Бета-глюкоцереброзидаза: структура и функции человеческого фермента.
Glucocerebrosidase
β-глюкоцереброзидаза: фермент человека, участвующий в метаболизме гликолипидов. Структура, функции и роль в расщеплении глюкоцереброзида. Биохимия и лизосомы.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Белок млекопитающих, обнаруженный у человека.
Mammalian protein found in humans
β-Глюкоцереброзидаза (также называемая кислотной β-глюкозидазой, D-глюкозил-N-ацилсфингозиноглюкогидролазой или GCase) – это фермент, обладающий активностью глюкозилцерамидазы, который гидролизом расщепляет β-гликозидную связь химического вещества глюкоцереброзида, промежуточного продукта в метаболизме гликолипидов, который в большом количестве содержится в клеточных мембранах (особенно в клетках кожи). Он локализован в лизосоме, где остается связанным с лизосомной мембраной. β-Глюкоцереброзидаза состоит из 497 аминокислот и имеет молекулярную массу 59 700 Да.
β Glucocerebrosidase (also called acid β glucosidase, D glucosyl N acylsphingosine glucohydrolase, or GCase) is an enzyme with glucosylceramidase activity that cleaves by hydrolysis the β glycosidic linkage of the chemical glucocerebroside, an intermediate in glycolipid metabolism that is abundant in cell membranes (particularly skin cells). It is localized in the lysosome, where it remains associated with the lysosomal membrane. β Glucocerebrosidase is 497 amino acids in length and has a molecular mass of 59,700 Da.
Структура
β-Глюкоцереброзидаза является членом семейства гликозидных гидролаз 30 и состоит из трех различных доменов (I–III). Домен I (остатки 1–27 и 383–414) формирует трехнитевый антипараллельный β-лист. Этот домен содержит два дисульфидных мостика, необходимых для правильной укладки, а также гликозилированный остаток (Asn19), который требуется для каталитической активности in vivo. Домен II (остатки 30–75 и 431–497) состоит из двух β-слоев, напоминающих иммуноглобулиновый фолд. Домен III (остатки 76–381 и 416–430) гомологичен TIM-бочке и является высококонсервативным доменом среди гликозидных гидролаз. Домен III содержит активный центр, который связывает субстрат глюкоцереброзид в непосредственной близости от каталитических остатков E340 и E235. Домены I и III тесно ассоциированы, в то время как домены II и III соединены неупорядоченным линкером.
β Glucocerebrosidase is a member of the glycoside hydrolase family 30 and consists of three distinct domains (I III). Domain I (residues 1–27 and 383–414) forms a three stranded anti parallel β sheet. This domain contains two disulfide bridges that are necessary for correct folding, as well as a glycosylated residue (Asn19) that is required for catalytic activity in vivo. Domain II (residues 30–75 and 431–497) consists of two β sheets that resemble an immunoglobulin fold. Domain III (residues 76–381 and 416–430) is homologous to a TIM barrel and is a highly conserved domain among glycoside hydrolases. Domain III harbors the active site, which binds the substrate glucocerebroside in close proximity to the catalytic residues E340 and E235. Domains I and III are tightly associated, while domains II and III are joined by a disordered linker.
Свойства
β-Глюкоцереброзидаза проявляет максимальную активность при pH 5,5, соответствующем pH лизосомного компартмента. Внутри лизосомы она остается связанной с мембраной, где связывается и расщепляет свой субстрат – глюкоцереброзид (GluCer). Для достижения максимальной каталитической активности ей требуются активирующий белок Saposin C, а также отрицательно заряженные липиды. Роль Saposin C неизвестна, однако показано, что он связывает как лизосомную мембрану, так и липидные фрагменты GluCer и, следовательно, может способствовать доставке GluCer к активному центру фермента. β-Глюкоцереброзидаза специфически и необратимо ингибируется аналогом глюкозы – кондуритолом B эпоксидом. Кондуритол B эпоксид связывается с активным центром GCase, где фермент расщепляет его эпоксидное кольцо, образуя прочную ковалентную связь между ферментом и ингибитором. Изначально считалось, что GCase – один из немногих лизосомных ферментов, не транспортируемых в лизосому по пути маннозы-6-фосфата. Исследование фибробластов при I-клеточной болезни (в которых дефектна фосфотрансфераза, ответственная за присоединение маннозы-6-фосфата к белкам для их доставки в лизосому) показало, что GCase направляется в лизосому независимо от пути M6P. Было показано, что лизосомный транспортер и интегральный мембранный белок LIMP 2 (Lysosomal Integral Membrane Protein 2) связывается с GCase и облегчает его транспорт в лизосому, демонстрируя механизм лизосомной транспортировки, не зависящий от M6P. Этот вывод был поставлен под сомнение, когда кристаллическая структура комплекса GCase с LIMP 2 выявила наличие фрагмента маннозы-6-фосфата на LIMP 2, что позволяет предположить, что комплекс может также использовать традиционный путь маннозы-6-фосфата.
β Glucocerebrosidase is maximally active at pH 5.5, the pH of the lysosomal compartment. Within the lysosome it remains associated with the membrane, where it binds and degrades its substrate glucocerebroside (GluCer). It requires the activating protein Saposin C as well as negatively charged lipids for maximal catalytic activity. The role of Saposin C is not known; however, it is shown to bind both the lysosomal membrane and the lipid moieties of GluCer, and therefore may recruit GluCer to the active site of the enzyme. β Glucocerebrosidase is specifically and irreversibly inhibited by the glucose analog Conduritol B epoxide. Conduritol B epoxide binds to the GCase active site, where the enzyme cleaves its epoxide ring, forming a permanent covalent bond between the enzyme and the inhibitor. Initially, GCase was thought to be one of the few lysosomal enzymes that does not follow the mannose 6 phosphate pathway for trafficking to the lysosome. A study in I cell disease fibroblasts (in which the phosphotransferase that puts Mannose 6 phosphate on proteins to target them to the lysosome is defective) showed targeting of GCase to the lysosome independent of the M6P pathway. The lysosomal transporter and integral membrane protein LIMP 2 (Lysosomal Integral Membrane Protein 2) was shown to bind GCase and facilitate transport to the lysosome, demonstrating a mechanism for M6P independent lysosomal trafficking. This conclusion was called into question when a crystal structure of GCase in complex with LIMP 2 showed a Mannose 6 phosphate moiety on LIMP 2, suggesting the complex can also follow the traditional mannose 6 phosphate pathway.
Клиническое значение
Мутации в гене глюкоцереброзидазы вызывают болезнь Гаучера, лизосомное заболевание накопления, характеризующееся накоплением глюкоцереброзидов в макрофагах, инфильтрирующих многие жизненно важные органы. Мутации в гене глюкоцереброзидазы также ассоциированы с болезнью Паркинсона. Родственный псевдоген расположен примерно в 12 кб ниже по течению от этого гена на хромосоме 1. Альтернативный сплайсинг приводит к образованию множества вариантов транскриптов, кодирующих один и тот же белок.
Mutations in the glucocerebrosidase gene cause Gaucher's disease, a lysosomal storage disease characterized by an accumulation of glucocerebrosides in macrophages that infiltrate many vital organs. Mutations in the glucocerebrosidase gene are also associated with Parkinson's disease. A related pseudogene is approximately 12 kb downstream of this gene on chromosome 1. Alternative splicing results in multiple transcript variants encoding the same protein.