АЛК-дегидратаза, также дегидратаза δ-аминолевулиновой кислоты (англ. Aminolevulinic acid dehydratase, сокр. ALAD) или порфобилиногенсинтаза (англ. Porphobilinogen synthase, сокр. PBGS) — фермент (КФ 4.2.1.24) семейства дегидратаз (класса лиазы), который катализирует асимметричную реакцию межмолекулярной конденсации (2-х молекул) и циклизации аминолевулиновой кислоты в порфобилиноген. У человека данный фермент кодируется одноимённым геном ALAD, который располагается на коротком плече (p-плече) 9-й хромосомы[1][2]. Все природные тетрапирролы, включая гемы, хлорофиллы и витамин B12, зависят от синтеза порфобилиногена, так как он является общим предшественником данных соединений. Порфобилиногенсинтаза является прототипом морфеина[3]. АЛК-дегидратаза локализована практически во всех клетках организма человека, но особенно много её в цитозоле эритропоэтических клеток красного костного мозга и в гепатоцитах печени.
| АЛК-дегидратаза (порфобилиногенсинтаза) | |
|---|---|
 АЛК-дегидратаза в виде октамера | |
| Идентификаторы | |
| Шифр КФ | 4.2.1.24 |
| Номер CAS | 9036-37-7 |
| Базы ферментов | |
| IntEnz | IntEnz view |
| BRENDA | BRENDA entry |
| ExPASy | NiceZyme view |
| MetaCyc | metabolic pathway |
| KEGG | KEGG entry |
| PRIAM | profile |
| PDB structures | RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum |
| Gene Ontology | AmiGO • EGO |
| Поиск | |
| PMC | статьи |
| PubMed | статьи |
| NCBI | NCBI proteins |
| CAS | 9036-37-7 |
| Дегидратаза δ-аминолевулиновой кислоты | |
|---|---|
 | |
| Обозначения | |
| Символы | ALAD |
| Entrez Gene | 210 |
| HGNC | 395 |
| OMIM | 125270 |
| RefSeq | NM_001003945 |
| UniProt | P13716 |
| Другие данные | |
| Шифр КФ | 4.2.1.24 |
| Локус | 9-я хр. , 9q32 |
 Информация в Викиданных ? | |
Функции
правитьДанный фермент катализирует следующую реакцию:
- 2 5-аминолевулинат порфобилиноген + 2 H2O
Таким образом, АЛК-дегидратаза катализирует конденсацию 2 молекул 5-аминолевулината с образованием порфобилиногена (предшественника гема, цитохромов и других гемопротеинов). Эта реакция является первой общей стадией биосинтеза всех природных тетрапирролов. Фермент в качестве кофактора использует ионы цинка Zn2+, они поддерживают активность.
Структура
правитьСтруктурной основой аллостерической регуляции порфобилиногенсинтазы (PBGS) является модуляция равновесия четвертичной структуры между октамером и гексамером (через димеры), которая представлена схематически как 6-мер* ↔ 2-мер* ↔ 2-мер ↔ 8-мер*. Четвертичная структура представляет собой переориентацию между двумя доменами каждой субъединицы, которая происходит в диссоциированном состоянии, поскольку она стерически запрещена в более крупных мультимерах[3].
PBGS кодируется одним геном, и каждый мультимер PBGS состоит из нескольких копий одного и того же белка. Каждая субъединица PBGS состоит из αβ-бочкообразного домена ~300 остатков, в центре которого находится активный сайт фермента, и N-концевого домена плеча >25 остатков. Аллостерическая регуляция PBGS может быть описана с точки зрения ориентации αβ-бочкообразного домена по отношению к N-концевому домену плеча.
Каждое N-концевое плечо имеет до двух взаимодействий с другими субъединицами мультимера PBGS. Одно из этих взаимодействий помогает стабилизировать «закрытую» конформацию «крышки» активного центра. Другое взаимодействие ограничивает доступ растворителя с другого конца αβ-цилиндра.
В неактивном мультимерном состоянии N-концевой домен плеча не участвует в стабилизирующем крышку взаимодействии, а в кристаллической структуре неактивной сборки «крышка» активного сайта разупорядочена.
Аллостерическая регуляция
правитьБудучи почти универсальным ферментом с высококонсервативным активным центром, PBGS не может быть основной мишенью для разработки противомикробных препаратов и/или гербицидов. Напротив, аллостерические сайты могут быть гораздо более филогенетически изменчивыми, чем активные сайты, что открывает больше возможностей для разработки лекарств[3].
Филогенетическая изменчивость аллостерических сайтов PBGS приводит к обсуждению аллостерической регуляции PBGS с точки зрения внутренних и внешних эффекторов.
Внутренние аллостерические эффекторы
правитьМагний
правитьАллостерический ион магния Mg2+ находится на сильно гидратированной границе раздела двух прооктамерных димеров. По-видимому, он легко диссоциируется, и было показано, что гексамеры накапливаются при удалении магния in vitro[4].
pH
правитьХотя не принято в качестве аллостерических регуляторов рассматривать ионы гидроксония, в случае PBGS было показано, что протонирование боковой цепи в местах, отличных от активного центра, влияет на равновесие четвертичной структуры и, таким образом, также влияет на скорость катализируемой им реакции.
