Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Класс ферментов
Class of enzymes
Фермент фруктоза-бисфосфатаза (EC 3.1.3.11; систематическое название D-фруктоза-1,6-бисфосфат-1-фосфогидролаза) катализирует превращение фруктозы-1,6-бисфосфата в фруктозу-6-фосфат в глюконеогенезе и цикле Кальвина, которые оба являются анаболическими путями:
The enzyme fructose bisphosphatase (EC 3.1.3.11; systematic name D fructose 1,6 bisphosphate 1 phosphohydrolase) catalyses the conversion of fructose 1,6 bisphosphate to fructose 6 phosphate in gluconeogenesis and the Calvin cycle, which are both anabolic pathways:
D fructose 1,6 bisphosphate + H2O = D fructose 6 phosphate + phosphate
Фосфофруктокиназа (EC 2.7.1.11) катализирует обратное превращение фруктозы-6-фосфата в фруктозу-1,6-бисфосфат, однако это не просто обратная реакция, поскольку косубстраты различны (и, следовательно, термодинамические требования не нарушаются). Каждый из этих двух ферментов катализирует превращение только в одном направлении и регулируется метаболитами, такими как фруктоза-2,6-бисфосфат, таким образом, высокая активность одного из них сопровождается низкой активностью другого. В частности, фруктоза-2,6-бисфосфат аллостерически ингибирует фруктозу-1,6-бисфосфатазу, но активирует фосфофруктокиназу I. Фруктоза-1,6-бисфосфатаза участвует во многих различных метаболических путях и встречается в большинстве организмов. Для катализа FBPase необходимы ионы металлов (предпочтительно Mg2+ и Mn2+), а фермент сильно ингибируется Li+.
Phosphofructokinase (EC 2.7.1.11) catalyses the reverse conversion of fructose 6 phosphate to fructose 1,6 bisphosphate, but this is not just the reverse reaction, because the co substrates are different (and so thermodynamic requirements are not violated). The two enzymes each catalyse the conversion in one direction only, and are regulated by metabolites such as fructose 2,6 bisphosphate so that high activity of one of them is accompanied by low activity of the other. More specifically, fructose 2,6 bisphosphate allosterically inhibits fructose 1,6 bisphosphatase, but activates phosphofructokinase I. Fructose 1,6 bisphosphatase is involved in many different metabolic pathways and found in most organisms. FBPase requires metal ions for catalysis (Mg2+ and Mn2+ being preferred) and the enzyme is potently inhibited by Li+.
Структура
Было отмечено, что конформация фруктозы 1,6-бисфосфатазы из свиней идентична конформации инозитол-1-фосфатазы (ИМФазы). Инозитолполифосфат-1-фосфатаза (IPPase), IMPase и FBPase разделяют общий мотив последовательности (Asp Pro Ile/Leu Asp Gly/Ser Thr/Ser), который, как было показано, связывает ионы металлов и участвует в катализе. Этот мотив также встречается у отдалённо родственных грибковых, бактериальных и дрожжевых гомологов IMPase. Предполагается, что эти белки определяют древнее структурно консервативное семейство, вовлечённое в разнообразные метаболические пути, включая инозитольную сигнализацию, глюконеогенез, ассимиляцию сульфатов и, возможно, метаболизм хинонов.
The fold of fructose 1,6 bisphosphatase from pigs was noted to be identical to that of inositol 1 phosphatase (IMPase). Inositol polyphosphate 1 phosphatase (IPPase), IMPase and FBPase share a sequence motif (Asp Pro Ile/Leu Asp Gly/Ser Thr/Ser) which has been shown to bind metal ions and participate in catalysis. This motif is also found in the distantly related fungal, bacterial and yeast IMPase homologues. It has been suggested that these proteins define an ancient structurally conserved family involved in diverse metabolic pathways, including inositol signalling, gluconeogenesis, sulphate assimilation and possibly quinone metabolism.
Распределение видов
У эукариот и бактерий идентифицированы три различные группы FBPases (FBPase I–III). Ни одна из этих групп пока не обнаружена у архей, хотя недавно в археях была выявлена новая группа FBPases (FBPase IV), которая также проявляет активность инозитолмонофосфатазы. Новая группа FBPases (FBPase V) обнаружена в термофильных археях и гипертермофильной бактерии Aquifex aeolicus. Изученные представители этой группы демонстрируют строгую субстратную специфичность к FBP и предположительно являются истинной FBPазой в этих организмах. Структурное исследование показало, что FBPase V имеет уникальную для сахарных фосфатаз структуру, формируя четырехслойный αββα-сэндвич, в отличие от более распространенной пятислойной αβ αβ α-структуры. Мутанты, лишенные этого фермента, по-видимому, все еще способны расти на глюконеогенных субстратах, таких как малат и глицерин.
