УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза | |||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Идентификаторы | |||||||||
Номер ЕС | 2.7.7.9 | ||||||||
Номер CAS | 9026-22-6 | ||||||||
Базы данных | |||||||||
ИнтЭнз | IntEnz вид | ||||||||
БРЕНДА | запись BRENDA | ||||||||
ExPASy | NiceZyme вид | ||||||||
КЕГГ | запись KEGG | ||||||||
МетаЦик | метаболический путь | ||||||||
ПРИАМ | профиль | ||||||||
Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
Генная онтология | AmiGO / QuickGO | ||||||||
|
УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза, также известная как глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза (или УДФ–глюкозопирофосфорилаза ) — фермент, участвующий в углеводном обмене . Он синтезирует УДФ-глюкозу из глюкозо-1-фосфата и УТФ ; т.е.
UTP — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза — это фермент, обнаруженный во всех трех доменах ( бактерии , эукариоты и археи ), поскольку он играет ключевую роль в гликогенезе и синтезе клеточной стенки . Его роль в метаболизме сахара была тщательно изучена на растениях с целью понимания роста растений и увеличения сельскохозяйственного производства. Недавно была изучена и кристаллизована человеческая UTP — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза, что выявило другой тип регуляции, чем у других ранее изученных организмов. Его значение вытекает из многочисленных применений UDP-глюкозы, включая метаболизм галактозы , синтез гликогена , синтез гликопротеина и синтез гликолипидов . [1] [2]
Структура UTP — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансферазы существенно различается у прокариот и эукариот , но у эукариот первичная, вторичная и третичная структуры фермента довольно консервативны. [3] У многих видов UTP — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза встречается в виде гомополимера, состоящего из идентичных субъединиц в симметричной четвертичной структуре. [4] [5] Количество субъединиц варьируется в зависимости от вида: например, у Escherichia coli фермент встречается в виде тетрамера, тогда как у Burkholderia xenovorans фермент является димерным. [5] [6] У людей и дрожжей фермент активен в виде октамера, состоящего из двух тетрамеров, уложенных друг на друга, с консервативными гидрофобными остатками на границах между субъединицами. [7] [8] Напротив, фермент в растениях имеет сохраненные заряженные остатки, образующие интерфейс между субъединицами.
У людей каждая субъединица фермента содержит несколько остатков (L113, N251 и N328), которые высококонсервативны у эукариот. Мотив складки Россмана участвует в связывании нуклеотида UTP , а домен связывания сахара (остатки T286–G293) координируется с кольцом глюкозы. [9] Миссенс -мутация (G115D) в области фермента, содержащей активный сайт (который консервативен у эукариот), вызывает резкое снижение ферментативной активности in vitro. [10]
Гены человека, кодирующие белки с активностью уридилилтрансферазы УТФ-глюкозо-1-фосфата, включают две изоформы с молекулярными массами 56,9 и 55,7 кДа соответственно. [11]
|
|
UTP — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза повсеместно распространена в природе из-за ее важной роли в образовании UDP-глюкозы , центрального соединения в метаболизме углеводов. В листьях растений UTP — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза является ключевой частью пути биосинтеза сахарозы , поставляя уридиндифосфатглюкозу в сахарозо-фосфатсинтазу , которая преобразует UDP-глюкозу и D- фруктозо-6-фосфат в сахарозо-6-фосфат. [12] Она также может частично отвечать за расщепление сахарозы в других тканях с использованием UDP-глюкозы.
У высших животных фермент высокоактивен в тканях, участвующих в гликогенезе , включая печень и мышцы . [13] Исключением является мозг , в котором высокий уровень гликогена , но низкая удельная активность УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансферазы. [14] В клетках животных УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза обнаруживается преимущественно в цитоплазме.
УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза также необходима для метаболизма галактозы у животных и микроорганизмов. В метаболизме галактозы фермент галактозо-1-фосфат уридилилтрансфераза переносит фосфат из УДФ-глюкозы в галактозо-1-фосфат для получения УДФ-галактозы, которая затем преобразуется в УДФ-глюкозу. [15] Бактерии с дефектной УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансферазой не способны включать галактозу в свои клеточные стенки. [16]
В первичной реакции этого фермента фосфатная группа на глюкозо-1-фосфате заменяет фосфоангидридную связь на UTP. Эта реакция легко обратима, и свободная энергия Гиббса близка к нулю. Однако в типичных клеточных условиях неорганическая пирофосфатаза быстро гидролизует пирофосфатный продукт и продвигает реакцию вперед по принципу Ле Шателье .
УТФ — глюкозо-1-фосфатуридилилтрансфераза использует упорядоченный последовательный механизм Bi Bi как для прямой, так и для обратной реакции. [17] У дрожжей фермент следует простой кинетике Михаэлиса-Ментен и не проявляет кооперативности между субъединицами в октамере. [8]
Подобно другим сахарным нуклеотидилтрансферазам , активность уридилилтрансферазы UTP-глюкозо-1-фосфат требует двух двухвалентных катионов для стабилизации связывания отрицательно заряженных фосфатных групп. [18] Обычно в этой роли выступает магний , но другие ионы, такие как марганец (II), кобальт (II) и никель (II), также могут замещать его с ~75% снижением оптимальной активности. [19] Эксперименты по рентгеновской кристаллографии показали, что один ион Mg2 + координируется фосфорильным кислородом на глюкозо-1-фосфате и α-фосфорильным кислородом на UTP. [5] В дополнение к стабилизации отрицательно заряженных фосфатов, Mg2 +, как полагают, ориентирует глюкозо-1-фосфат для нуклеофильной атаки α-фосфора UTP. [20]
Несмотря на функциональное сходство у разных видов, УДФ-глюкозопирофосфорилаза имеет разные структуры и механизмы регуляции у разных организмов.
