Гликогенсинтаза
| гликоген (крахмал)синтаза | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Гомотетрамер гликогенсинтазы, Saccharomyces cerevisiae | |||||||||
| Идентификаторы | |||||||||
| Номер ЕС | 2.4.1.11 | ||||||||
| Номер CAS | 9014-56-6 | ||||||||
| 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 | ||||||||
| |||||||||
Гликогенсинтаза ( УДФ-глюкоза-гликогенглюкозилтрансфераза ) является ключевым ферментом в гликогенезе , превращении глюкозы в гликоген . Это гликозилтрансфераза ( КФ 2.4.1.11), которая катализирует реакцию УДФ-глюкозы и (1,4- α - D -глюкозила) n с образованием УДФ и (1,4- α - D -глюкозила) n+1 .
Структура
Было проведено много исследований по деградации гликогена посредством изучения структуры и функции гликогенфосфорилазы , ключевого регуляторного фермента деградации гликогена. [1] С другой стороны, гораздо меньше известно о структуре гликогенсинтазы, ключевого регуляторного фермента синтеза гликогена. Однако кристаллическая структура гликогенсинтазы из Agrobacterium tumefaciens была определена с разрешением 2,3 А. [2] В своей асимметричной форме гликогенсинтаза находится в виде димера, мономеры которого состоят из двух доменов складки Россманна . Это структурное свойство, среди прочего, является общим с родственными ферментами, такими как гликогенфосфорилаза и другие гликозилтрансферазы суперсемейства GT-B. [3] Тем не менее, более поздняя характеристика кристаллической структуры гликогенсинтазы Saccharomyces cerevisiae (дрожжи) показывает, что димеры могут фактически взаимодействовать, образуя тетрамер . В частности, межсубъединичные взаимодействия опосредуются парами спиралей α15/16, образуя аллостерические сайты между субъединицами в одной комбинации димеров и активные сайты между субъединицами в другой комбинации димеров. Поскольку структура эукариотической гликогенсинтазы высококонсервативна среди видов, гликогенсинтаза, вероятно, образует тетрамер и у людей. [4]
Гликогенсинтазу можно разделить на два основных семейства белков. Первое семейство (GT3), которое происходит от млекопитающих и дрожжей, имеет массу около 80 кДа, использует UDP-глюкозу в качестве донора сахара и регулируется фосфорилированием и связыванием лиганда. [5] Второе семейство (GT5), которое происходит от бактерий и растений, имеет массу около 50 кДа, использует ADP-глюкозу в качестве донора сахара и не регулируется. [6]
Механизм
Хотя каталитические механизмы, используемые гликогенсинтазой, недостаточно изучены, структурное сходство с гликогенфосфорилазой в каталитическом и субстратном участках связывания позволяет предположить, что механизм синтеза у гликогенсинтазы и гликогенфосфорилазы схож. [2]
Функция
Гликогенсинтаза катализирует превращение глюкозильной ( Glc) части уридиндифосфатглюкозы (UDP-Glc) в глюкозу для включения в гликоген через α(1→4) гликозидную связь . Однако, поскольку гликогенсинтазе требуется олигосахаридный праймер в качестве акцептора глюкозы, она полагается на гликогенин для инициирования синтеза гликогена de novo . [4]
В недавнем исследовании трансгенных мышей сверхэкспрессия гликогенсинтазы [7] и сверхэкспрессия фосфатазы [8] привели к избыточному уровню запасов гликогена. Это говорит о том, что гликогенсинтаза играет важную биологическую роль в регуляции уровней гликогена/глюкозы и активируется дефосфорилированием.
Изоферменты
У человека существуют два паралогичных изофермента гликогенсинтазы:
| изофермент | распределение тканей | ген |
|---|---|---|
| гликогенсинтаза 1 | мышцы и другие ткани | GYS1 [9] |
| гликогенсинтаза 2 | печень | GYS2 [10] |
Экспрессия печеночных ферментов ограничена печенью, тогда как мышечный фермент широко экспрессируется. Гликоген печени служит хранилищем для поддержания уровня глюкозы в крови во время голодания, тогда как синтез мышечного гликогена отвечает за утилизацию до 90% потребляемой глюкозы. Роль мышечного гликогена заключается в том, чтобы быть резервом для обеспечения энергией во время всплесков активности. [11]
Между тем, мышечный изофермент играет важную роль в клеточном ответе на долгосрочную адаптацию к гипоксии . Примечательно, что гипоксия вызывает только экспрессию мышечного изофермента, а не печеночного. Однако активация мышечно-специфической гликогенсинтазы может привести к избыточному накоплению гликогена, что приводит к повреждению сердца и центральной нервной системы после ишемических инсультов. [12]
|
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Регулирование
Реакция строго регулируется аллостерическими эффекторами, такими как глюкозо-6-фосфат (активатор), и реакциями фосфорилирования (дезактивация). Аллостерическое активирующее действие глюкозо-6-фосфата позволяет гликогенсинтазе работать как сенсор глюкозо-6-фосфата. Инактивирующее фосфорилирование запускается гормоном глюкагоном , который секретируется поджелудочной железой в ответ на снижение уровня глюкозы в крови. Фермент также расщепляет эфирную связь между положением C1 глюкозы и пирофосфатом самого UDP.
