Тиолаза
Ферменты
Домен белка
Тиолаза, N-концевой домен
Идентификаторы
СимволТиолаза_N
ПфамПФ00108
ИнтерПроIPR002155
ПРОСИТPDOC00092
СКОП21pxt / SCOPe / SUPFAM
CDDcd00751
Доступные структуры белков:
Пфам  структуры / ECOD  
ПДБRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsumрезюме структуры
Домен белка
Тиолаза, С-концевой домен
Идентификаторы
СимволТиолаза_С
ПфамПФ02803
ИнтерПроIPR002155
ПРОСИТPDOC00092
СКОП21pxt / SCOPe / SUPFAM
Доступные структуры белков:
Пфам  структуры / ECOD  
ПДБRCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsumрезюме структуры
Мевалонатный путь

Тиолазы , также известные как ацетилтрансферазы ацетил-кофермента А ( ACAT ), представляют собой ферменты, которые преобразуют две единицы ацетил-КоА в ацетоацетил-КоА в мевалонатном пути .

Тиолазы являются вездесущими ферментами , которые играют ключевую роль во многих жизненно важных биохимических путях, включая путь бета-окисления деградации жирных кислот и различные биосинтетические пути. [1] Членов семейства тиолаз можно разделить на две большие категории: деградационные тиолазы (EC 2.3.1.16) и биосинтетические тиолазы (EC 2.3.1.9). Эти два различных типа тиолаз встречаются как у эукариот, так и у прокариот : ацетоацетил-КоА-тиолаза (EC:2.3.1.9) и 3-кетоацил-КоА-тиолаза (EC:2.3.1.16). 3-кетоацил-КоА- тиолаза (также называемая тиолазой I) имеет широкую специфичность длины цепи для своих субстратов и участвует в путях деградации, таких как бета-окисление жирных кислот. Ацетоацетил-КоА-тиолаза (также называемая тиолазой II) специфична для тиолиза ацетоацетил -КоА и участвует в биосинтетических путях, таких как синтез бета-гидроксимасляной кислоты или биогенез стероидов .

Образование связи углерод-углерод является ключевым шагом в биосинтетических путях, посредством которых производятся жирные кислоты и поликетиды . Ферменты суперсемейства тиолаз катализируют образование связи углерод-углерод через механизм реакции конденсации Кляйзена , зависящей от тиоэстеров [2] . [3]

Функция

Тиолазы — это семейство эволюционно родственных ферментов . Два различных типа тиолаз [4] [5] [6] обнаружены как у эукариот, так и у прокариот: тиолаза ацетоацетил-КоА ( EC 2.3.1.9) и тиолаза 3-кетоацил-КоА ( EC 2.3.1.16). Тиолаза 3-кетоацил-КоА (также называемая тиолазой I) имеет широкую специфичность длины цепи для своих субстратов и участвует в путях деградации, таких как бета-окисление жирных кислот. Тиолаза ацетоацетил-КоА (также называемая тиолаза II) специфична для тиолиза ацетоацетил-КоА и участвует в биосинтетических путях, таких как синтез поли-бета-гидроксибутирата или биогенез стероидов.

У эукариот существуют две формы 3-кетоацил-КоА-тиолазы: одна расположена в митохондриях, а другая — в пероксисомах.

Существуют два консервативных остатка цистеина, важных для активности тиолазы. Первый, расположенный в N-концевой части ферментов, участвует в образовании промежуточного ацил-фермента; второй, расположенный в C-концевой части, является основанием активного центра, участвующим в депротонировании в реакции конденсации.

Изоферменты

Номер ЕСИмяАльтернативное имяИзоферментыСубклеточное распределение
ЕС 2.3.1.9Ацетил-КоА-С-ацетилтрансферазатиолаза II;
ацетоацетил-КоА-тиолаза		АКАТ1митохондриальный
АКАТ2цитозольный
ЕС 2.3.1.16Ацетил-КоА-С-ацилтрансферазатиолаза I;
3-кетоацил-КоА тиолаза;
β-кетотиолаза
3-КАТ		ACAA1пероксисомальный
ACAA2митохондриальный
ХАДХБмитохондриальный
ЕС 2.3.1.154Пропионил-КоА-С2-триметилтридеканоилтрансфераза3-Оксопристаноил-КоА тиолаза
ЕС 2.3.1.1743-Оксоадипил-КоА тиолазаβ-Кетоадипил-КоА-тиолаза
ЕС 2.3.1.176Пропаноил-КоА С-ацилтрансферазаПероксисомальная тиолаза 2SCP2пероксисомальный/цитозольный

Неспецифический белок переноса липидов млекопитающих (nsL-TP) (также известный как белок-носитель стеролов 2 ) — это белок, который, по-видимому, существует в двух различных формах: белок 14 кДа (SCP-2) и более крупный белок 58 кДа (SCP-x). Первый находится в цитоплазме или митохондриях и участвует в транспорте липидов; последний находится в пероксисомах . C-концевая часть SCP-x идентична SCP-2, тогда как N-концевая часть эволюционно связана с тиолазами. [6]

Механизм

Реакция, катализируемая тиолазой

Тиоэфиры более реакционноспособны, чем эфиры кислорода, и являются обычными промежуточными продуктами в метаболизме жирных кислот. [7] Эти тиоэфиры производятся путем конъюгации жирной кислоты со свободной SH-группой пантетеинового фрагмента либо кофермента А (КоА), либо ацилпереносящего белка (ACP).

