Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Класс ферментов
Class of enzymes
Гликогенфосфорилаза является одним из ферментов группы фосфорилаз. Гликогенфосфорилаза катализирует лимитирующую стадию гликогенолиза у животных, отщепляя глюкозо-1-фосфат от терминальной альфа-1,4-гликозидной связи. Гликогенфосфорилаза также изучается как модельный белок, регулируемый как обратимым фосфорилированием, так и аллостерическими эффектами.
Glycogen phosphorylase is one of the phosphorylase enzymes Glycogen phosphorylase catalyzes the rate limiting step in glycogenolysis in animals by releasing glucose 1 phosphate from the terminal alpha 1,4 glycosidic bond. Glycogen phosphorylase is also studied as a model protein regulated by both reversible phosphorylation and allosteric effects.
Структура
Мономер гликогенфосфорилазы представляет собой крупный белок, состоящий из 842 аминокислот с массой 97,434 кДа в мышечных клетках. Хотя фермент может существовать в виде неактивного мономера или тетрамера, он биологически активен в виде димера из двух идентичных субъединиц. У млекопитающих основные изоферменты гликогенфосфорилазы обнаружены в мышцах, печени и мозге. Мозговой тип преобладает в мозге взрослого организма и эмбриональных тканях, в то время как печеночный и мышечный типы преобладают во взрослой печени и скелетных мышцах соответственно. Димер гликогенфосфорилазы имеет множество областей, имеющих биологическое значение, включая каталитические центры, участки связывания гликогена, аллостерические центры и сериновый остаток, подвергающийся обратимому фосфорилированию. Во-первых, каталитические центры относительно скрыты, находятся на расстоянии 15 Å от поверхности белка и от интерфейса субъединиц. Отсутствие легкого доступа к каталитическому центру с поверхности существенно, поскольку делает активность белка высокочувствительной к регуляции, так как небольшие аллостерические эффекты могут значительно увеличить относительный доступ гликогена к центру. Вероятно, наиболее важным регуляторным центром является Ser14 – сайт обратимого фосфорилирования, расположенный очень близко к интерфейсу субъединиц. Структурное изменение, связанное с фосфорилированием и превращением фосфорилазы b в фосфорилазу a, заключается в организации первоначально неупорядоченных остатков 10–22 в α-спирали. Это изменение увеличивает активность фосфорилазы до 25%, даже в отсутствие AMP, и дополнительно усиливает активацию AMP. Аллостерические центры связывания AMP в мышечных изоформах гликогенфосфорилазы расположены близко к интерфейсу субъединиц, как и Ser14. Связывание AMP в этом центре, соответствующее переходу фермента из T-состояния в R-состояние, приводит к небольшим изменениям в третичной структуре на интерфейсе субъединиц, вызывающим значительные изменения в четвертичной структуре. Связывание AMP поворачивает башневые спирали (остатки 262–278) двух субъединиц на 50° относительно друг друга за счет большей организации и межсубъединичных взаимодействий. Это вращение башневых спиралей приводит к вращению двух субъединиц на 10° относительно друг друга и, что более важно, дезорганизует остатки 282–286 (петля 280), которые блокируют доступ к каталитическому центру в T-состоянии, но не в R-состоянии.
The glycogen phosphorylase monomer is a large protein, composed of 842 amino acids with a mass of 97.434 kDa in muscle cells. While the enzyme can exist as an inactive monomer or tetramer, it is biologically active as a dimer of two identical subunits. In mammals, the major isozymes of glycogen phosphorylase are found in muscle, liver, and brain. The brain type is predominant in adult brain and embryonic tissues, whereas the liver and muscle types are predominant in adult liver and skeletal muscle, respectively. The glycogen phosphorylase dimer has many regions of biological significance, including catalytic sites, glycogen binding sites, allosteric sites, and a reversibly phosphorylated serine residue. First, the catalytic sites are relatively buried, 15Å from the surface of the protein and from the subunit interface. This lack of easy access of the catalytic site to the surface is significant in that it makes the protein activity highly susceptible to regulation, as small allosteric effects could greatly increase the relative access of glycogen to the site. Perhaps the most important regulatory site is Ser14, the site of reversible phosphorylation very close to the subunit interface. The structural change associated with phosphorylation, and with the conversion of phosphorylase b to phosphorylase a, is the arrangement of the originally disordered residues 10 to 22 into α helices. This change increases phosphorylase activity up to 25% even in the absence of AMP, and enhances AMP activation further. The allosteric site of AMP binding on muscle isoforms of glycogen phosphorylase are close to the subunit interface just like Ser14. Binding of AMP at this site, corresponding in a change from the T state of the enzyme to the R state, results in small changes in tertiary structure at the subunit interface leading to large changes in quaternary structure. AMP binding rotates the tower helices (residues 262 278) of the two subunits 50˚ relative to one another through greater organization and intersubunit interactions. This rotation of the tower helices leads to a rotation of the two subunits by 10˚ relative to one another, and more importantly disorders residues 282 286 (the 280s loop) that block access to the catalytic site in the T state but do not in the R state.