Внешние аллостерические эффекторы
правитьСтабилизация низкомолекулярными гексамерами
правитьПроверка PBGS 6-мера* выявил поверхностную полость, которой нет в 8-мере. Предполагается, что связывание малых молекул с этой филогенетически вариабельной полостью стабилизирует 6-мер* целевого PBGS и, следовательно, ингибирует активность.
Такие аллостерические регуляторы известны как морфоблоки, потому что они блокируют фермент в определённой форме морфеина (6-мера*)[5].
Отравление свинцом
правитьФерментативная активность ALAD подавляется свинцом, начиная с концентраций свинца в крови, которые когда-то считались безопасными (<10 мкг/дл), и продолжает отрицательно коррелировать в диапазоне от 5 до 95 мкг/дл[6]. Ингибирование ALAD свинцом приводит к анемии, прежде всего потому, что он одновременно подавляет биосинтез гема и сокращает продолжительность жизни циркулирующих красных кровяных телец, а также стимулируя избыточную выработку гормона эритропоэтина, приводящего к недостаточному созреванию эритроцитов из их предшественников. Дефект в структурном гене ALAD может вызвать повышенную чувствительность к отравлению свинцом и острую печёночную порфирию. Были идентифицированы альтернативные варианты сплайсированного транскрипта, кодирующие различные изоформы[7].
Дефицит
правитьДефицит порфобилиногенсинтазы обычно приобретённый (а не наследственный) и может быть вызван отравлением тяжёлыми металлами, особенно свинцом, поскольку фермент очень чувствителен к ингибированию тяжёлыми металлами[8].
Наследственная недостаточность данного фермента называется порфирией с дефицитом порфобилиногенсинтазы (или AЛК-дегидратазы). Это чрезвычайно редкая форма порфирии[9], было описано менее 10 случаев данного заболевания[10]. Все варианты белка, ассоциированного с заболеванием, способствуют образованию гексамера по сравнению с человеческим ферментом дикого типа[9].
АЛК-дегидратаза как прототип морфеина
правитьМорфеиновая модель аллостерии, представленная на примере PBGS, улучшает уровень понимания потенциальных механизмов регуляции функции белка и дополняет то повышенное внимание, которое сообщество исследователей белка уделяет динамике структуры белка[3].
Эта модель иллюстрирует, как динамика таких явлений, как альтернативные конформации белков, альтернативные олигомерные состояния и временные белок-белковые взаимодействия, могут быть использованы для аллостерической регуляции каталитической активности ферментов.
Примечания
править- ↑ Eiberg H, Mohr J, Nielsen LS (February 1983). "delta-Aminolevulinatedehydrase: synteny with ABO-AK1-ORM (and assignment to chromosome 9)". Clinical Genetics. 23 (2): 150—4. doi:10.1111/j.1399-0004.1983.tb01864.x. PMID 6839527. S2CID 27267679.
- ↑ Beaumont C, Foubert C, Grandchamp B, Weil D, Gross MS, Nordmann Y (May 1984). "Assignment of the human gene for delta aminolevulinate dehydrase to chromosome 9 by somatic cell hybridization and specific enzyme immunoassay". Annals of Human Genetics. 48 (2): 153—9. doi:10.1111/j.1469-1809.1984.tb01010.x. PMID 6378062. S2CID 24098976.
- ↑ 1 2 3 4 Jaffe EK, Lawrence SH (March 2012). "Allostery and the dynamic oligomerization of porphobilinogen synthase". Archives of Biochemistry and Biophysics. 519 (2): 144—53. doi:10.1016/j.abb.2011.10.010. PMC 3291741. PMID 22037356.
- ↑ Breinig S, Kervinen J, Stith L, Wasson AS, Fairman R, Wlodawer A, et al. (September 2003). "Control of tetrapyrrole biosynthesis by alternate quaternary forms of porphobilinogen synthase". Nature Structural Biology. 10 (9): 757—63. doi:10.1038/nsb963. PMID 12897770. S2CID 24188785.
- ↑ Lawrence SH, Jaffe EK (2008). "Expanding the Concepts in Protein Structure-Function Relationships and Enzyme Kinetics: Teaching using Morpheeins". Biochemistry and Molecular Biology Education. 36 (4): 274—283. doi:10.1002/bmb.20211. PMC 2575429. PMID 19578473.
- ↑ Toxicological Profile for Lead. — Atlanta, GA : Agency for Toxic Substances and Disease Registry (US), August 2007. — P. 22, 30. Архивная копия от 24 ноября 2020 на Wayback Machine
- ↑ Entrez Gene: ALAD aminolevulinate, delta-, dehydratase.
- ↑ ALA dehydratase reaction Архивная копия от 5 мая 2023 на Wayback Machine, from NetBiochem at the University of Utah. Last modified 1/5/95
- ↑ 1 2 Jaffe EK, Stith L (February 2007). "ALAD porphyria is a conformational disease". American Journal of Human Genetics. 80 (2): 329—37. doi:10.1086/511444. PMC 1785348. PMID 17236137.
- ↑ Overview of the Porphyrias Архивировано 22 июля 2011 года. at The Porphyrias Consortium (a part of NIH Rare Diseases Clinical Research Network (RDCRN)) Retrieved June 2011