Karnitin-O-acetyltransferáza

Karnitin O-acetyltransferáza , též Karnitin acetyltransferáza , zkr. CAT ( Carnitine O-acetyltransferase , zkr. CRAT  ) [ 1] ( EC 2.3.1.7 Archived 14. prosince 2016 on the Wayback Machine ) je enzym ze skupiny acyltransferáz , který katalyzuje přenos acetylové skupiny (CH 3 -CO ) z molekuly acetylu -CoA na molekulu substrátu - karnitin a naopak, když je substrátem již koenzym A , podle rovnice:

acetyl-CoA + karnitin CoA-SH + O-acetylkarnitin [2] .

Produkty reakce jsou acetylkarnitin a koenzym A (CoA-SH).

Gen kódující tento enzym CRAT Archived 10. září 2016 na Wayback Machine je lokalizován na 9. chromozomu .

Předpokládá se, že různé subcelulární lokalizace CRAT mRNA jsou výsledkem alternativního sestřihu genu kódujícího tento enzym. Alternativní sestřih vede ke vzniku tří izoforem, z nichž jedna obsahuje N-terminální signál pro transport do mitochondrií a podle pozorování je tam lokalizována [3] .

Nomenklatura

Tento enzym patří do rodiny acyltransferáz , které katalyzují přenos acetylové skupiny z molekuly acetyl-CoA na molekulu substrátu, karnitin a naopak. Systematický název enzymu je karnitin-O-acetyltransferáza. Jiné názvy enzymu: Acetyl-CoA karnitin transferáza, karnitin acetyl-CoA transferáza, acetylkarnitin transferáza atd.

Struktura

Karnitin acetyltransferáza má molekulovou hmotnost v rozmezí 70 kDa a obsahuje přibližně 600 aminokyselinových zbytků . CRAT se skládá ze dvou domén, domény N a domény C, sestávající z 20 a-helixů a 16 β-řetězců. N doména se skládá z osmiřetězcového β-listu ohraničeného 8 a-helixy. 6 smíšených β-řetězců a 11 α-helixů tvoří C-doménu.

Porovnáme-li strukturu jader (jádra) dvou domén enzymu, pak existuje výrazná podobnost ve skládání peptidové kostry, a to díky tomu, že pouze 4 % aminokyselin tvořících nahoru si tyto peptidové kostry navzájem odpovídají, tzn. mají stejnou sekvenci [1] .

Aktivní centrum

Funkci katalytického centra CRAT plní histidinový zbytek His343 [ 4 ] . Nachází se na spojnici domén C a N, téměř ve středu CRAT. Postranní řetězec His343 je umístěn nerovnoměrně, atom dusíku δ 1 histidinového kruhu je spojen vodíkovou vazbou s karbonylovým kyslíkem kostry aminokyseliny [1] [5] [6] .

CoA Binding Center

Protože CRAT váže CoA a ne acetyl-CoA, lze usoudit, že CRAT má schopnost hydrolyzovat acetyl-CoA před interakcí s volnou molekulou koenzymu A na vazebném místě. CoA se váže na aktivní místo v lineární konformaci, pantotenické rameno (koncová část molekuly). Koncová SH-thiolová skupina v tzv. pantotenovém rameni a atom dusíku ε 2 postranního řetězce katalytického centra His343 tvoří vodíkovou vazbu . K vazbě také dochází mezi 3'-fosfátovou skupinou na CoA a aminokyselinovými zbytky Lys419 a Lys423 . Navíc na vazebném místě tvoří zbytky Asp430 a Glu453 vodíkovou vazbu mezi sebou. Pokud je některý z aminokyselinových zbytků nahrazen v důsledku mutace , může to vést ke snížení aktivity CRAT [7] [8] .

Karnitinové vázací centrum

Karnitin je enzymem vázán v částečně složené formě, jeho funkční skupiny (hydroxylové a karboxylové) směřují různými směry. Samotné vazebné místo se skládá z β-listu domény C a zejména z aminokyselinových zbytků domény N. Po navázání zůstává povrch karnitinu otevřený v prostoru mimo enzym. Stejně jako koenzym A tvoří karnitin vodíkovou vazbu s atomem dusíku ε2 na zbytku His343 . V případě karnitinu se vazba tvoří s 3 - hydroxylovou skupinou (3-OH). Katalýza tohoto enzymu je stereospecifická pro karnitin, protože stereoisomer 3-OH skupiny nemůže plně interagovat s karnitinovým vazebným místem CRAT. Samotný enzym podléhá menším konformačním změnám, když je navázán na karnitin [1] [9] [10] .

