenu w mięśniach i wątrobie. Stanowi to główne źródło rezerw energii w większości organizmów. Rozpad glikogenu jest silnie regulowany w organizmie, zwłaszcza w wątrobie , przez różne hormony, w tym insulinę i glukagon , aby utrzymać równowagę homeostatyczną poziomu glukozy we krwi. Kiedy rozpad glikogenu jest zagrożony przez mutacje w enzymie rozgałęziającym glikogen, mogą wystąpić choroby metaboliczne, takie jak choroba spichrzeniowa glikogenu typu III .
Glukozylotransferaza i glukozydaza są wykonywane przez pojedynczy enzym u ssaków, drożdży i niektórych bakterii, ale przez dwa różne enzymy u E. coli i innych bakterii, co komplikuje nazewnictwo. Białka, które katalizują obie funkcje, nazywane są enzymami usuwającymi rozgałęzienia glikogenu (GDE). Gdy glukozylotransferaza i glukozydaza są katalizowane przez różne enzymy, „enzym rozgałęziający glikogen” zwykle odnosi się do enzymu glukozydazy . W niektórych literaturach enzym zdolny tylko do glukozydazy jest określany jako „enzym usuwający rozgałęzienia”.
Funkcjonować
Wraz z fosforylazą enzymy usuwające rozgałęzienia glikogenu działają w rozkładzie glikogenu i mobilizacji glukozy. Kiedy fosforylaza strawi gałąź glikogenu do czterech reszt glukozy, nie usunie dalszych reszt. Enzymy usuwające rozgałęzienia glikogenu wspomagają fosforylazę, główny enzym zaangażowany w rozkład glikogenu , w mobilizacji zapasów glikogenu. Fosforylaza może tylko rozszczepiać wiązanie α-1,4-glikozydowe między sąsiednimi cząsteczkami glukozy w glikogenie, ale rozgałęzienia istnieją również jako wiązania α-1,6. Kiedy fosforylaza osiągnie cztery reszty od punktu rozgałęzienia, przestaje się rozszczepiać; ponieważ 1 na 10 reszt jest rozgałęziona, rozszczepienie przez samą fosforylazę nie byłoby wystarczające do mobilizacji zapasów glikogenu. Zanim fosforylaza może wznowić katabolizm, enzymy rozgałęziające pełnią dwie funkcje:
- 4-α-D-glukanotransferaza ( EC 2.4.1.25 ) lub glukozylotransferaza przenosi trzy reszty glukozy z czteroresztowej gałęzi glikogenu do pobliskiej gałęzi. To odsłania pojedynczą resztę glukozy połączoną z łańcuchem glukozy poprzez wiązanie α-1,6-glikozydowe
- Amylo-α-1,6-glukozydaza ( EC 3.2.1.33 ) lub glukozydaza rozszczepia pozostałe wiązanie alfa-1,6, wytwarzając glukozę i liniowy łańcuch glikogenu. Mechanizm, za pomocą którego glukozydaza rozszczepia wiązanie α-1,6, nie jest w pełni poznany, ponieważ aminokwasy w miejscu aktywnym nie zostały jeszcze zidentyfikowane. Uważa się, że przebiega przez dwuetapowy mechanizm typu wspomagania kwasowo-zasadowego, z oksokarbeniowym i zachowaniem konfiguracji w glukozie. Jest to powszechna metoda rozszczepiania wiązań, z kwasem poniżej miejsca hydroliza w celu użyczenia protonu i zasady powyżej w celu odprotynowania wody, która może następnie działać jako nukleofil . Te kwasy i zasady są łańcuchami bocznymi aminokwasów w miejscu aktywnym enzymu. Schemat mechanizmu pokazano na poniższym rysunku.
W ten sposób enzymy usuwające rozgałęzienia, transferaza i α-1,6-glukozydaza przekształcają rozgałęzioną strukturę glikogenu w strukturę liniową, torując drogę do dalszego rozszczepienia przez fosforylazę.
