Karnitin-O-acetyltransferas

Karnitin-O-acetyltransferas , även karnitin-acetyltransferas , förkortning. CAT ( Carnitine O-acetyltransferase , förkortning CRAT  ) [ 1] ( EC 2.3.1.7 Arkiverad 14 december 2016 på Wayback Machine ) är ett enzym från gruppen acyltransferaser som katalyserar överföringen av en acetylgrupp (CH 3 -CO ) från en acetylmolekyl -CoA till substratmolekylen - karnitin och vice versa, när substratet redan är koenzym A , enligt ekvationen:

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

Reaktionsprodukterna är acetylkarnitin respektive coenzym A (CoA-SH).

Genen som kodar för detta CRAT- enzym Arkiverad 10 september 2016 på Wayback Machine är lokaliserad på den nionde kromosomen .

De olika subcellulära lokaliseringarna av CRAT- mRNA tros vara resultatet av alternativ splitsning av genen som kodar för detta enzym. Alternativ splitsning leder till bildandet av tre isoformer, varav en innehåller en N-terminal signal för transport in i mitokondrier, och, enligt observationer, är lokaliserad där [3] .

Nomenklatur

Detta enzym tillhör familjen acyltransferaser som katalyserar överföringen av en acetylgrupp från en acetyl-CoA-molekyl till en substratmolekyl, karnitin och vice versa. Det systematiska namnet på enzymet är karnitin-O-acetyltransferas. Andra namn på enzymet: Acetyl-CoA-karnitintransferas, karnitinacetyl-CoA-transferas, acetylkarnitintransferas, etc.

Struktur

Karnitinacetyltransferas har en molekylvikt i intervallet 70 kDa och innehåller cirka 600 aminosyrarester . CRAT består av två domäner, N-domänen och C-domänen, bestående av 20 α-helixar och 16 β-strängar. N-domänen består av ett åttasträngat β-ark flankerat av 8 a-helixar. 6 blandade β-strängar och 11 a-helixar bildar en C-domän.

Om vi ​​jämför strukturen av kärnorna (kärnan) i de två domänerna av enzymet, så finns det en betydande likhet i veckningen av peptidryggraden, och detta beror på det faktum att endast 4% av aminosyrorna som gör uppåt motsvarar dessa peptidryggrader varandra, dvs. har samma sekvens [1] .

Aktivt center

Funktionen av det katalytiska centret för CRAT utförs av en histidinrest , His343 [4] . Den ligger i korsningen mellan C- och N-domänerna, nästan i mitten av CRAT. Sidokedjan i His343 är ojämnt placerad, kväveatomen δ 1 i histidinringen är förbunden med en vätebindning med karbonylsyren i aminosyrans ryggrad [1] [5] [6] .

CoA Binding Center

Eftersom CRAT binder CoA och inte acetyl-CoA kan man dra slutsatsen att CRAT har förmågan att hydrolysera acetyl-CoA innan den interagerar med en fri koenzym A -molekyl vid bindningsstället. CoA binder till det aktiva stället i en linjär konformation, den pantoteniska armen (terminaldelen av molekylen). Den terminala SH-tiolgruppen i den så kallade pantotenarmen och ε 2 kväveatomen i sidokedjan i det katalytiska centret His343 bildar en vätebindning . Bindning sker också mellan 3'-fosfatgruppen på CoA och aminosyraresterna Lys419 och Lys423 . Dessutom bildar Asp430- och Glu453-rester vid bindningsstället en vätebindning med varandra. Om någon av aminosyraresterna ersätts som ett resultat av en mutation , kan detta leda till en minskning av CRAT-aktiviteten [7] [8] .

Karnitinbindningscentrum

Karnitin är bundet av enzymet i en delvis veckad form, dess funktionella grupper (hydroxyl och karboxyl) är riktade i olika riktningar. Själva bindningsstället består av β-arket i C-domänen och i synnerhet av aminosyraresterna i N-domänen. Efter bindning förblir karnitins yta öppen i rymden utanför enzymet. Liksom koenzym A bildar karnitin en vätebindning med kväveatomen ε2 på His343 - resten . När det gäller karnitin bildas bindningen med 3 - hydroxylgruppen (3-OH). Katalysen av detta enzym är stereospecifik för karnitin, eftersom stereoisomeren av 3-OH-gruppen inte helt kan interagera med karnitinbindningsstället i CRAT. Enzymet i sig genomgår mindre konformationsförändringar när det binds till karnitin [1] [9] [10] .