Контроль гликогенсинтазы является ключевым шагом в регуляции метаболизма гликогена и запасания глюкозы. Гликогенсинтаза напрямую регулируется гликогенсинтазокиназой 3 (GSK-3), AMPK , протеинкиназой A (PKA) и казеинкиназой 2 (CK2). Каждая из этих протеинкиназ приводит к фосфорилированной и каталитически неактивной гликогенсинтазе. Места фосфорилирования гликогенсинтазы суммированы ниже.
| Имя | Участок фосфорилирования | Киназа | Ссылка(и) |
|---|---|---|---|
| Участок 1а | ПКА | , [13] [14] | |
| Участок 1б | ПКА | , [13] [14] | |
| Участок 2 | Серин 7 | АМПК | , [15] [16] |
| Участок 2а | Серин 10 | СК2 | |
| Участок 3а | Серин 641 | ГСК-3 | [17] |
| Участок 3б | Серин 645 | ГСК-3 | [17] |
| Участок 3с | Серин 649 | ГСК-3 | [17] |
| Сайт 3d | Серин 653 | ГСК-3 | [17] |
| Участок 4 | Серин 727 |
Для ферментов семейства GT3 эти регуляторные киназы инактивируют гликогенсинтазу, фосфорилируя ее на N-конце 25-го остатка и на C-конце 120-го остатка. [2] Гликогенсинтаза также регулируется протеинфосфатазой 1 ( PP1 ), которая активирует гликогенсинтазу посредством дефосфорилирования. [18] PP1 нацелен на гранулу гликогена четырьмя целевыми субъединицами, G M , GL, PTG и R6. Эти регуляторные ферменты регулируются сигнальными путями инсулина и глюкагона .
Клиническое значение
Мутации в гене GYS1 связаны с гликогеновой болезнью типа 0. [ 19] У людей дефекты в жестком контроле поглощения и использования глюкозы также связаны с диабетом и гипергликемией . Пациенты с диабетом типа 2 обычно демонстрируют низкие уровни накопления гликогена из-за нарушений в инсулин-стимулированном синтезе гликогена и подавлении гликогенолиза. Инсулин стимулирует гликогенсинтазу путем ингибирования гликогенсинтазных киназ или/и активации протеинфосфатазы 1 (PP1) среди других механизмов. [18]
Ссылки
- ^ Buchbinder JL, Rath VL, Fletterick RJ (2001). «Структурные взаимоотношения между регулируемыми и нерегулируемыми фосфорилазами». Annu Rev Biophys Biomol Struct . 30 (1): 191– 209. doi :10.1146/annurev.biophys.30.1.191. PMID 11340058.
- ^ abc Buschiazzo A, Ugalde JE, Guerin ME, Shepard W, Ugalde RA, Alzari PM (2004). «Кристаллическая структура гликогенсинтазы: гомологичные ферменты катализируют синтез и деградацию гликогена». EMBO J . 23 (16): 3195– 205. doi :10.1038/sj.emboj.7600324. PMC 514502 . PMID 15272305.
- ^ Coutinho PM, Deleury E, Davies GJ, Henrissat B (2003). «Развивающаяся иерархическая классификация семейств гликозилтрансфераз». J. Mol. Biol . 328 (2): 307– 17. doi :10.1016/S0022-2836(03)00307-3. PMID 12691742.
- ^ ab Palm, DC; Rohwer, JM; Hofmeyr, JH (январь 2013 г.). «Регуляция гликогенсинтазы из скелетных мышц млекопитающих — унифицированный взгляд на аллостерическую и ковалентную регуляцию». Журнал FEBS . 280 (1): 2– 27. doi : 10.1111/febs.12059 . PMID 23134486. S2CID 25551676.
- ^ Roach PJ (2002). «Гликоген и его метаболизм». Curr Mol Med . 2 (2): 101– 20. doi :10.2174/1566524024605761. PMID 11949930.
- ^ Ball SG, Morell MK (2003). «От бактериального гликогена к крахмалу: понимание биогенеза гранул растительного крахмала». Annu Rev Plant Biol . 54 (1): 207–33 . doi :10.1146/annurev.arplant.54.031902.134927. PMID 14502990.
- ^ Azpiazu I, Manchester J, Skurat AV, Roach PJ, Lawrence JC Jr (2000). «Контроль синтеза гликогена осуществляется совместно транспортом глюкозы и гликогенсинтазой в волокнах скелетных мышц». Am J Physiol Endocrinol Metab . 278 (2): E234–43. doi :10.1152/ajpendo.2000.278.2.E234. PMID 10662707. S2CID 6226845.
- ^ Aschenbach WG, Suzuki Y, Breeden K, Prats C, Hirshman MF, Dufresne SD, Sakamoto K, Vilardo PG, Steele M, Kim JH, Jing SL, Goodyear LJ, DePaoli-Roach AA (2001). "Мышечно-специфическая протеинфосфатаза PP1G/R(GL)(G(M)) необходима для активации гликогенсинтазы при физических упражнениях". J Biol Chem . 276 (43): 39959– 67. doi : 10.1074/jbc.M105518200 . PMID 11522787.
