Введение

Энзим GLUD1 (глутаматдегидрогеназа 1) – это митохондриальный матричный фермент, один из семейства глутаматдегидрогеназ, широко распространенных в живых организмах, играющий ключевую роль в метаболизме азота и глутамата (Glu) и поддержании энергетического гомеостаза. Эта дегидрогеназа экспрессируется на высоком уровне в печени, головном мозге, поджелудочной железе и почках, но не в мышцах. В клетках поджелудочной железы предполагается, что GLUD1 участвует в механизмах секреции инсулина. В нервной ткани, где концентрация глутамата выше, чем в других тканях, GLUD1, по-видимому, участвует как в синтезе, так и в катаболизме глутамата, а также, возможно, в детоксикации аммиака.

Ген

GLUD1 человека содержит 13 экзонов и расположен на 10-й хромосоме. Есть данные, свидетельствующие о том, что GLUD1 был ретропозирован на X-хромосому, где в результате случайных мутаций и естественного отбора он дал начало GLUD2, гену, лишенному интронов. GLUD2 адаптировался к специфическим потребностям нервной системы, где он специфически экспрессируется.

Белок

GLUD1 является гексамером. Мономерная единица имеет: N-концевой Glu BD (связывающий домен), состоящий преимущественно из β-цепей. NAD BD может связывать как NAD+, так и NADP+. От каждого NAD BD отходит 48-аминокислотный антенноподобный выступ. Антенна состоит из восходящей α-спирали и нисходящей случайной петли, содержащей небольшую α-спираль к C-концевому концу петли. NAD BD расположен над Glu BD. NAD BD и Glu BD формируют каталитический центр. Во время связывания субстрата NAD BD значительно смещается. Это смещение имеет две составляющие: вращение вокруг продольной оси спирали, расположенной в задней части NAD BD, называемой "опорной спиралью", и скручивание вокруг антенны по часовой стрелке. Сравнение открытой и закрытой конформаций GLUD1 выявляет изменения в небольшой спирали нисходящей петли антенны, которая, по-видимому, сжимается при открытии каталитического центра. Закрытие одной субъединицы связано с деформацией небольшой спирали нисходящей петли, которая вдавливается в антенну соседней субъединицы. R496 расположен на этой небольшой спирали (см. Мутации). Основная структура гексамера представляет собой димер, состоящий из тримеров. Glu BD мономеров в основном ответственны за формирование ядра. Относительное положение мономеров таково, что вращение вокруг опорной спирали в каждом мономере не ограничено. Антенны от трех субъединиц внутри тримера обвиваются друг вокруг друга и претерпевают конформационные изменения при открытии и закрытии каталитического центра. Антенна служит каналом межсубъединичной коммуникации во время отрицательной кооперативности и аллостерической регуляции. Выравнивание GLUD1 из различных источников показывает, что антенна, вероятно, эволюционировала у протистов до формирования пуриновых регуляторных участков. Это указывает на наличие определенного селективного преимущества самой антенны и на то, что у животных развились новые функции GLUD1 посредством добавления аллостерической регуляции. GLUD1 может образовывать длинные волокна за счет концевого соединения гексамеров. Полимеризация не связана с каталитической активностью, но, вероятно, играет важную роль, например, в формировании мультиферментных комплексов. GLUD1 имеет два сайта связывания коферментов: один в NAD BD, способный связывать либо NAD+, либо NADP+ и непосредственно участвующий в каталитическом процессе, и второй, обладающий регуляторной функцией, расположенный непосредственно под опорной спиралью, который может связывать ADP, NAD+ или NADH, но плохо связывает NADPH.

Функция

GLUD1 катализирует окислительное деаминирование глутамина до 2-оксоглутарата и свободного NH4+, используя NAD+ или NADP+ в качестве кофактора. Реакция происходит с переносом иона гидрида от Cα глутамина к NAD(P)+, в результате чего образуется 2-иминоглутарат, который гидролизуется до 2-оксоглутарата и NH4+. Равновесие реакции при стандартных условиях значительно сдвинуто в сторону образования глутамина, а не NH4+ (Go' ~ 30 кДж/моль). По этой причине предполагалось, что фермент играет важную роль в детоксикации аммиака, поскольку высокие концентрации NH4+ токсичны, и такое положение равновесия было бы физиологически значимо, способствуя поддержанию низких концентраций NH4+. Однако у людей с определенной формой гипераммонемии, вызванной гиперинсулинизмом, активность фермента повышена из-за сниженной чувствительности к ГТФ, являющемуся отрицательным регулятором. У этих пациентов уровни аммиака в крови значительно повышены, что не соответствовало бы ожидаемому результату, если бы фермент действительно работал в состоянии равновесия.

