Введение

Белок млекопитающих, участвующий в производстве гликогена, – 1,4-альфа-глюкан-разветвляющий фермент, также известный как фермент разветвления или гликоген-разветвляющий фермент, – это фермент, кодируемый геном GBE1 у человека. Гликоген-разветвляющий фермент катализирует добавление ветвей к растущей молекуле гликогена в процессе его синтеза, который является формой запасания глюкозы. В частности, во время синтеза гликогена молекула глюкозы-1-фосфата реагирует с уридинтрифосфатом (УТФ) с образованием УДФ-глюкозы – активированной формы глюкозы. Активированный глюкозильный фрагмент УДФ-глюкозы затем переносится на гидроксильную группу в положении C4 терминального остатка гликогена, формируя α-1,4-гликозидную связь, реакцию, катализируемую гликогенсинтазой. Важно отметить, что гликогенсинтаза может катализировать только синтез α-1,4-гликозидных связей. Поскольку гликоген является легко мобилизуемой формой запасания глюкозы, удлиненный полимер гликогена разветвляется гликоген-разветвляющим ферментом, чтобы обеспечить ферменты расщепления гликогена, такие как гликогенфосфорилаза, множеством терминальных остатков для быстрого разложения. Разветвление также значительно повышает растворимость и снижает осмотическую активность гликогена. Белок, кодируемый этим геном, является гликоген-разветвляющим ферментом, который катализирует перенос α-1,4-связанных глюкозильных фрагментов с внешнего конца цепи гликогена в α-1,6-позицию на той же или соседней цепи гликогена. Разветвление цепей необходимо для повышения растворимости молекулы гликогена и, следовательно, для снижения осмотического давления внутри клеток. Наивысшие уровни этого фермента обнаруживаются в клетках печени и мышц. Мутации в этом гене связаны с гликогенозом IV типа (также известным как болезнь Андерсена).

Номенклатура

Этот фермент относится к семейству трансфераз, точнее, к гликозилтрансферазам, которые переносят гексозы (гексозильтрансферазы). Систематическое название этого класса ферментов – 1,4-альфа-D-глюкан:1,4-альфа-D-глюкан 6-альфа-D-(1,4-альфа-D-глюкано)трансфераза. Другие общеупотребимые названия включают фермент ветвления, амило(1,4→1,6)-трансгликозилазу, Q-фермент, альфа-глюкан разветвляющую гликозилтрансферазу, амилозоизомеразу, ферментативный фактор ветвления, гликозилтрансферазу ветвления, фермент Q, глюкозан трансгликозилазу, 1,4-альфа-глюкан разветвляющий фермент 1, фермент ветвления растений, альфа-1,4-глюкан:альфа-1,4-глюкан 6-гликозилтрансферазу и фермент ветвления крахмала. Этот фермент участвует в метаболизме крахмала и сахарозы.

Ген

ГБЭ кодируется геном GBE1. Анализ по Саузерну-Блоту ДНК, полученной из гибридов соматических клеток человека и грызунов, позволил идентифицировать GBE1 как аутосомный ген, расположенный на коротком плече хромосомы 3 в позиции 12.3. Ген человеческого ГБЭ также был выделен посредством функциональной комплементации дефицита ГБЭ у Saccharomyces cerevisiae. Как показано рентгеноструктурным анализом, фермент ветвления гликогена состоит из четырех слегка асимметричных субъединиц, каждая из которых организована в три домена: аминотерминальный домен, участвующий в определении длины переноса цепи, карбокситерминальный домен, влияющий на предпочтение субстрата и каталитическую активность, и центральный (α/β)-барабанный каталитический домен. Аминотерминальный домен состоит из 128 аминокислотных остатков, организованных в семь β-нитей, карбокситерминальный домен, содержащий 116 остатков, также организован в семь β-нитей, а (α/β)-барабанный домен состоит из 372 остатков. В то время как центральный (α/β)-барабанный домен характерен для членов семейства α-амилаз, существуют многочисленные вариации между различными барабанными доменами. Кроме того, наблюдаются значительные различия в петлях, соединяющих элементы вторичной структуры у различных представителей семейства α-амилаз, особенно в области активного центра. По сравнению с другими членами семейства, фермент связывания гликогена имеет более короткие петли, что создает более открытую полость, благоприятную для связывания более объемных субстратов, таких как разветвленные сахара. Анализ первичной структуры и рентгеноструктурные данные членов семейства α-амилаз выявили семь консервативных аминокислотных остатков: Asp335, His340, Arg403, Asp405, Glu458, His525 и Asp526 (нумерация по E. coli). Эти остатки играют роль в катализе и связывании субстрата.

Функция

В гликогене каждые 10-14 единиц глюкозы образуется боковая ветвь с дополнительной цепью единиц глюкозы. Боковая цепь присоединяется к атому углерода 6 единицы глюкозы посредством α-1,6-гликозидной связи. Эта связь катализируется ферментом разветвления, обычно называемым ферментом разветвления α-глюкана. Фермент разветвления присоединяет цепочку из семи единиц глюкозы (с некоторыми незначительными отклонениями от этого числа) к атому углерода в позиции C-6 единицы глюкозы, формируя α-1,6-гликозидную связь. Специфичность этого фермента заключается в том, что эта цепочка из 7 углеродов обычно присоединяется к молекуле глюкозы, находящейся на третьем положении от невосстанавливающего конца другой цепи. Благодаря такой специфичности фермента в отношении количества переносимых единиц глюкозы и положения их переноса, он создает очень характерную, сильно разветвленную молекулу гликогена.

Клиническое значение

Мутации в этом гене связаны с болезнью накопления гликогена типа IV (также известной как болезнь Андерсена) у новорожденных и с полиглюкозановым телесным заболеванием у взрослых. Около 40 мутаций в гене GBE1, большинство из которых приводят к точечной мутации в ферменте ветвления гликогена, вызывают заболевание накопления гликогена типа IV (GSD IV), возникающее в раннем детстве. Аномальное накопление гликогена в печени нарушает ее функцию и может привести к увеличению печени и развитию заболеваний печени. В мышцах неспособность клеток эффективно расщеплять гликоген из-за значительного снижения или отсутствия ветвления может вызывать мышечную слабость и атрофию. В то время как при GSD IV активность GBE не обнаруживается или обнаруживается в минимальных количествах, для полиглюкозанового телесного заболевания характерна сниженная или даже нормальная активность GBE.