- ^ Browner MF, Nakano K, Bang AG, Fletterick RJ (март 1989). "Последовательность ДНК человеческой мышечной гликогенсинтазы: отрицательно заряженный белок с асимметричным распределением заряда". Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 86 (5): 1443– 7. Bibcode : 1989PNAS...86.1443B. doi : 10.1073/pnas.86.5.1443 . PMC 286712. PMID 2493642 .
- ^ Westphal SA, Nuttall FQ (февраль 1992 г.). «Сравнительная характеристика гликогенсинтазы печени человека и крысы». Архивы биохимии и биофизики . 292 (2): 479– 86. doi :10.1016/0003-9861(92)90019-S. PMID 1731614.
- ^ Kollberg G, Tulinius M, Gilljam T, Ostman-Smith I, Forsander G, Jotorp P, Oldfors A, Holme E (октябрь 2007 г.). «Кардиомиопатия и непереносимость физических нагрузок при болезни накопления мышечного гликогена 0». The New England Journal of Medicine . 357 (15): 1507– 14. doi : 10.1056/NEJMoa066691 . PMID 17928598.
- ^ Пескадор, Н; Вильяр, Д; Сифуэнтес, Д; Гарсия-Роча, М; Ортис-Бараона, А; Васкес, С; Ордоньес, А; Куэвас, Ю; Саес-Моралес, защитник; Гарсия-Бермехо, ML; Ландазури, Миссури; Гиновар, Дж; дель Песо, L (12 марта 2010 г.). «Гипоксия способствует накоплению гликогена посредством индукции гликогенсинтазы 1, индуцируемой гипоксией (HIF)». ПЛОС ОДИН . 5 (3): е9644. Бибкод : 2010PLoSO...5.9644P. дои : 10.1371/journal.pone.0009644 . ПМЦ 2837373 . ПМИД 20300197.
- ^ ab Huang TS, Krebs EG (апрель 1977 г.). «Аминокислотная последовательность участка фосфорилирования в гликогенсинтетазе скелетных мышц». Biochem. Biophys. Res. Commun . 75 (3): 643– 50. doi :10.1016/0006-291X(77)91521-2. PMID 405007.
- ^ ab Proud CG, Rylatt DB, Yeaman SJ, Cohen P (август 1977 г.). "Аминокислотные последовательности в двух участках гликогенсинтетазы, фосфорилированные циклической АМФ-зависимой протеинкиназой, и их дефосфорилирование протеинфосфатазой-III". FEBS Lett . 80 (2): 435– 42. Bibcode : 1977FEBSL..80..435P. doi : 10.1016/0014-5793(77)80493-6 . PMID 196939. S2CID 19507389.
- ^ Rylatt DB, Cohen P (февраль 1979). "Аминокислотная последовательность на участке гликогенсинтазы скелетных мышц кролика, фосфорилируемой эндогенной активностью киназы-2 гликогенсинтазы". FEBS Lett . 98 (1): 71– 5. Bibcode : 1979FEBSL..98...71R. doi : 10.1016/0014-5793(79)80154-4 . PMID 107044. S2CID 32058496.
- ^ Embi N, Parker PJ, Cohen P (апрель 1981 г.). «Повторное исследование фосфорилирования гликогенсинтазы скелетных мышц кролика циклической АМФ-зависимой протеинкиназой. Идентификация третьего сайта фосфорилирования как серина-7». Eur. J. Biochem . 115 (2): 405– 13. doi :10.1111/j.1432-1033.1981.tb05252.x. PMID 6263629.
- ^ abcd Rylatt DB, Aitken A, Bilham T, Condon GD, Embi N, Cohen P (июнь 1980 г.). "Гликогенсинтаза из скелетных мышц кролика. Аминокислотная последовательность на участках, фосфорилируемых киназой-3 гликогенсинтазы, и расширение N-концевой последовательности, содержащей участок, фосфорилируемый киназой фосфорилазы". Eur. J. Biochem . 107 (2): 529–37 . doi : 10.1111/j.1432-1033.1980.tb06060.x . PMID 6772446.
- ^ ab Saltiel AR (2001). «Новые перспективы молекулярного патогенеза и лечения диабета 2 типа». Cell . 104 (4): 517– 29. doi : 10.1016/S0092-8674(01)00239-2 . PMID 11239409. S2CID 14259712.
- ^ Orho M, Bosshard NU, Buist NR, Gitzelmann R, Aynsley-Green A, Blümel P, Gannon MC, Nuttall FQ, Groop LC (август 1998 г.). «Мутации в гене гликогенсинтазы печени у детей с гипогликемией из-за болезни накопления гликогена типа 0». Журнал клинических исследований . 102 (3): 507– 15. doi :10.1172/JCI2890. PMC 508911. PMID 9691087 .
Внешние ссылки
- Гликогенсинтаза в рубриках медицинских предметов Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
- Центр образования в области рака Ньюкаслского университета (9 октября 1997 г.). "Гликогенсинтетаза" . Получено 05.11.2007 .