Все тиолазы, будь то биосинтетические или деградационные in vivo, преимущественно катализируют деградацию 3-кетоацил-КоА с образованием ацетил-КоА и укороченных видов ацил-КоА, но также способны катализировать обратную реакцию конденсации Кляйзена (отражающую отрицательное изменение энергии Гиббса деградации, которое не зависит от тиолазы, катализирующей реакцию). Из исследований биосинтетической тиолазы из Z. ramigera хорошо известно, что реакция тиолазы происходит в два этапа и следует кинетике пинг-понга. [8] На первом этапе как деградационной, так и биосинтетической реакции нуклеофильный Cys89 (или его эквивалент) атакует субстрат ацил-КоА (или 3-кетоацил-КоА), что приводит к образованию ковалентного промежуточного ацил-фермента. [9] На втором этапе добавление CoA (в реакции деградации) или ацетил-CoA (в реакции биосинтеза) к промежуточному продукту ацил-фермента запускает высвобождение продукта из фермента. [10] Каждый из тетраэдрических промежуточных продуктов реакции, которые возникают во время переноса ацетильной группы к нуклеофильному цистеину и от него, соответственно, наблюдался в рентгеновских кристаллических структурах биосинтетической тиолазы из A. fumigatus. [11]

Механизм тиолазы. Двухступенчатый механизм пинг-понга для реакции тиолазы. Красные стрелки указывают на биосинтетическую реакцию; Черные стрелки отслеживают реакцию деградации. В обоих направлениях реакция инициируется нуклеофильной атакой Cys89 на субстрат с образованием ковалентного промежуточного ацетил-фермента. Cys89 активируется для нуклеофильной атаки His348, который отщепляет сульфидный протон Cys89. На втором этапе как биосинтетической, так и деградационной реакции субстрат нуклеофильно атакует промежуточный ацетил-фермент с образованием конечного продукта и свободного фермента. Эта нуклеофильная атака активируется Cys378, который отщепляет протон от субстрата.

Структура

Большинство ферментов суперсемейства тиолаз являются димерами . Однако мономеры не наблюдались. Тетрамеры наблюдаются только в подсемействе тиолаз, и в этих случаях димеры димеризовались, становясь тетрамерами. Кристаллическая структура тетрамерной биосинтетической тиолазы из Zoogloea ramigera была определена с разрешением 2,0 Å. Структура содержит поразительный и новый мотив тетрамеризации «клеткоподобный», который допускает некоторое шарнирное движение двух плотных димеров относительно друг друга. Тетрамер фермента ацетилирован по Cys89 и имеет молекулу CoA, связанную в каждом из его карманов активного центра. [12]

Биологическая функция

В эукариотических клетках, особенно в клетках млекопитающих, тиолазы демонстрируют разнообразие во внутриклеточной локализации, связанной с их метаболическими функциями, а также в субстратной специфичности. Например, они способствуют β-окислению жирных кислот в пероксисомах и митохондриях , метаболизму кетоновых тел в митохондриях [13] и ранним этапам мевалонатного пути в пероксисомах и цитоплазме [14] . В дополнение к биохимическим исследованиям, анализ генетических нарушений прояснил основу их функций. [15] Генетические исследования выявили трехтиолазную систему в дрожжах Candida tropicalis , которая обладает тиолазной активностью в пероксисомах, где она может участвовать в бета-окислении, и в цитозоле, где она участвует в мевалонатном пути [16] [17] Тиолаза играет центральную роль в ключевых ферментативных путях, таких как синтез жирных кислот, стероидов и поликетидов. Детальное понимание его структурной биологии имеет большое медицинское значение, например, для лучшего понимания заболеваний, вызванных генетическими недостатками этих ферментов, и для разработки новых антибиотиков. [18] Использование сложной каталитической универсальности поликетидсинтаз для синтеза биологически и медицински значимых природных продуктов также является важной будущей перспективой исследований ферментов этого суперсемейства. [19]

