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).
1,4 alpha glucan branching enzyme, also known as brancher enzyme or glycogen branching enzyme is an enzyme that in humans is encoded by the GBE1 gene. Glycogen branching enzyme is an enzyme that adds branches to the growing glycogen molecule during the synthesis of glycogen, a storage form of glucose. More specifically, during glycogen synthesis, a glucose 1 phosphate molecule reacts with uridine triphosphate (UTP) to become UDP glucose, an activated form of glucose. The activated glucosyl unit of UDP glucose is then transferred to the hydroxyl group at the C 4 of a terminal residue of glycogen to form an α 1,4 glycosidic linkage, a reaction catalyzed by glycogen synthase. Importantly, glycogen synthase can only catalyze the synthesis of α 1,4 glycosidic linkages. Since glycogen is a readily mobilized storage form of glucose, the extended glycogen polymer is branched by glycogen branching enzyme to provide glycogen breakdown enzymes, such as glycogen phosphorylase, with many terminal residues for rapid degradation. Branching also importantly increases the solubility and decreases the osmotic strength of glycogen. The protein encoded by this gene is a glycogen branching enzyme that catalyzes the transfer of alpha 1,4 linked glucosyl units from the outer end of a glycogen chain to an alpha 1,6 position on the same or a neighboring glycogen chain. Branching of the chains is essential to increase the solubility of the glycogen molecule and, consequently, in reducing the osmotic pressure within cells. The highest levels of this enzyme are found in liver and muscle cells. Mutations in this gene are associated with glycogen storage disease type IV (also known as Andersen's disease).
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.