У дрожжей УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза регулируется фосфорилированием PAS-киназой . [21] Это фосфорилирование обратимо и контролирует распределение потока сахара в сторону синтеза гликогена и клеточной стенки.
УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза в растениях регулируется посредством олигомеризации и, возможно, фосфорилирования . [22] В ячмене было показано, что УДФ-глюкозопирофосфорилаза активна только в мономерной форме, но легко образует олигомеры , что предполагает, что олигомеризация может быть формой регуляции фермента. В рисе холодовой стресс снижает N- гликозилирование фермента, что, как полагают, изменяет активность фермента в ответ на холод. [23]
В Arabidopsis есть два изофермента UTP — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансферазы: UGP1 и UGP2. [24] Эти два изофермента имеют почти идентичную активность и отличаются только 32 аминокислотами, все из которых расположены на внешней поверхности белка вдали от активного центра. Эти незначительные различия могут позволить дифференциальную аллостерическую регуляцию активности изоферментов. UGP1 и UGP2 дифференциально экспрессируются в разных частях растения. Экспрессия UGP1 широко экспрессируется в большинстве тканей, в то время как UGP2 экспрессируется в основном в цветах, что предполагает, что UGP1 является основной формой фермента, а UGP2 выполняет вспомогательную функцию. Действительно, экспрессия UGP2 увеличивается в ответ на стрессоры, такие как дефицит фосфата, что указывает на то, что UGP2, вероятно, функционирует как резервная копия UGP1, когда растение находится в условиях экологического стресса.
Контроль активности UTP—глюкозо-1-фосфат уридилилтрансферазы в первую очередь достигается генетическими средствами (т. е. регуляцией транскрипции и трансляции ). Подобно большинству ферментов, UTP—глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза ингибируется своим продуктом, UDP-глюкозой. Однако фермент не подвергается значительной аллостерической регуляции , что логично, учитывая широкое использование UDP-глюкозы в различных метаболических путях.
У людей UDP-глюкозопирофосфорилаза активна в виде октамера. [7] Активность фермента также изменяется при O- гликозилировании . [25] Подобно другим видам млекопитающих, у людей существуют две различные изоформы, которые производятся путем альтернативного сплайсинга гена. [3] [11] [26] Изоформы отличаются только 11 аминокислотами на N-конце, и существенных различий в их функциональной активности не выявлено.
У людей галактоземия — это расстройство, которое влияет на развитие новорожденных и детей, поскольку они не могут правильно метаболизировать сахар галактозу . Предполагается, что повышенная экспрессия UDP-глюкозопирофосфорилазы может облегчить симптомы у людей с галактоземией. [27]
В раковых клетках, которые обычно имеют высокие показатели гликолиза и сниженное содержание гликогена , активность УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансферазы часто снижается на 50-60% по сравнению с нормальными клетками. [28] Аномально низкая активность УТФ — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансферазы обусловлена снижением уровня фермента и снижением активности других ферментов в гликогенном пути, включая гликогенсинтазу и фосфоглюкомутазу .
Было обнаружено, что UTP — глюкозо-1-фосфат уридилилтрансфераза является важным фактором вирулентности у различных патогенов, включая бактерии и простейшие. [29] [30] Например, было обнаружено, что фермент необходим для биосинтеза капсульного полисахарида, важного фактора вирулентности Streptococcus pneumoniae , бактериальной причины пневмонии, бронхита и других проблем с дыханием. [31] В результате фермент привлек внимание как потенциальная цель для фармацевтических препаратов. Однако для достижения специфичности препараты должны быть разработаны так, чтобы специально нацеливаться на аллостерические сайты на поверхности белка, поскольку активный сайт высококонсервативен у разных видов. [3]
Недавно было обнаружено, что UDP-глюкозопирофосфорилаза ( UGP2 ) участвует в новом нейроразвивающем расстройстве у людей, известном как [32], также называемом синдромом Бараката-Перенталера . [33] Это расстройство было впервые описано у 22 человек из 15 семей, проявляясь тяжелой эпилептической энцефалопатией, задержкой нейроразвития с отсутствием практически всех этапов развития, трудноизлечимыми припадками, прогрессирующей микроцефалией, нарушением зрения и аналогичными незначительными дисморфизмами. Баракат и коллеги выявили повторяющуюся гомозиготную мутацию у всех затронутых людей (chr2:64083454A > G), которая мутирует в месте начала трансляции более короткой изоформы белка UGP2. Следовательно, более короткая изоформа белка больше не может вырабатываться у пациентов, имеющих гомозиготную мутацию. Функциональные исследования той же группы показали, что короткая изоформа белка обычно преимущественно экспрессируется в мозге человека. Таким образом, повторяющаяся мутация приводит к тканеспецифическому отсутствию UGP2 в мозге, что приводит к изменению метаболизма гликогена, повышенной регуляции реакции развернутого белка и преждевременной нейронной дифференцировке. Другие биаллельные мутации потери функции в UGP2, вероятно, летальны, поскольку человеческие эмбриональные стволовые клетки, истощенные как короткими, так и длинными изоформами UGP2, не могут дифференцироваться в кардиомиоциты и клетки крови. Таким образом, идентификация этого нового заболевания также показывает, что специфичные для изоформ мутации start-loss, вызывающие потерю экспрессии тканерелевантной изоформы необходимого белка, могут вызывать генетическое заболевание, даже когда отсутствие белка во всем организме несовместимо с жизнью. Терапии синдрома Бараката-Перенталера в настоящее время не существует.