Three different groups of FBPases have been identified in eukaryotes and bacteria (FBPase I III). None of these groups have been found in Archaea so far, though a new group of FBPases (FBPase IV) which also show inositol monophosphatase activity has recently been identified in Archaea. A new group of FBPases (FBPase V) is found in thermophilic archaea and the hyperthermophilic bacterium Aquifex aeolicus. The characterised members of this group show strict substrate specificity for FBP and are suggested to be the true FBPase in these organisms. A structural study suggests that FBPase V has a novel fold for a sugar phosphatase, forming a four layer alpha beta beta alpha sandwich, unlike the more usual five layered alpha beta alpha beta alpha arrangement. Mutants lacking this enzyme are apparently still able to grow on gluconeogenic growth substrates such as malate and glycerol.
Гибернация и адаптация к холоду
Фруктоза 1,6-бисфосфатаза также играет ключевую роль в гибернации, которая требует строгого регулирования метаболических процессов для обеспечения входа в гибернацию, её поддержания, пробуждения и адаптации к длительному периоду покоя. Во время гибернации скорость метаболизма животного может снижаться до примерно 1/25 от его скорости метаболизма в состоянии эвтермии. FBPase у животных, находящихся в состоянии гибернации, модифицируется, становясь гораздо более чувствительной к температуре, чем у животных в состоянии эвтермии. Во время гибернации также резко снижается дыхание, что приводит к относительной аноксии в тканях. Аноксические условия ингибируют глюконеогенез и, следовательно, FBPase, одновременно стимулируя гликолиз. Это является еще одной причиной снижения активности FBPase у животных в состоянии гибернации. Субстрат FBPase, фруктоза 1,6-бисфосфат, также показал способность активировать пируваткиназу в гликолизе, связывая усиленный гликолиз с подавлением глюконеогенеза при снижении активности FBPase во время гибернации. У кроликов, подвергавшихся воздействию низких температур, активность FBPase снижалась на протяжении всего периода воздействия холода и возрастала при повышении температуры.
Fructose 1,6 bisphosphatase also plays a key role in hibernation, which requires strict regulation of metabolic processes to facilitate entry into hibernation, maintenance, arousal from hibernation, and adjustments to allow long term dormancy. During hibernation, an animal's metabolic rate may decrease to around 1/25 of its euthermic resting metabolic rate. FBPase is modified in hibernating animals to be much more temperature sensitive than it is in euthermic animals. During hibernation, respiration also dramatically decreases, resulting in conditions of relative anoxia in the tissues. Anoxic conditions inhibit gluconeogenesis, and therefore FBPase, while stimulating glycolysis, and this is another reason for reduced FBPase activity in hibernating animals. The substrate of FBPase, fructose 1,6 bisphosphate, has also been shown to activate pyruvate kinase in glycolysis, linking increased glycolysis to decreased gluconeogenesis when FBPase activity is decreased during hibernation. In rabbits exposed to cold temperatures, FBPase activity decreased throughout the duration of cold exposure, increasing when temperatures became warmer again.
Диабет
Фруктоза-1,6-бисфосфатаза также играет ключевую роль в лечении диабета 2 типа. При этом заболевании гипергликемия вызывает множество серьезных проблем, и лечение часто направлено на снижение уровня глюкозы в крови. Глюконеогенез в печени является основной причиной избыточного производства глюкозы у этих пациентов, поэтому ингибирование глюконеогенеза представляется разумным подходом к лечению диабета 2 типа. FBPase – подходящий фермент для воздействия на путь глюконеогенеза, поскольку он является лимитирующим по скорости и контролирует включение всех трех углеродных субстратов в глюкозу, при этом не участвует в расщеплении гликогена и не задействован в митохондриальных стадиях этого процесса.
Fructose 1,6 bisphosphatase is also a key player in treating type 2 diabetes. In this disease, hyperglycemia causes many serious problems, and treatments often focus on lowering blood sugar levels. Gluconeogenesis in the liver is a major cause of glucose overproduction in these patients, and so inhibition of gluconeogenesis is a reasonable way to treat type 2 diabetes. FBPase is a good enzyme to target in the gluconeogenesis pathway because it is rate limiting and controls the incorporation of all three carbon substrates into glucose but is not involved in glycogen breakdown and is removed from mitochondrial steps in the pathway.