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.
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
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.
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 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.