АЛК-дегидратаза

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

Данный фермент катализирует следующую реакцию:

2 5-аминолевулинат ${\displaystyle \rightleftharpoons }$ 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

Структурной 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].

Равновесие четвертичной структуры PBGS включает неактивный гексамер (PDB id 1PV8), который не взаимодействует с субъединицами, необходимых для упорядоченной локализации активного центра. За диссоциацией до прогексамерного димера может последовать конформационное изменение, которое переориентирует два αβ-бочкообразных домена с образованием димера прооктамера. Ассоциация димера прооктамера с октамером (PDB id 1E51) включает формирование интерфейсов субъединиц, которые поддерживают порядок в активном центре. High K_m, low V_max — высокое значение константы Михаэлиса и низкое значение максимальной скорости реакции, указывает на низкое сродство к субстратам в гексамере, и наоборот low K_m, high V_max — низкое значение константы Михаэлиса и высокое значение максимальной скорости реакции, указывает на высокое сродство к субстратам в октамере.

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

Будучи 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

Магний

Аллостерический 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

Хотя 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

Стабилизация низкомолекулярными гексамерами

Проверка 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

Ферментативная 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

Дефицит 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

Морфеиновая 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.