Глутамат-цистеинлигаза - Glutamate–cysteine ligase

глутамат-цистеинлигаза
Идентификаторы
ЕС нет. 6.3.2.2
№ CAS 9023-64-7
Базы данных
IntEnz Просмотр IntEnz
BRENDA BRENDA запись
ExPASy Просмотр NiceZyme
КЕГГ Запись в KEGG
MetaCyc метаболический путь
ПРИАМ профиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтология Amigo / QuickGO

Глутамат цистеин лигазы (GCL) ( ЕС 6.3.2.2 ), ранее известный как гамма-glutamylcysteine синтетазы (ГКС), является первым ферментом клеточного глутатиона (GSH) пути биосинтеза , который катализирует в химической реакции :

L -glutamate + L цистеин + АТФ гамма-глутамил цистеина + АДФ + Р я

GSH, и, как следствие, GCL, имеет решающее значение для выживания клеток. Почти каждая эукариотическая клетка, от растений до дрожжей и людей, экспрессирует форму белка GCL с целью синтеза GSH. Чтобы еще больше подчеркнуть критическую природу этого фермента, генетический нокдаун GCL приводит к эмбриональной летальности. Кроме того, известно, что нарушение регуляции ферментативной функции и активности GCL участвует в подавляющем большинстве заболеваний человека, таких как диабет, болезнь Паркинсона, болезнь Альцгеймера, ХОБЛ, ВИЧ / СПИД и рак. Обычно это связано с нарушением функции, приводящим к снижению биосинтеза GSH, снижению антиоксидантной способности клеток и индукции окислительного стресса. Однако при раке экспрессия и активность GCL усиливаются, что служит как для поддержки высокого уровня пролиферации клеток, так и для придания устойчивости ко многим химиотерапевтическим агентам.

Функция

Глутаматцистеинлигаза (GCL) катализирует первую и лимитирующую стадию производства клеточного антиоксиданта глутатиона (GSH), включая АТФ-зависимую конденсацию цистеина и глутамата с образованием дипептида гамма-глутамилцистеина (γ-GC). Это пептидное связывание уникально тем, что оно происходит между аминогруппой цистеина и концевой карбоновой кислотой боковой цепи глутамата (отсюда и название гамма-глутамилцистеин). Эта пептидная связь устойчива к расщеплению клеточными пептидазами и требует специального фермента, гамма-глутамилтранспептидазы (γGT), для метаболизма γ-GC и GSH до составляющих его аминокислот.

Ферментативная активность GCL обычно определяет клеточные уровни GSH и биосинтетическую способность GSH. На ферментативную активность GCL влияют многочисленные факторы, включая клеточную экспрессию белков субъединиц GCL, доступ к субстратам (цистеин обычно ограничивает производство γ-GC), степень ингибирования отрицательной обратной связи GSH и функционально значимые посттрансляционные модификации конкретных сайтов на субъединицах GCL. Учитывая его статус фермента, ограничивающего скорость биосинтеза GSH, изменения активности GCL напрямую приравниваются к изменениям в биосинтетической способности клеток GSH. Следовательно, терапевтические стратегии по изменению продукции GSH были сосредоточены на этом ферменте.

Регулирование

В соответствии с его критической важностью для поддержания жизни, GCL подлежит многоуровневой регуляции своей экспрессии, функции и активности. Экспрессия GCL регулируется на транскрипционном (транскрипция ДНК GCLC и GCLM для образования мРНК), посттранскрипционном (стабильность мРНК во времени), трансляционном (процессинг мРНК в белок) и посттрансляционном уровне (включая модификации существующих белки). Хотя базовая конститутивная экспрессия необходима для поддержания жизнеспособности клеток, экспрессия субъединиц GCL также индуцируется в ответ на окислительный стресс , истощение GSH и воздействие токсичных химических веществ, при этом факторы транскрипции Nrf2 , AP-1 и NF-κB регулируют индуцируемая и конститутивная экспрессия обеих субъединиц

Что касается функциональной регуляции ферментов, сам GSH действует как ингибитор активности GCL с обратной связью. При нормальных физиологических концентрациях субстрата только мономер GCLC может синтезировать гамма-глутамилцистеин; однако нормальные физиологические уровни GSH (оцениваемые примерно в 5 мМ) намного превышают GSH K i для GCLC, что позволяет предположить, что только холофермент GCL является функциональным в исходных условиях. Однако во время окислительного стресса или токсических воздействий, которые могут привести к истощению клеточного GSH или его окислению до дисульфида глутатиона (GSSG), функция любого мономерного GCLC в клетке, вероятно, станет весьма важной. В поддержку этой гипотезы, мыши, лишенные экспрессии субъединицы GCLM из-за генетического нокдауна, демонстрируют низкие уровни тканевого GSH (~ 10-20% от нормального уровня), что примерно соответствует уровню GSH K i для мономерного GCLC.

Структура

Глутамат-цистеинлигаза животных

Глутаматцистеинлигаза животных (GCL) представляет собой гетеродимерный фермент, состоящий из двух белковых субъединиц, которые кодируются независимыми генами, расположенными на отдельных хромосомах:

  • Каталитическая субъединица глутамат-цистеинлигазы ( GCLC , ~ 73 кДа) обладает всеми сайтами связывания субстрата и кофактора и отвечает за весь катализ.
  • Субъединица модификатора глутамат- цистеинлигазы ( GCLM , ~ 31 кДа) сама по себе не обладает ферментативной активностью, но увеличивает каталитическую эффективность GCLC при образовании комплекса с холоферментом.

В большинстве клеток и тканей экспрессия белка GCLM ниже, чем у GCLC, и поэтому GCLM ограничивает образование холоферментного комплекса. Таким образом, общая клеточная активность GCL равна активности холофермента + активности оставшегося мономерного GCLC. состоит из каталитической и модуляторной субъединиц. Каталитическая субъединица необходима и достаточна для всей ферментативной активности GCL, тогда как модулирующая субъединица увеличивает каталитическую эффективность фермента. Мыши, лишенные каталитической субъединицы (т.е. лишенные синтеза GSH de novo ), умирают до рождения. Мыши, лишенные модулирующей субъединицы, не демонстрируют очевидного фенотипа, но демонстрируют заметное снижение GSH и повышенную чувствительность к токсическим воздействиям.


Глутамат-цистеинлигаза растений

Глутаматцистеинлигаза растений - это окислительно-восстановительный гомодимерный фермент , консервативный в царстве растений. В окислительной среде образуются межмолекулярные дисульфидные мостики, и фермент переходит в димерное активное состояние. Потенциал средней точки критической пары цистеина составляет -318 мВ. Помимо окислительно-восстановительного контроля, фермент GCL растений по обратной связи ингибируется глутатионом. GCL локализуется исключительно в пластидах , а глутатионсинтетаза (GS) нацелена на пластиды и цитозоль, таким образом, GSH и гамма-глутамилцистеин экспортируются из пластид. Оба фермента биосинтеза глутатиона необходимы растениям; нокауты GCL и GS смертельны для зародыша и проростков.

По состоянию на конец 2007 г. было решено 6 структур для этого класса ферментов с кодами доступа PDB 1V4G , 1VA6 , 2D32 , 2D33 , 2GWC и 2GWD .

использованная литература