Funktioner

His343 -aminosyraresten i enzymets aktiva centrum kan katalysera reaktionen av karnitin-acetylering genom att deprotonera den terminala (terminala) SH - tiolgruppen i koenzym A eller 3-OH - hydroxylgruppen i karnitin, beroende på riktningen av Reaktionen. CRAT-strukturen optimerar sådana reaktioner genom att bilda direkta vätebindningar mellan His343- resten och båda substraten (koenzym A och karnitin). Därefter kan den deprotonerade gruppen fritt attackera acetylgruppen i CoA eller COOH-gruppen av acetylkarnitin. Reaktionen fortskrider direkt, utan bildning av His343- acetylmellanprodukt (mellanprodukt).

Hydrolys

Det är fullt möjligt att katalys kan fortsätta med endast ett av de två substraten. Om någon acetyl-CoA- molekyl eller acetylkarnitin binder till CRAT, kan vattenmolekyler ockupera andra bindningsställen, såväl som acetylgruppen (CH 3 -CO) i acceptorn.

Substrathjälpkatalys

Det finns litteraturdata som indikerar att -N + -(CH 3 ) 3 - trimetylammoniumgruppen i karnitin kan vara en avgörande faktor vid CRAT-katalys. Trimetylammoniumgruppen uppvisar en positiv laddning, som stabiliserar oxianjonen i reaktionen för att erhålla en mellanprodukt (mellanprodukt). Denna idé stöds av det faktum att den positiva laddningen av karnitin inte är nödvändig för aktiv bindning, men är avgörande för att ytterligare katalys ska fortsätta. Detta har bevisats vid katalys av en karnitinanalog som saknar en trimetylammoniumgrupp. En sådan förening kunde konkurrera med karnitin och binda till CRAT, men den lyckades inte framkalla en reaktion [11] . Tillkomsten av substratassisterad katalys öppnar upp för nya strategier för att öka syntetiskt substratspecificitet [12] .

Biologiska funktioner

Karnitinacetyltransferas är involverat i metabolismen av alanin och aspartat . Det finns bevis för att CRAT-aktivitet krävs för att utföra cellcykelövergången från G1 till S-fas [13] .

Medicinsk betydelse

De som ärver en brist på CRAT-aktivitet har en ökad risk att utveckla allvarliga hjärtsjukdomar och neurologiska sjukdomar [1] .

En minskning av enzymaktivitet finns hos individer som lider av Alzheimers sjukdom [1] .

CRAT och dess familj av enzymer har stor potential som mål för utvecklingen av terapeutiska behandlingar för typ 2-diabetes och andra sjukdomar [14] [15] [16] .

Interaktioner med andra proteiner

Det är känt att CRAT interagerar med NEDD8- , PEX5- och SUMO1- proteiner [3] .