Клиническое значение
Ингибирование гликогенфосфорилазы было предложено в качестве одного из методов лечения диабета 2 типа. Поскольку установлено, что продукция глюкозы в печени повышена у пациентов с диабетом 2 типа, подавление высвобождения глюкозы из запасов гликогена в печени представляется обоснованным подходом. Клонирование гликогенфосфорилазы печени человека (HLGP) выявило новый аллостерический центр связывания вблизи интерфейса субъединиц, отсутствующий в гликогенфосфорилазе мышцы кролика (RMGP), обычно используемой в исследованиях. Этот центр не чувствителен к тем же ингибиторам, что и AMP-аллостерический центр, и наибольший успех был достигнут при синтезе новых ингибиторов, имитирующих структуру глюкозы, поскольку глюкозо-6-фосфат является известным ингибитором HLGP и стабилизирует менее активное T-состояние. Эти производные глюкозы показали некоторую эффективность в ингибировании HLGP, с прогнозируемыми значениями Ki до 0,016 мМ. Мутации в мышечной изоформе гликогенфосфорилазы (PYGM) связаны с гликогенозом V типа (GSD V, болезнь МакАрдля). На сегодняшний день идентифицировано более 65 мутаций в гене PYGM, приводящих к болезни МакАрдля. Симптомы болезни МакАрдля включают мышечную слабость, миалгию и недостаток выносливости, обусловленные низким уровнем глюкозы в мышечной ткани. Мутации в печеночной изоформе гликогенфосфорилазы (PYGL) связаны с болезнью Херса (гликогеноз VI типа). Болезнь Херса часто протекает с умеренными симптомами, обычно ограничивающимися гипогликемией, и иногда ее трудно диагностировать из-за остаточной активности фермента. Изоформа гликогенфосфорилазы мозга (PYGB) была предложена в качестве биомаркера рака желудка.
The inhibition of glycogen phosphorylase has been proposed as one method for treating type 2 diabetes. Since glucose production in the liver has been shown to increase in type 2 diabetes patients, inhibiting the release of glucose from the liver's glycogen's supplies appears to be a valid approach. The cloning of the human liver glycogen phosphorylase (HLGP) revealed a new allosteric binding site near the subunit interface that is not present in the rabbit muscle glycogen phosphorylase (RMGP) normally used in studies. This site was not sensitive to the same inhibitors as those at the AMP allosteric site, and most success has been had synthesizing new inhibitors that mimic the structure of glucose, since glucose 6 phosphate is a known inhibitor of HLGP and stabilizes the less active T state. These glucose derivatives have had some success in inhibiting HLGP, with predicted Ki values as low as 0.016 mM. Mutations in the muscle isoform of glycogen phosphorylase (PYGM) are associated with glycogen storage disease type V (GSD V, McArdle's Disease). More than 65 mutations in the PYGM gene that lead to McArdle disease have been identified to date. Symptoms of McArdle disease include muscle weakness, myalgia, and lack of endurance, all stemming from low glucose levels in muscle tissue. Mutations in the liver isoform of glycogen phosphorylase (PYGL) are associated with Hers' Disease (glycogen storage disease type VI). Hers' disease is often associated with mild symptoms normally limited to hypoglycemia, and is sometimes difficult to diagnose due to residual enzyme activity. The brain isoform of glycogen phosphorylase (PYGB) has been proposed as a biomarker for gastric cancer.
