Кіріспе
GLUD1 ферменті (глутамат дегидрогеназа 1) – митохондриялық матрица ферменті, глютамат дегидрогеназалар отбасының мүшесі, ол тіршілікте кең таралған және азот пен глутамат (Glu) метаболизмі мен энергия гомеостазында маңызды рөл атқарады. Бұл дегидрогеназа бауырда, мида, бүйректе және ұйқы безінде жоғары деңгейде кездеседі, бірақ бұлшық еттерде жоқ. Ұйқы безі жасушаларында GLUD1 инсулин секрециясының механизмдеріне қатысқан деп саналады. Глутаматтың концентрациясы басқа тіндерге қарағанда жоғары болатын жүйке тінінде GLUD1 глутаматтың синтезі мен ыдырауына, сондай-ақ аммиакты залалсыздандыруға қатысуы мүмкін.
GLUD1 (glutamate dehydrogenase 1) is a mitochondrial matrix enzyme, one of the family of glutamate dehydrogenases that are ubiquitous in life, with a key role in nitrogen and glutamate (Glu) metabolism and energy homeostasis. This dehydrogenase is expressed at high levels in liver, brain, pancreas and kidney, but not in muscle. In the pancreatic cells, GLUD1 is thought to be involved in insulin secretion mechanisms. In nervous tissue, where glutamate is present in concentrations higher than in the other tissues, GLUD1 appears to function in both the synthesis and the catabolism of glutamate and perhaps in ammonia detoxification.
Ген
Адамның GLUD1 гені 13 экзоннан тұрады және 10-шы хромосомада орналасқан. GLUD1 генінің ретропозиция арқылы X хромосомасына көшіп, онда кездейсоқ мутациялар мен табиғи іріктеу нәтижесінде интронсыз GLUD2 пайда болғанына дәлелдер бар. GLUD2 гені жүйке жүйесінің ерекше қажеттіліктеріне бейімделіп, сол жерде ғана белсенділік көрсетеді.
Белсенділер
GLUD1 – гексамер. Мономерлік бірлікте: негізінен β-қабаттардан тұратын N-терминалдық Glu BD (байлау домені) бар. NAD BD, NAD+ немесе NADP+ байланыстыра алады. 48 қалдықтан тұратын антенна, әр NAD BD-нің жоғарғы жағынан созылатын проекция сияқты. Антенна – көтерілетін спиральдан және төмен түсетін ретсіз орамнан тұрады, оның ішінде жіптің C-терминалды ұшына қарай кішкентай α-спираль орналасқан. NAD BD, Glu BD-нің үстінде орналасқан. NAD BD және Glu BD каталитикалық жарықты құрайды. Субстрат байланысы кезінде NAD BD айтарлықтай қозғалады. Бұл қозғалыстың екі компоненті бар: NAD BD-нің арт жағындағы спиральдің бойымен айналу, бұл спираль "пивот спиралі" деп аталады, және антеннаның сағат тілі бойынша бұрылуы. GLUD1-дің ашық және жабық конформацияларын салыстыру, антеннаның төмен түсетін жібінің кішкентай спираліндегі өзгерістерді көрсетеді, ол каталитикалық жарық ашылғанда кері қайтады. Бір кішібөлімнің жабылуы, көршілес кішібөлімнің антеннасына итерілген төмен түсетін жіптің кішкентай спиралінің деформациясымен байланысты. R496 осы кішкентай спиральде орналасқан (Мутацияларға қараңыз). Гексамердің негізгі құрылымы – тримерлердің үйлесімді димері. Мономерлердің Glu BD-лары негізінен ядроның құрылымына жауапты. Мономерлердің өзара орналасуы сондай, әрі әр мономердегі пивот спиралі бойынша айналу шектелмейді. Тримерлердегі үш кішібөлімнің антенналары бір-біріне оралып, каталитикалық жарық ашылып, жабылатын кезде конформациялық өзгерістерге ұшырайды. Антенна, теріс кооперативтілік және аллостериялық реттеу кезінде кішібөлімдер арасындағы байланыс арнасы ретінде қызмет етеді. Әртүрлі көздерден алынған GLUD1-дің салыстырылуы, антеннаның пурин реттегіш орындары пайда болғанға дейін протесталарда дамығандығын көрсетеді. Бұл антеннаның өзінің таңдау артықшылығы бар екенін және жануарлар аллостериялық реттеуді қосу арқылы GLUD1 үшін жаңа функцияларды дамытқандығын көрсетеді. GLUD1 гексамерлердің ұштарының бірігуі арқылы ұзын талшықтарды құра алады. Полимерлендіру катализдік белсенділікке байланысты емес, бірақ мультиферменттік кешендердің құрылысы сияқты маңызды рөл атқарады. GLUD1-де екі кофермент байланыс орны бар: біреуі NAD BD-де, ол NAD+ немесе NADP+ байланыстыра алады және катализдік процеске тікелей қатысады, ал екіншісі, реттегіш функцияға ие, півот спиралінің астында орналасқан, ол ADP, NAD+ немесе NADH байланыстыра алады, бірақ NADPH-ты жақсы байланыстырмайды.
