Кіріспе
Сүтқоректілерде гликоген өндірісіне қатысатын ақуыз – 1,4 альфа глюкан тармақтану ферменті, сондай-ақ тармақтану ферменті немесе гликоген тармақтану ферменті деп аталады. Бұл фермент адамдарда GBE1 генімен кодталады. Гликоген тармақтану ферменті гликоген синтезі кезінде гликоген молекуласына тармақтар қосатын фермент. Нақтырақ айтқанда, гликоген синтезі кезінде глюкоза-1 фосфат молекуласы уридин трифосфатымен (UTP) реакцияласып, глюкозаның белсенді түрі – UDP глюкозаға айналады. UDP глюкозаның белсенді глюкозил тобы гликогеннің соңғы қалдықтарының C4 гидроксил тобына α 1,4 гликозидтік байланысын құру үшін беріледі, бұл реакция гликоген синтетазасымен катализделеді. Маңыздысы, гликоген синтетазасы тек α 1,4 гликозидтік байланыстардың синтезін катализдей алады. Гликоген глюкозаның оңай ыдырап қолданылатын қоры болғандықтан, кеңейтілген гликоген полимері гликоген тармақтану ферментімен тармақталады, бұл гликоген фосфорилазасы сияқты гликогенді ыдырату ферменттерін жылдам ыдырату үшін көптеген терминалдық қалдықтармен қамтамасыз етеді. Тармақтану гликогеннің ерігіштігін арттырады және осмостық күшін төмендетеді. Бұл генмен кодталатын ақуыз – гликоген тармақтану ферменті, ол гликоген тізбегінің сыртқы шетінен альфа 1,4 байланысты глюкозил бірліктерін сол немесе жақын гликоген тізбегіндегі альфа 1,6 позициясына ауыстыруды катализдейді. Тізбектердің тармақтануы гликоген молекуласының ерігіштігін арттыру және жасуша ішіндегі осмостық қысымды төмендету үшін маңызды. Бұл ферменттің ең жоғары деңгейі бауыр және бұлшықет жасушаларында кездеседі. Бұл гендегі мутациялар IV типті гликогенді сақтау ауруымен (Андерсен ауруы деп те аталады) байланысты.
1,4 alpha glucan branching enzyme, also known as brancher enzyme or glycogen branching enzyme is an enzyme that in humans is encoded by the GBE1 gene. Glycogen branching enzyme is an enzyme that adds branches to the growing glycogen molecule during the synthesis of glycogen, a storage form of glucose. More specifically, during glycogen synthesis, a glucose 1 phosphate molecule reacts with uridine triphosphate (UTP) to become UDP glucose, an activated form of glucose. The activated glucosyl unit of UDP glucose is then transferred to the hydroxyl group at the C 4 of a terminal residue of glycogen to form an α 1,4 glycosidic linkage, a reaction catalyzed by glycogen synthase. Importantly, glycogen synthase can only catalyze the synthesis of α 1,4 glycosidic linkages. Since glycogen is a readily mobilized storage form of glucose, the extended glycogen polymer is branched by glycogen branching enzyme to provide glycogen breakdown enzymes, such as glycogen phosphorylase, with many terminal residues for rapid degradation. Branching also importantly increases the solubility and decreases the osmotic strength of glycogen. The protein encoded by this gene is a glycogen branching enzyme that catalyzes the transfer of alpha 1,4 linked glucosyl units from the outer end of a glycogen chain to an alpha 1,6 position on the same or a neighboring glycogen chain. Branching of the chains is essential to increase the solubility of the glycogen molecule and, consequently, in reducing the osmotic pressure within cells. The highest levels of this enzyme are found in liver and muscle cells. Mutations in this gene are associated with glycogen storage disease type IV (also known as Andersen's disease).
Номенклатура
Бұл фермент трансферазалар тобына жатады, дәлірек айтқанда, гексозаларды (гексозилтрансферазаларды) көшіретін гликозилтрансферазалар. Бұл фермент класының жүйелі атауы – 1,4 альфа-D глюкан:1,4 альфа-D глюкан 6 альфа-D (1,4 альфа-D глюкано) трансфераза. Басқа да жиі қолданылатын атаулар: тармақталу ферменті, амило (1,4→1,6) трансгликозилаза, Q ферменті, альфа-глюкан тармақталу гликозильтрансферазасы, амилоза изомеразасы, ферменттік тармақталу факторы, тармақталу гликозильтрансферазасы, Q ферменті, глюкозан трансгликозилазасы, 1,4 альфа-глюкан тармақталу ферменті 1, өсімдік тармақталу ферменті, альфа 1,4 глюкан:альфа 1,4 глюкан 6 гликозильтрансферазасы және крахмал тармақталу ферменті. Бұл фермент крахмал және сахароза метаболизміне қатысады.