Funkce

Aminokyselinový zbytek His343 aktivního centra enzymu je schopen katalyzovat reakci acetylace karnitinu deprotonací koncové (koncové) SH - thiolové skupiny koenzymu A nebo 3-OH - hydroxylové skupiny karnitinu, v závislosti na směru reakce. Struktura CRAT optimalizuje takové reakce vytvořením přímých vodíkových vazeb mezi zbytkem His343 a oběma substráty (koenzym A a karnitin). Poté může deprotonovaná skupina volně atakovat acetylovou skupinu CoA nebo COOH skupinu acetylkarnitinu. Reakce probíhá přímo, bez tvorby meziproduktu His343- acetyl (meziprodukt).

Hydrolýza

Je docela možné, že katalýza může probíhat pouze s jedním ze dvou substrátů. Pokud se jakákoliv molekula acetyl-CoA nebo acetylkarnitin naváže na CRAT, pak molekuly vody mohou obsadit jiná vazebná místa, stejně jako acetylovou skupinu (CH3- CO ) akceptoru.

Substrát-pomocná katalýza

Existují literární údaje, které naznačují, že -N + -(CH 3 ) 3 - trimethylamoniová skupina karnitinu může být rozhodujícím faktorem v katalýze CRAT. Trimethylamoniová skupina vykazuje kladný náboj, který stabilizuje oxyanion v reakci za získání meziproduktu (meziproduktové sloučeniny). Tuto myšlenku podporuje skutečnost, že kladný náboj karnitinu není nutný pro aktivní vazbu, ale je životně důležitý pro pokračování katalýzy. To bylo prokázáno při katalýze analogu karnitinu bez trimethylamoniové skupiny. Taková sloučenina byla schopna soutěžit s karnitinem a vázat se na CRAT, ale nedokázala vyvolat reakci [11] . Příchod katalýzy podporované substrátem otevírá nové strategie pro zvýšení specificity syntetického substrátu [12] .

Biologické funkce

Karnitinacetyltransferáza se podílí na metabolismu alaninu a aspartátu . Existují důkazy, že k provedení přechodu buněčného cyklu z G1 do S fáze je nutná aktivita CRAT [13] .

Lékařský význam

Ti, kteří zdědí nedostatek aktivity CRAT, mají zvýšené riziko rozvoje závažných srdečních a neurologických onemocnění [1] .

Snížení aktivity enzymů je zjištěno u jedinců trpících Alzheimerovou chorobou [1] .

CRAT a jeho rodina enzymů mají velký potenciál jako cíle pro vývoj terapeutické léčby diabetu 2. typu a dalších onemocnění [14] [15] [16] .

Interakce s jinými proteiny

Je známo, že CRAT interaguje s proteiny NEDD8 , PEX5 a SUMO1 [3] .