Struktura i działanie
Dwa enzymy
W E. coli i innych bakteriach funkcje glukozylotransferazy i glukozydazy są wykonywane przez dwa różne enzymy. W E. coli transfer glukozy jest przeprowadzany przez 4-alfa-glukanotransferazę, białko o masie cząsteczkowej 78,5 kDa kodowane przez gen malQ. Drugie białko, określane jako enzym usuwający rozgałęzienia, przeprowadza rozszczepianie α-1,6-glukozy. Enzym ten ma masę cząsteczkową 73,6 kDa i jest kodowany przez gen glgX. Aktywność tych dwóch enzymów nie zawsze musi być sprzężona. W E. coli glgX selektywnie katalizuje rozszczepianie 4-podjednostek rozgałęzień, bez działania glukanotransferazy. Produkt tego rozszczepienia, maltotetraoza , jest dalej rozkładana przez fosforylazę maltodekstryny.
E. coli GlgX jest strukturalnie podobna do izoamylazy białkowej . Białko monomeryczne zawiera domenę centralną, w której osiem równoległych nici beta jest otoczonych ośmioma równoległymi niciami alfa. Godny uwagi w tej strukturze jest rowek o długości 26 angstremów i szerokości 9 angstremów, zawierający reszty aromatyczne, o których uważa się, że stabilizują czteroglukozową gałąź przed rozszczepieniem.
Enzym degradujący glikogen z archeonów Sulfolobus solfataricus , treX, stanowi interesujący przykład wykorzystania pojedynczego miejsca aktywnego do dwóch aktywności: aktywności amylozydazy i glukanotransferazy. TreX jest strukturalnie podobny do glgX i ma masę 80 kD i jedno miejsce aktywne. Jednak w przeciwieństwie do glgX, treX istnieje jako dimer i tetramer w roztworze. Wydaje się, że forma oligomeryczna TreX odgrywa znaczącą rolę w zmianie zarówno kształtu, jak i funkcji enzymu. Uważa się, że dimeryzacja stabilizuje „elastyczną pętlę” zlokalizowaną blisko miejsca aktywnego. Może to być kluczem do wyjaśnienia, dlaczego treX (a nie glgX) wykazuje aktywność glukozylotransferazy. Jako tetramer, wydajność katalityczna treX jest zwiększona czterokrotnie w stosunku do jego formy dimerycznej.
Jeden enzym z dwoma miejscami katalitycznymi
U ssaków i drożdży pojedynczy enzym spełnia obie funkcje usuwania rozgałęzień. Ludzki enzym rozgałęziający glikogen (gen: AGL) jest monomerem o masie cząsteczkowej 175 kDa. Wykazano, że dwa katalityczne działania AGL mogą działać niezależnie od siebie, co pokazuje, że obecnych jest wiele miejsc aktywnych. Pomysł ten został wzmocniony inhibitorami miejsca aktywnego, takimi jak polihydroksyamina, które, jak stwierdzono, hamują aktywność glukozydazy, podczas gdy aktywność transferazy nie uległa wymiernej zmianie. Enzym rozgałęziający glikogen jest jedynym znanym enzymem eukariotycznym, który zawiera wiele miejsc katalitycznych i jest aktywny jako monomer.
Niektóre badania wykazały, że C-końcowa połowa GDE drożdży jest związana z aktywnością glukozydazy, podczas gdy N-końcowa połowa jest związana z aktywnością glukozylotransferazy. Oprócz tych dwóch miejsc aktywnych wydaje się, że AGL zawiera trzecie miejsce aktywne, które umożliwia mu wiązanie się z polimerem glikogenu. Uważa się, że wiąże się z sześcioma cząsteczkami glukozy w łańcuchu, jak również z rozgałęzioną glukozą, odpowiadając w ten sposób 7 podjednostkom w miejscu aktywnym, jak pokazano na poniższym rysunku.