Anteckningar

1. ↑ 1 2 3 4 5 6 Jogl G., Tong L. Kristallstruktur av karnitinacetyltransferas och implikationer för den katalytiska mekanismen och fettsyratransporten  // Cell  :  journal. - Cell Press , 2003. - Januari ( vol. 112 , nr 1 ). - S. 113-122 . - doi : 10.1016/S0092-8674(02)01228-X . — PMID 12526798 .
2. ↑ Bieber LL Carnitine  //  Årlig granskning av biokemi : journal. - 1988. - Vol. 57 . - s. 261-283 . - doi : 10.1146/annurev.bi.57.070188.001401 . — PMID 3052273 .
3. ↑ 1 2 Entrez-gen: CRAT carnitine acetyltransferase . (obestämd)
4. ↑ McGarry JD, Brown NF Det mitokondriella karnitinpalitoyltransferassystemet. Från koncept till molekylär analys  (eng.)  // European Journal of Biochemistry / FEBS : journal. - 1997. - Februari ( vol. 244 , nr 1 ). - S. 1-14 . - doi : 10.1111/j.1432-1033.1997.00001.x . — PMID 9063439 .
5. ↑ Jogl G., Hsiao YS, Tong L. Structure and function of carnitine acyltransferases  //  Annals of the New York Academy of Sciences : journal. - 2004. - November ( vol. 1033 ). - S. 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 carnitine acetyltransferase. Molecular base for fatty acyl transfer  (engelska)  // The Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2003. - April ( vol. 278 , nr 15 ). - P. 13159-13165 . - doi : 10.1074/jbc.M212356200 . — PMID 12562770 .
7. ↑ Ramsay RR, Gandour RD, van der Leij FR Molecular enzymology of carnitine transfer and transport  //  Biochimica et Biophysica Acta : journal. - 2001. - Mars ( vol. 1546 , nr 1 ). - S. 21-43 . - doi : 10.1016/S0167-4838(01)00147-9 . — PMID 11257506 .
8. ↑ Hsiao YS, Jogl G., Tong L. Kristallstrukturer av murint karnitinacetyltransferas i ternära komplex med dess substrat  // The  Journal of Biological Chemistry  : journal. - 2006. - September ( vol. 281 , nr 38 ). - P. 28480-28487 . - doi : 10.1074/jbc.M602622200 . — PMID 16870616 .
9. ↑ Cronin CN Det konserverade serin-treonin-serin-motivet av karnitin-acyltransferaserna är involverat i karnitinbindning och stabilisering av övergångstillstånd: en platsstyrd mutagenesstudie   // Biokemiska och biofysiska forskningskommunikationer : journal. - 1997. - September ( vol. 238 , nr 3 ). - s. 784-789 . - doi : 10.1006/bbrc.1997.7390 . — PMID 9325168 .
10. ↑ Hsiao YS, Jogl G., Tong L. Strukturella och biokemiska studier av substratselektiviteten hos karnitinacetyltransferas  // The  Journal of Biological Chemistry  : tidskrift. - 2004. - Juli ( vol. 279 , nr 30 ). - P. 31584-31589 . - doi : 10.1074/jbc.M403484200 . — PMID 15155726 .
11. ↑ Saeed A., McMillin JB, Wolkowicz PE, Brouillette WJ Carnitine acyltransferase enzymic catalysis kräver en positiv laddning på karnitinkofaktorn  //  Archives of Biochemistry and Biophysics : journal. - Elsevier , 1993. - September ( vol. 305 , nr 2 ). - s. 307-312 . - doi : 10.1006/abbi.1993.1427 . — PMID 8373168 .
12. ↑ Dall'Acqua W., Carter P. Substratassisterad katalys  : molekylär grund och biologisk betydelse  // Proteinvetenskap : journal. - 2000. - Januari ( vol. 9 , nr 1 ). - S. 1-9 . - doi : 10.1110/ps.9.1.1 . — PMID 10739241 .
13. ↑ Brunner S., Kramar K., Denhardt DT, Hofbauer R. Kloning och karakterisering av murint karnitinacetyltransferas: bevis för ett krav under cellcykelprogression  //  The Biochemical Journal : journal. - 1997. - Mars ( vol. 322 , nr 2 ). - s. 403-410 . - doi : 10.1042/bj3220403 . — PMID 9065756 .
14. ↑ Anderson RC Carnitine palmitoyltransferase: ett livskraftigt mål för behandling av NIDDM? (engelska)  // Current Pharmaceutical Design : journal. - 1998. - Februari ( vol. 4 , nr 1 ). - S. 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. Reversibla karnitinpalmitoyltransferashämmare med bred kemisk mångfald som potentiella antidiabetiska medel  //  Journal of Medicinal Chemistry : journal. - 2001. - Juli ( vol. 44 , nr 15 ). - P. 2383-2386 . - doi : 10.1021/jm010889 . — PMID 11448219 .
16. ↑ Wagman AS, Nuss JM Aktuella terapier och framväxande mål för behandling av diabetes  //  Current Pharmaceutical Design : journal. - 2001. - April ( vol. 7 , nr 6 ). - S. 417-450 . - doi : 10.2174/1381612013397915 . — PMID 11281851 .