Poznámky

1. ↑ 1 2 3 4 5 6 Jogl G., Tong L. Krystalová struktura karnitin acetyltransferázy a důsledky pro katalytický mechanismus a transport mastných kyselin  // Cell  :  journal. - Cell Press , 2003. - Leden ( roč. 112 , č. 1 ). - S. 113-122 . - doi : 10.1016/S0092-8674(02)01228-X . — PMID 12526798 .
2. ↑ Bieber LL Carnitine  //  Annual Review of Biochemistry : deník. - 1988. - Sv. 57 . - str. 261-283 . - doi : 10.1146/annurev.bi.57.070188.001401 . — PMID 3052273 .
3. ↑ 1 2 Entrez Gen: CRAT karnitin acetyltransferáza . (neurčitý)
4. ↑ McGarry JD, Brown NF Mitochondriální karnitin palmitoyltransferázový systém. Od konceptu k molekulární analýze  (angl.)  // European Journal of Biochemistry / FEBS : deník. - 1997. - únor ( roč. 244 , č. 1 ). - str. 1-14 . - doi : 10.1111/j.1432-1033.1997.00001.x . — PMID 9063439 .
5. ↑ Jogl G., Hsiao YS, Tong L. Struktura a funkce karnitin acyltransferáz  //  Annals of the New York Academy of Sciences : deník. - 2004. - Listopad ( sv. 1033 ). - str. 17-29 . - doi : 10.1196/annals.1320.002 . — PMID 15591000 .
6. ↑ Wu D., Govindasamy L., Lian W., Gu Y., Kukar T., Agbandje-McKenna M., McKenna R. Structure of human carnitin acetyltransferase. Molekulární základ pro přenos mastných acylů  (anglicky)  // The Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2003. - Duben ( roč. 278 , č. 15 ). - S. 13159-13165 . - doi : 10.1074/jbc.M212356200 . — PMID 12562770 .
7. ↑ Ramsay RR, Gandour RD, van der Leij FR Molekulární enzymologie přenosu a transportu karnitinu  //  Biochimica et Biophysica Acta : deník. - 2001. - březen ( roč. 1546 , č. 1 ). - str. 21-43 . - doi : 10.1016/S0167-4838(01)00147-9 . — PMID 11257506 .
8. ↑ Hsiao YS, Jogl G., Tong L. Krystalové struktury myší karnitin acetyltransferázy v ternárních komplexech s jejími substráty  // The  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2006. - září ( roč. 281 , č. 38 ). - S. 28480-28487 . - doi : 10.1074/jbc.M602622200 . — PMID 16870616 .
9. ↑ Cronin CN Konzervovaný serin-threonin-serinový motiv karnitinacyltransferáz se podílí na vazbě karnitinu a stabilizaci přechodového stavu: studie mutageneze cílená na místo   // Biochemical and Biophysical Research Communications : deník. - 1997. - září ( roč. 238 , č. 3 ). - str. 784-789 . - doi : 10.1006/bbrc.1997.7390 . — PMID 9325168 .
10. ↑ Hsiao YS, Jogl G., Tong L. Strukturální a biochemické studie substrátové selektivity karnitin acetyltransferázy  // The  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2004. - Červenec ( roč. 279 , č. 30 ). - str. 31584-31589 . - doi : 10.1074/jbc.M403484200 . — PMID 15155726 .
11. ↑ Saeed A., McMillin JB, Wolkowicz PE, Brouillette WJ Enzymatická katalýza karnitin acyltransferázou vyžaduje kladný náboj na kofaktoru karnitinu  //  Archives of Biochemistry and Biophysics : deník. - Elsevier , 1993. - Září ( roč. 305 , č. 2 ). - str. 307-312 . - doi : 10.1006/abbi.1993.1427 . — PMID 8373168 .
12. ↑ Dall'Acqua W., Carter P. Substrátem podporovaná katalýza  : molekulární základ a biologický význam  // Protein Science : deník. - 2000. - leden ( roč. 9 , č. 1 ). - str. 1-9 . - doi : 10.1110/ps.9.1.1 . — PMID 10739241 .
13. ↑ Brunner S., Kramar K., Denhardt DT, Hofbauer R. Klonování a charakterizace myší karnitin acetyltransferázy: důkazy pro požadavek během progrese buněčného cyklu  //  The Biochemical Journal : deník. - 1997. - březen ( roč. 322 , č. 2 ). - str. 403-410 . - doi : 10.1042/bj3220403 . — PMID 9065756 .
14. ↑ Anderson RC Karnitin palmitoyltransferáza: životaschopný cíl pro léčbu NIDDM? (anglicky)  // Current Pharmaceutical Design : deník. - 1998. - únor ( roč. 4 , č. 1 ). - str. 1-16 . — PMID 10197030 .
15. ↑ Giannessi F., Chiodi P., Marzi M., Minetti P., Pessotto P., De Angelis F., Tassoni E., Conti R., Giorgi F., Mabilia M., Dell'Uomo N., Muck S ., Tinti MO, Carminati P., Arduini A. Reverzibilní inhibitory karnitin palmitoyltransferázy s širokou chemickou diverzitou jako potenciální antidiabetická činidla  //  Journal of Medicinal Chemistry : deník. - 2001. - Červenec ( roč. 44 , č. 15 ). - str. 2383-2386 . - doi : 10.1021/jm010889 . — PMID 11448219 .
16. ↑ Wagman AS, Nuss JM Současné terapie a nové cíle pro léčbu diabetu  //  Současný farmaceutický design : deník. - 2001. - Duben ( díl 7 , č. 6 ). - S. 417-450 . - doi : 10.2174/1381612013397915 . — PMID 11281851 .