Opisano strukturę Candida glabrata GDE. Struktura ujawniła, że różne domeny w GDE kodują aktywność glukanotransferazy i glukozydazy. Ich katalizatory są podobne do odpowiednio alfa-amylazy i glukoamylazy. Ich miejsca aktywne są selektywne w stosunku do odpowiednich substratów, zapewniając odpowiednią aktywację GDE. Oprócz miejsc aktywnych GDE ma dodatkowe miejsca wiązania glikogenu, które są ważne dla jego rekrutacji do glikogenu. Mapowanie mutacji powodujących chorobę na strukturę GDE dostarczyło informacji na temat choroby spichrzeniowej glikogenu typu III.
Lokalizacja genetyczna
Oficjalna nazwa genu to „amylo-α-1,6-glukozydaza, 4-α-glukanotransferaza”, z oficjalnym symbolem AGL. AGL jest genem autosomalnym znajdującym się na chromosomie lp21. Gen AGL zawiera instrukcje tworzenia kilku różnych wersji, zwanych izoformami, enzymu usuwającego rozgałęzienia glikogenu. Te izoformy różnią się wielkością i ulegają ekspresji w różnych tkankach, takich jak wątroba i mięśnie. Ten gen został szczegółowo zbadany, ponieważ mutacja w tym genie jest przyczyną choroby spichrzeniowej glikogenu typu III. Gen ma długość 85 kb i 35 eksonów i koduje mRNA o wielkości 7,0 kb. Translacja genu rozpoczyna się w eksonie 3, który koduje pierwsze 27 aminokwasów genu AGL, ponieważ pierwsze dwa eksony (68 kb) zawierają nieulegający translacji region 5'. Eksony 4-35 kodują pozostałe 1505 aminokwasów genu AGL. Badania przeprowadzone przez wydział pediatrii na Duke University sugerują, że ludzki gen AGL zawiera co najmniej 2 regiony promotorowe, miejsca, w których rozpoczyna się transkrypcja genu, co skutkuje zróżnicowaną ekspresją izoformy, różnych form tego samego białka, mRNA w sposób, który jest specyficzny dla różnych tkanek.
Znaczenie kliniczne
Kiedy aktywność GDE jest zagrożona, organizm nie może skutecznie uwolnić zmagazynowanego glikogenu, może dojść do choroby magazynowania glikogenu typu III (niedobór debranchera), zaburzenia autosomalnego recesywnego. W GSD III rozkład glikogenu jest niepełny i dochodzi do gromadzenia nieprawidłowego glikogenu z krótkimi zewnętrznymi rozgałęzieniami.
Większość pacjentów wykazuje niedobór GDE zarówno w wątrobie, jak iw mięśniach (typ IIIa), chociaż u 15% pacjentów zachowano GDE w mięśniach, podczas gdy nie było go w wątrobie (typ IIIb). W zależności od mutacji , różne mutacje w genie AGL mogą wpływać na różne izoformy ekspresji genu . Na przykład mutacje, które występują w eksonie 3, wpływają na postać, która wpływa na izoformę , która jest głównie wyrażana w wątrobie; prowadziłoby to do GSD typu III.
Te różne objawy powodują różnorodne objawy, które mogą być prawie nie do odróżnienia od GSD typu I, w tym hepatomegalię , hipoglikemię u dzieci, niski wzrost, miopatię i kardiomiopatię . Pacjenci z typem IIIa często wykazują objawy związane z chorobą wątroby i postępującym zajęciem mięśni, z różnicami spowodowanymi wiekiem zachorowania, szybkością postępu choroby i ciężkością. Pacjenci z typem IIIb mają na ogół objawy związane z chorobą wątroby. Pacjenci typu III wyróżniają się podwyższoną aktywnością enzymów wątrobowych, z prawidłowym kwasem moczowym i poziomy mleczanu we krwi, różniące się od innych form GSD. U pacjentów z zajęciem mięśni typu IIIa osłabienie mięśni staje się dominujące w wieku dorosłym i może prowadzić do przerostu komór i zaniku mięśni dystalnych.
Linki zewnętrzne
- Wpis GeneReviews/NCBI/NIH/UW dotyczący choroby magazynowania glikogenu typu III
- Wpisy OMIM dotyczące choroby spichrzeniowej glikogenu typu III
- Glikogen + debranching + enzym w US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)