N terminal Glu BD(Binding domain) that is composed mostly of β strands. NAD BD can bind either NAD+ or NADP+. 48 residue antenna like projection that extends from the top of each NAD BD. The antenna consists of an ascending helix and a descending random coil strand that contains a small α helix toward the C terminal end of the strand. NAD BD sits on the top of Glu BD. NAD BD and Glu BD form the catalytic cleft. During substrate binding, the NAD BD moves significantly. This movement has two components, rotating along the long axis of a helix at the back of the NAD BD, called "the pivot helix", and twisting about the antenna in a clockwise fashion. A comparison of the open and closed conformations of GLUD1 reveals changes in the small helix of the descending strand of the antenna, which seems to recoil as the catalytic cleft opens. Closure of one subunit is associated with distortion of the small helix of the descending strand that is pushed into the antenna of the adjacent subunit. R496 is located on this small helix (see Mutations). The core structure of the hexamer is a stacked dimer of trimers. Glu BDs of the monomers are mainly responsible in the buildup of the core. The relative position of the monomers is such that the rotation about the pivot helix in each monomer is not restricted. The antennae from three subunits within the trimers wrap around each other and undergo conformational changes as the catalytic cleft opens and closes. The antenna serves as an intersubunit communication conduit during negative cooperativity and allosteric regulation. Alignment of GLUD1 from various sources, shows that the antenna probably evolved in the protista prior to the formation of purine regulatory sites. This suggests that there is some selective advantage of the antenna itself and that animals evolved new functions for GLUD1 through the addition of allosteric regulation. GLUD1 can form long fibers by end to end association of the hexamers. The polymerization is unrelated to the catalytic activity, but probably has an important role such as formation of multienzyme complexes. GLUD1 has two co enzyme binding sites: one in the NAD BD that is able to bind ether NAD+ or NADP+ and is directly involved in the catalytic process, and a second one, that has regulatory function, lying directly under the pivot helix, that can bind ADP, NAD+, or NADH, but does not bind NADPH well.
Функция
GLUD1 кофактор ретінде NAD+ немесе NADP+ қолдана отырып, Glu-ді 2-оксоглутаратқа және еркін NH4+ -қа окистендіру арқылы деаминациялайды. Реакция Глюдың Cα атомынан NAD(P)+-қа гидрид ионының өтуімен жүзеге асады, соның нәтижесінде 2-иминоглутарат пайда болады, ол 2-оксоглутарат пен NH4+ -қа гидролизденеді. Стандартты жағдайларда реакцияның тепе-теңдігі Glu түзілуге NH4+ (Go' ~ 30 кДж·моль-1) түзілуіне қарағанда әлдеқайда жақын. Осы себепті фермент аммиакты заласыздандыруда маңызды рөл атқарады деп есептелді, себебі жоғары [NH4+] концентрациясы уытты болғандықтан, бұл тепе-теңдік физиологиялық маңызға ие; ол төмен [NH4+] деңгейін сақтауға көмектеседі. Дегенмен, гиперинсулинемияның белгілі бір түрінен туындаған гипераммонемияның кейбір түрлеріне шалдыққан адамдарда фермент белсенділігі GTP сезімталдығының төмендеуіне байланысты артады, ал GTP – теріс реттеуші. Бұл адамдардың қандағы аммиак деңгейі айтарлықтай жоғарылайды, егер фермент шынымен тепе-теңдікте жұмыс істесе, онда мұндай күтілмеген.
АДБ
ADP NAD BD-нің артында, арнайы ADP аллостериялық орнында, півот спиралінің астында байланысады. Аденозин бөлігі гидрофобты қуысқа терең бойлап кіріп байланысады, ал рибоза фосфат топтары GTP аллостериялық орнына қарай сыртқа қарай бағытталған. NADH жоғары концентрацияда болғанда ADP орнына да байланыса алады, бұл көбінесе ферменттің тежелуіне алып келеді.