Актуальность заболевания

Дефицит митохондриальной ацетоацетил-КоА-тиолазы, ранее известный как дефицит β-кетотиолазы , [20] является врожденным нарушением метаболизма, включающим катаболизм изолейцина и метаболизм кетоновых тел. Основными клиническими проявлениями этого расстройства являются прерывистый кетоацидоз , но долгосрочные клинические последствия, по-видимому, доброкачественные, не очень хорошо документированы. Дефицит митохондриальной ацетоацетил-КоА-тиолазы легко диагностируется с помощью анализа органических кислот мочи и может быть подтвержден с помощью ферментативного анализа культивируемых фибробластов кожи или лейкоцитов крови. [21]

Дефицит β-кетотиолазы имеет вариабельную картину. Большинство пораженных пациентов обращаются в возрасте от 5 до 24 месяцев с симптомами тяжелого кетоацидоза. Симптомы могут быть вызваны диетической белковой нагрузкой, инфекцией или лихорадкой. Симптомы прогрессируют от рвоты до обезвоживания и кетоацидоза. [22] Могут присутствовать нейтропения и тромбоцитопения, а также умеренная гипераммониемия. Уровень глюкозы в крови обычно нормальный, но может быть низким или высоким в острых эпизодах. [23] Может возникнуть задержка развития даже до первого острого эпизода, а двусторонний полосатый некроз базальных ганглиев был замечен на МРТ головного мозга .