Регулирование
Гликогенфосфорилаза регулируется аллостерическим контролем и фосфорилированием. Фосфорилаза a и фосфорилаза b существуют в двух формах: T (напряженное) неактивное состояние и R (расслабленное) состояние. Фосфорилаза b обычно находится в T-состоянии, неактивна из-за физиологического присутствия АТФ и глюкозо-6-фосфата, а фосфорилаза a обычно находится в R-состоянии (активна). Изофермент гликогенфосфорилазы существует в печени и чувствителен к концентрации глюкозы, поскольку печень действует как экспортер глюкозы. По сути, печеночная фосфорилаза реагирует на глюкозу, что вызывает чувствительный переход из R-формы в T-форму, инактивируя ее; кроме того, печеночная фосфорилаза нечувствительна к AMP. Гормоны, такие как эпинефрин, инсулин и глюкагон, регулируют гликогенфосфорилазу, используя системы усиления второго мессенджера, связанные с G-белками. Глюкагон активирует аденилатциклазу через G-белок-связанный рецептор (GPCR), соединенный с Gs, который, в свою очередь, активирует аденилатциклазу для увеличения внутриклеточной концентрации цАМФ. цАМФ связывается с протеинкиназой А (PKA) и активирует ее. PKA фосфорилирует фосфорилазкиназу, которая, в свою очередь, фосфорилирует гликогенфосфорилазу b в Ser14, превращая ее в активную гликогенфосфорилазу a. В печени глюкагон также активирует другой GPCR, который запускает другой каскад, приводящий к активации фосфолипазы C (PLC). PLC косвенно вызывает высвобождение кальция из эндоплазматического ретикулума гепатоцитов в цитозоль. Повышенная доступность кальция связывается с субъединицей кальмодулина и активирует гликогенфосфорилазкиназу. Гликогенфосфорилазная киназа активирует гликогенфосфорилазу тем же способом, как описано выше. Гликогенфосфорилаза b не всегда неактивна в мышцах, поскольку она может быть активирована аллостерически AMP.
Glycogen phosphorylase is regulated through allosteric control and through phosphorylation. Phosphorylase a and phosphorylase b each exist in two forms: a T (tense) inactive state and an R (relaxed) state. Phosphorylase b is normally in the T state, inactive due to the physiological presence of ATP and Glucose 6 phosphate, and Phosphorylase a is normally in the R state (active). An isoenzyme of glycogen phosphorylase exists in the liver sensitive to glucose concentration, as the liver acts as a glucose exporter. In essence, liver phosphorylase is responsive to glucose, which causes a very responsive transition from the R to T form, inactivating it; furthermore, liver phosphorylase is insensitive to AMP. Hormones such as epinephrine, insulin and glucagon regulate glycogen phosphorylase using second messenger amplification systems linked to G proteins. Glucagon activates adenylate cyclase through a G protein coupled receptor (GPCR) coupled to Gs which in turn activates adenylate cyclase to increase intracellular concentrations of cAMP. cAMP binds to and activates protein kinase A (PKA). PKA phosphorylates phosphorylase kinase, which in turn phosphorylates glycogen phosphorylase b at Ser14, converting it into the active glycogen phosphorylase a. In the liver, glucagon also activates another GPCR that triggers a different cascade, resulting in the activation of phospholipase C (PLC). PLC indirectly causes the release of calcium from the hepatocytes' endoplasmic reticulum into the cytosol. The increased calcium availability binds to the calmodulin subunit and activates glycogen phosphorylase kinase. Glycogen phosphorylase kinase activates glycogen phosphorylase in the same manner mentioned previously. Glycogen phosphorylase b is not always inactive in muscle, as it can be activated allosterically by AMP.
Историческое значение
Гликогенфосфорилаза была первым открытым аллостерическим ферментом. Арда Грин и Герти Кори впервые кристаллизовали его в 1943 году и показали, что гликогенфосфорилаза существует в форме a или b, в зависимости от степени её фосфорилирования, а также в R- или T-состояниях, определяемых наличием АМФ.
Glycogen phosphorylase was the first allosteric enzyme to be discovered. Arda Green and Gerty Cori crystallized it for the first time in 1943 and illustrated that glycogen phosphorylase existed in either the or b forms depending on its phosphorylation state, as well as in the R or T states based on the presence of AMP.