Ген
GBE GBE1 генімен кодталады. Адам және кеміргіштердің соматикалық жасушалық гибридтерінен алынған ДНК-ның оңтүстік блотталған талдауы арқылы GBE1 автосомалық ген ретінде анықталды, ол 3-ші хромосоманың қысқа жағында 12.3 позициясында орналасқан. Адамның GBE гені Saccharomyces cerevisiae GBE жетіспеушілігінің функциялық толықтырылуы арқылы да оқшауланды. Рентгендік кристаллография көрсеткендей, гликоген тармақтану ферменті үш доменге ұйымдастырылған төрт шамалы асимметриялық бірліктерден тұрады: тізбек көшіру ұзындығын анықтауға қатысатын аминдық терминалды домен, субстратқа қалаулылығы мен катализдік қабілетіне қатысатын карбоксильдік терминалды домен және орталық (α/β) баррельді катализдік домен. Аминдық терминалды домен 128 қалдықтан тұрады, олар жеті β-спиральға орналасқан, карбоксильдік терминалды доменде де 116 қалдық бар, олар жеті β-спиральға ұйымдастырылған, ал (α/β) баррельді доменде 372 қалдық бар. Орталық (α/β) баррельді домен α-амилаза отбасының мүшелерінде кең таралған болса да, әртүрлі баррельді домендер арасында көптеген айырмашылықтар бар. Сонымен қатар, осы әртүрлі α-амилаза мүшелері арасында, әсіресе активті орталықтың маңында, екіншілік құрылым элементтерін байланыстыратын циклдерде айқын айырмашылықтар бар. Отбасының басқа мүшелерімен салыстырғанда, гликоген байланыстыру ферменті қысқа циклдарға ие, бұл бұтақталған қант сияқты үлкен субстратты байланыстыруға қолайлы, кеңірек қуысқа әкеледі. Алғашқы құрылымды талдау және α-амилаза отбасының мүшелерінің рентгендік кристаллографиялық құрылымдары арқылы жеті қалдық сақталды: Asp335, His340, Arg403, Asp405, Glu458, His525 және Asp526 (E. coli нөмірлеуі). Бұл қалдықтар катализ және субстрат байланысына қатысады.
Функция
Гликогенде әр 10-14 глюкоза бірлігіне қосымша тізбегі бар бүйірлік тармақ пайда болады. Бүйірлік тізбек глюкоза бірлігінің 6-шы көміртек атомына α1,6 гликозидтік байланыс арқылы жалғасады. Бұл байланысты, әдетте α-глюкан тармақтану ферменті деп аталатын тармақтану ферменті катализдейді. Тармақтану ферменті жеті глюкоза бірлігінен тұратын тізбекті (бұл сан аздап өзгеруі мүмкін) глюкоза бірлігіндегі С6 позициясындағы көміртекке жалғап, α1,6 гликозидтік байланысын құрайды. Бұл ферменттің ерекшелігі – осы 7 көміртекті тізбек көбінесе басқа тізбектің тотықпайтын ұшынан үшінші орында орналасқан глюкоза молекуласына қосылады. Фермент глюкоза бірліктерінің саны мен олардың жалғанатын орнына қатысты мұндай жоғары дәлдікпен жұмыс істейтіндіктен, өте ерекше, көп тармақталған гликоген молекуласын жасайды.
Клиникалық маңызы
Бұл геннің мутациялары жаңа туған нәрестелерде гликогенді сақтау ауруының IV түрімен (сонымен қатар Андерсен ауруы деп те аталады) және ересектердегі полиглюкозанды дене ауруымен байланысты. GBE1 геніндегі шамамен 40 мутация, олардың көпшілігі гликогенді тармақтау ферментіндегі нүктелік мутацияға себеп болады, ерте балалық шақтағы гликогенді сақтау ауруының IV түріне (GSD IV) алып келеді. Бауырдағы гликогеннің қалыптан тыс жиналуы бауырдың жұмысына кедергі келтіріп, бауырдың үлғаюына және бауыр ауруларына әкелуі мүмкін. Бұлшық еттерде тармақталудың күрт азаюы немесе толық жоқтығынан гликогенді тиімді ыдырату мүмкін болмағандықтан бұлшық әлсіздігі мен атрофия дамуы мүмкін. GSD IV-те GBE белсенділігі анықталмайды немесе минималды деңгейде ғана анықталады, ал полиглюкозанды дене ауруында (APBD) GBE белсенділігі төмендеген немесе тіпті қалыпты болып қалуы мүмкін.