Ссылки

  1. ^ Thompson S, Mayerl F, Peoples OP, Masamune S, Sinskey AJ, Walsh CT (июль 1989). «Механистические исследования бета-кетоацилтиолазы из Zoogloea ramigera: идентификация нуклеофила активного центра как Cys89, его мутация в Ser89 и кинетическая и термодинамическая характеристика дикого типа и мутантных ферментов». Biochemistry . 28 (14): 5735– 42. doi :10.1021/bi00440a006. PMID  2775734.
  2. ^ Heath RJ, Rock CO (октябрь 2002 г.). «Конденсация Кляйзена в биологии». Nat Prod Rep . 19 (5): 581–96 . doi :10.1039/b110221b. PMID  12430724.
  3. ^ Haapalainen AM, Meriläinen G, Wierenga RK (январь 2006 г.). «Суперсемейство тиолаз: конденсирующие ферменты с разнообразной реакционной специфичностью». Trends Biochem. Sci . 31 (1): 64–71 . doi :10.1016/j.tibs.2005.11.011. PMID  16356722.
  4. ^ Бейкер ME, Биллхаймер JT, Штраус JF (ноябрь 1991 г.). «Сходство между аминоконцевой частью белка-переносчика стерола 58 кДа млекопитающих (SCPx) и ацетил-КоА-ацилтрансферазой Escherichia coli: доказательства слияния генов в SCPx». DNA Cell Biol . 10 (9): 695– 8. doi :10.1089/dna.1991.10.695. PMID  1755959.
  5. ^ Yang SY, Yang XY, Healy-Louie G, Schulz H, Elzinga M (июнь 1990 г.). «Нуклеотидная последовательность гена fadA. Первичная структура тиолазы 3-кетоацил-кофермента А из Escherichia coli и структурная организация оперона fadAB». J. Biol. Chem . 265 (18): 10424– 9. PMID  2191949.
  6. ^ ab Igual JC, González-Bosch C, Dopazo J, Pérez-Ortín JE (август 1992 г.). «Филогенетический анализ семейства тиолаз. Значение для эволюционного происхождения пероксисом». J. Mol. Evol . 35 (2): 147–55 . doi :10.1007/BF00183226. PMID  1354266. S2CID  39746646.
  7. ^ Механизмы ферментативных реакций . Сан-Франциско: WH Freeman. 1979. ISBN 978-0-7167-0070-8.
  8. ^ Масамунэ, Сатору; Уолш, Кристофер Т.; Гамбони, Ремо; Томпсон, Стюарт; Дэвис, Джеффри Т.; Уильямс, Саймон Ф.; Пиплз, Оливер П.; Сински, Энтони Дж.; Уолш, Кристофер Т. (1989). "Био-Клейзеновская конденсация, катализируемая тиолазой из Zoogloea ramigera. Остатки цистеина активного центра". J. Am. Chem. Soc . 111 (5): 1879, 1991. doi :10.1021/ja00187a053.
  9. ^ Gilbert HF, Lennox BJ, Mossman CD, Carle WC (июль 1981 г.). «Отношение переноса ацила к общей реакции тиолазы I из свиного сердца». J. Biol. Chem . 256 (14): 7371– 7. PMID  6114098.
  10. ^ Матье М., Модис И., Зеелен Дж. П. и др. (октябрь 1997 г.). «Кристаллическая структура 1,8 А димерной пероксисомальной 3-кетоацил-КоА-тиолазы Saccharomyces cerevisiae: значение для связывания субстрата и механизма реакции». J. Mol. Biol. 273 (3): 714–28 . doi : 10.1006/jmbi.1997.1331 . PMID  9402066.
  11. ^ Маршалл, Эндрю К.; Бонд, Чарльз С.; Брунинг, Джон Б. (25 января 2018 г.). «Структура цитозольной тиолазы Aspergillus fumigatus: захваченные тетраэдрические промежуточные продукты реакции и активация одновалентными катионами». ACS Catalysis . 8 (3): 1973– 1989. doi :10.1021/acscatal.7b02873. hdl : 2440/113865 .
  12. ^ Модис Y, Виеренга РК (октябрь 1999 г.). «Биосинтетическая тиолаза в комплексе с промежуточным продуктом реакции: кристаллическая структура дает новое представление о каталитическом механизме». Структура . 7 (10): 1279– 90. doi : 10.1016/S0969-2126(00)80061-1 . PMID  10545327.
  13. ^ Middleton B (апрель 1973 г.). «Оксоацил-коэнзим А тиолазы тканей животных». Biochem. J. 132 (4): 717– 30. doi :10.1042/bj1320717. PMC 1177647 . PMID  4721607.  
  14. ^ Hovik R, Brodal B, Bartlett K, Osmundsen H (июнь 1991). «Метаболизм ацетил-КоА изолированными пероксисомальными фракциями: образование ацетата и ацетоацетил-КоА». J. Lipid Res. 32 (6): 993–9 . PMID  1682408.
  15. ^ Middleton B, Bartlett K (март 1983). «Синтез и характеристика 2-метилацетоацетил кофермента А и его использование в идентификации места дефекта при 2-метилацетоуксусной и 2-метил-3-гидроксимасляной ацидурии». Clin. Chim. Acta . 128 ( 2– 3): 291– 305. doi :10.1016/0009-8981(83)90329-7. PMID  6133656.
  16. ^ Канаяма Н., Уэда М., Атоми Х., Танака А. (февраль 1998 г.). «Генетическая оценка физиологических функций изоферментов тиолазы у н-алкаланассимилирующих дрожжей Candida тропических». Дж. Бактериол. 180 (3): 690–8 . doi :10.1128/JB.180.3.690-698.1998. ПМК 106940 . ПМИД  9457876.  
  17. ^ Ueda M, Kanayama N, Tanaka A (2000). «Генетическая оценка пероксисомальных и цитозольных изоферментов ацетоацетил-КоА-тиолазы в диплоидных дрожжах, ассимилирующих н-алкан, Candida tropicalis». Cell Biochemistry and Biophysics . 32 (Spring): 285–290 . doi :10.1385/cbb:32:1-3:285. PMID  11330060.
  18. ^ Price AC, Choi KH, Heath RJ, Li Z, White SW, Rock CO (март 2001 г.). «Ингибирование синтаз бета-кетоацил-ацилпереносящего белка тиолактомицином и церуленином. Структура и механизм». J. Biol. Chem . 276 (9): 6551– 9. doi : 10.1074/jbc.M007101200 . PMID  11050088.
  19. ^ Keatinge-Clay AT, Maltby DA, Medzihradszky KF, Khosla C, Stroud RM (сентябрь 2004 г.). «Фабрика антибиотиков, пойманная в действии». Nat. Struct. Mol. Biol . 11 (9): 888– 93. doi :10.1038/nsmb808. PMID  15286722. S2CID  12394083.
  20. ^ Daum RS, Lamm PH, Mamer OA, Scriver CR (декабрь 1971 г.). «Новое» расстройство катаболизма изолейцина». Lancet . 2 (7737): 1289– 90. doi :10.1016/S0140-6736(71)90605-2. PMID  4143539.
  21. ^ Mitchell GA, Fukao T (2001). «Врожденные ошибки метаболизма кетоновых тел». В Scriver CR, Beaudet AL, Sly WS, Valle D (ред.). Метаболические и молекулярные основы наследственных заболеваний . Нью-Йорк: McGraw-Hill. С.  2326–2356 . ISBN 978-0-07-913035-8.
  22. ^ Хиллман RE, Китинг JP (февраль 1974). «Дефицит бета-кетотиолазы как причина «синдрома кетотикотической гиперглицинемии»". Педиатрия . 53 (2): 221– 5. PMID  4812006.
  23. ^ Robinson BH, Sherwood WG, Taylor J, Balfe JW, Mamer OA (август 1979). «Дефицит тиолазы ацетоацетил-КоА: причина тяжелого кетоацидоза у младенцев, имитирующего салицилизм». J. Pediatr . 95 (2): 228–33 . doi :10.1016/S0022-3476(79)80658-7. PMID  36452.


В статье использован текст из общедоступных источников Pfam и InterPro : IPR002155
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Тиолаза&oldid=1210422319"