АДП

АДФ связывается позади NAD-связывающего домена, непосредственно под поворотной спиралью, в специализированном аллостерическом центре для АДФ. Аденозиновый фрагмент погружается в гидрофобный карман, а группы рибозофосфата направлены наружу, к аллостерическому центру для ГТФ. NADH также может связываться с центром АДФ при высоких концентрациях, что обычно приводит к ингибированию фермента.

ГТП

Связывание с GTP антагонизируется Pi и ADP, но проявляет синергизм с NADH, связанным в некаталитическом аллостерическом центре. Большинство контактов между GTP и ферментом осуществляется через трифосфатный фрагмент. Считается, что место связывания GTP является "сенсором", отключающим фермент при высоком энергетическом состоянии клетки. GTP связывается в области соединения NAD-связывающего домена и антенны. В то время как большинство взаимодействий GLUD1 с GTP опосредованы β- и γ-фосфатами, существуют специфические взаимодействия с E346 и K343, которые отдают предпочтение гуанозину по сравнению с аденозином. В открытой конформации место связывания GTP деформировано таким образом, что больше не способно связывать GTP, что позволяет GLUD1 разрешать некаталитические неполноценные комплексы.

ГТП

GTP ингибирует обновление фермента в широком диапазоне условий, повышая сродство GLUD1 к продукту реакции, что делает скорость высвобождения продукта лимитирующей стадией при любых условиях в присутствии GTP. GTP действует, поддерживая каталитическую щель в закрытой конформации, тем самым стабилизируя абортивные комплексы. Влияние GTP на GLUD1 не ограничивается только субъединицей, к которой он связывается, и антенна играет важную роль в передаче этого ингибирования другим субъединицам.

Львов

Леу активирует GLUD1 независимо от АДФ, имея специальный аллостерический сайт в области интерфейса между субъединицами 8AR7.

Клинические характеристики

Для ФГИ характерна гипогликемия, варьирующая от тяжелой формы с неонатальным началом, трудно поддающейся коррекции, до болезни, начинающейся в детском возрасте, с легкими симптомами и затрудненной диагностикой гипогликемии. Неонатальная форма проявляется в течение нескольких часов или двух дней после рождения. Детская форма проявляется в первые месяцы или годы жизни. В неонатальном периоде начальные симптомы могут быть неспецифичными, включая судороги, гипотонию, плохое питание и апноэ. В тяжелых случаях концентрация глюкозы в сыворотке крови обычно крайне низкая и, следовательно, легко выявляется, тогда как при более легких формах переменчивая и умеренная гипогликемия может затруднить постановку диагноза. Даже у членов одной семьи проявления болезни могут варьироваться от легких до тяжелых.

Диагностика/тестирование

Примерно у 45% пациентов с заболеванием обнаружены мутации либо в гене ABCC8, кодирующем белок SUR1, либо в гене KCNJ11, кодирующем белок Kir6.2. В популяции ашкеназских евреев две мутации-основателя в гене ABCC8 ответственны примерно за 97% случаев FHI. Другие мутации-основатели ABCC8 встречаются в финской популяции (p.Val187Asp и p.Asp1506Lys). Мутации в генах GLUD1 и HNF4A в каждом случае составляют примерно 5% случаев FHI. Активирующие мутации в гене GCK или инактивирующие мутации в гене HADH встречаются менее чем у 1% пациентов с FHI. На сегодняшний день о мутациях в гене UCP2 сообщалось только в двух семьях. Примерно у 40% пациентов с FHI не удается выявить мутацию ни в одном из известных генов, связанных с этим заболеванием.

Управление

При первоначальной диагностике гипогликемия корректируется внутривенным введением глюкозы для нормализации концентрации глюкозы в плазме крови и предотвращения повреждения головного мозга. Долгосрочное медикаментозное лечение включает применение диазоксида, аналогов соматостатина, нифедипина, глюкагона, рекомбинантного IGF-I, глюкокортикоидов, гормона роста человека, диетотерапии или их комбинаций. У пациентов, которым агрессивное медикаментозное лечение не позволяет поддерживать концентрацию глюкозы в плазме крови в безопасных пределах, или у которых такая терапия не может быть безопасно продолжена длительное время, рассматривается резекция поджелудочной железы.