GTP
ГТФ байланысы Pi және ADP арқылы тежеледі, бірақ катализдік емес аллостерикалық орында NADH-пен синергиялық болады. ГТФ пен фермент арасындағы байланыстардың көп бөлігі трифосфат бөлігі арқылы жүзеге асады. ГТФ байланысу орны жасушаның энергиясы жоғары деңгейде болғанда ферментті өшіретін "сенсор" ретінде қарастырылады. ГТФ NAD BD және антенна арасындағы қосылысқа байланысады. GLUD1 ГТФ өзара әрекеттесулерінің көпшілігі β және γ фосфаттар арқылы жүзеге асса да, E346 және K343 қышқылдықтарына қатысты аденозинге қарағанда гуанозинге артықшылық беретін ерекше өзара әрекеттесулер бар. Ашық конформацияда ГТФ байланысу орны деформацияланады, сондықтан ол енді ГТФ-ты байланыстыра алмайды, осылайша GLUD1 катализдік емес тоқтатылған кешендерді үйлестіруге мүмкіндік береді.
GTP
GTP кең ауқымды жағдайларда фермент алмасуын тежейді, GLUD1-дің реакция өніміне деген туыстығын арттырады, нәтижесінде GTP қатысуында барлық жағдайларда өнімнің босатылу жылдамдығы шектеуші фактор болады. GTP каталитикалық ойықты жабық конформацияда ұстап тұрады, осылайша нәтижесіз кешендерді тұрақтандырады. GLUD1-ге GTP-нің әсері тек оған байланысқан суббөлімге ғана емес, сонымен қатар антенна бұл тежелуді басқа суббөлімдерге жеткізуде маңызды рөл атқарады.
Леу
Лейцин GLUD1-ді АДФ-ке тәуелсіз түрде белсендіреді, суббөлімдер интерфейсінің 8AR7 аймағында ерекше аллостериялық орынға ие.
Клиникалық сипаттамалары
FHI гипогликемиямен сипатталады, ол жаңа туған кезде ауыр түрде басталып, емдеуі қиын аурудан бастап, балалық шақта жеңіл симптомдармен көрініс беретін және гипогликемияны анықтау қиын болатын ауруларға дейін жетеді. Жаңа туған кездегі ауру туғаннан кейін бірнеше сағаттан екі күнге дейін пайда болады. Балалық шақтағы ауру өмірдің алғашқы айларында немесе жылдарында көрінеді. Жаңа туған кезеңінде симптомдар әдетте нақты емес болуы мүмкін, мысалы, ұстамалар, гипотония, нашар тамақтану және апноэ. Ауыр жағдайларда қандағы глюкоза деңгейі өте төмен болады, сондықтан оны анықтау оңай, ал жеңіл жағдайларда айнымалы және жеңіл гипогликемия диагноз қоюды қиындатады. Тіпті бір отбасы ішінде де аурудың көрінісі жеңілден ауырға дейін өзгеруі мүмкін.
Диагностика / тестілеу
Ауруға шалдыққан адамдардың шамамен 45% - ның ABCC8 генінде (SUR1 белгісін кодтайтын) немесе KCNJ11 генінде (Kir6.2 белгісін кодтайтын) мутациялары болады. Ашкенази еврейлері арасында екі ABCC8 генінің бастапқы мутациясы FHI-дың шамамен 97% жағдайына жауап береді. Финляндиялық популяцияда басқа ABCC8 генінің бастапқы мутациялары да кездеседі (p. Val187Asp және p. Asp1506Lys). GLUD1 және HNF4A гендеріндегі мутациялар FHI диагнозы қойылған адамдардың шамамен 5% - ын құрайды. GCK генін белсендіретін немесе HADH генін белсендірмейтін мутациялар FHI диагнозы қойылған адамдардың 1% - дан кемінде кездеседі. UCP2 геніндегі мутациялар бүгінгі күнге дейін тек екі отбасыда ғана анықталған. FHI диагнозы қойылған адамдардың шамамен 40% - ның FHI-мен байланысты деп белгіленген гендердің ешқайсысында анықталатын мутациясы жоқ.
Менеджмент
Алғашқы диагноз қойылған кезде гипогликемия плазмадағы глюкоза концентрациясын қалыпқа келтіру және мидың зақымдануын болдырмау үшін көктамырға глюкоза енгізу арқылы түзетіледі. Ұзақ мерзімді медициналық басқаруға диазоксид, соматостатин аналогтары, нифедипин, глюкагон, рекомбинантты IGF I, глюкокортикоидтар, адам өсу гормоны, диеталық түзетулер немесе осы емдердің комбинациялары кіруі мүмкін. Егер агрессивті медициналық емдеу плазмадағы глюкоза концентрациясын қауіпсіз деңгейде ұстап тұра алмаса, немесе мұндай емді уақыт өте келе қауіпсіз түрде жалғастыру мүмкін болмаса, бүйрек үсті безін хирургиялық жолмен алып тастау қарастырылады.