Preskočiť na obsah

Fumaráza

z Wikipédie, slobodnej encyklopédie

Tetramér fumarázy.
Identifikátory
Číslo ECEC 4.2.1.2
Číslo CAS9032-88-6
Databázy
IntEnzhľadať v IntEnz
BRENDAhľadať v BRENDA
ExPASyhľadať v ExPASy
KEGGhľadať v KEGG
MetaCychľadať v MetaCyc
PDB štruktúryRSCB PDB PDBe PDBsum

Fumaráza (tiež fumaráthydratáza[1]) je enzým, ktorý katalyzuje reverzibilnú hydratáciu fumarátu na (2S)-malát (L-malát) v citrátovom cykle:[2]

fumarát + H2O → (2S)-malát ΔG = – 3,8 kJ/mol[2]

Z hľadiska mechanizmu ide o stereoselektívnu Michaelovu adíciu vody na α,β-nenasýtenú dikarboxylovú kyselinu. Hydratačná reakcia prebieha cez tranzitný stav karbaniónu, takže atóm kyslíka sa na uhlík naviaže skôr ako atóm vodíka na vedľajší atóm uhlíka.[3] Adičná reakcia prebieha ako trans-adícia.[4]

Fumaráza reaguje len s kyselinou trans-buténdikarboxylovou (fumarátom), nie s jej cis-izomérom kyselinou cis-buténdikarboxylovou (maleinát).[5] Produktom reakcie je jediný enantiomér: (2S)-malát, nazývaný L-malát.[6]

Fumaráza existuje v dvoch formách (izoenzýmy): mitochondriálna a cytozolová. Mitochondriálna fumaráza sa účastní Krebsovho cyklu, zatiaľ čo cytozolová fumaráza sa účastní metabolizmu aminokyselín a fumarátu. Subcelulárna lokalizácia enzýmov je daná prítomnosťou signálnej sekvencie na N-konci mitochondriálnej formy, ktorá u cytozolovej formy chýba.[7]

Tento enzým sa účastní dvoch metabolických dráh: citrátového cyklu a reverzného citrátového cyklu (fixácia CO2). Takisto je významný u rakoviny obličiek. Mutácie v tomto géne boli asociované s vývojom leiomyómov v koži a maternici v súvislosti s rakovinou obličiek.[chýba zdroj]

Štruktúra

[upraviť | upraviť zdroj]

Gén

[upraviť | upraviť zdroj]

Fumarázu kóduje gén FH, ktorý sa u ľudí nachádza na chromozomálnej pozícii 1q42.3-q43. Tento gén obsahuje 10 exónov.[7]

Proteín

[upraviť | upraviť zdroj]

V kryštálovej štruktúre fumarázy C z Escherichia coli boli objavené dve väzbové miesta pre dikarboxylové kyseliny, ktoré sa nachádzajú blízko seba. Tieto väzbové miesta sa nazývajú aktívne miesto a B miesto a sú prepojené sériou vodíkových mostíkov. Prístup na ktorékoľvek z týchto miest je možný len cez otvor na povrchu enzýmu poblíž B miesta.[8] Aktívne miesto sa skladá z troch domén. Väzbové vrecko vytvorené okolitými reziduami je dostatočné na naviazane molekuly vody i v prípade, že žiadny ligand nie je naviazaný na aktívne miesto.[8] Kryštalografický výskum na B mieste ukázal pohyb His129 medzi voľným a obsadeným stavom. Toto takisto naznačuje, že premena imidazol-imidazólium ovláda prístup na alosterické B miesto.[8]

Subtypy

[upraviť | upraviť zdroj]

Existujú dve triedy fumaráz, trieda I a trieda II.[9] Klasifikácia záleží na usporiadaní podjednotiek, prítomnosti kovového iónu a teplotnej stabilite. Fumarázy triedy I menia stav alebo sa stávajú neaktívnymi pri vystavení žiareniu alebo teplote, sú citlivé na superoxidový anión, obsahujú železnatý katión Fe2+ a sú to dimerické proteíny, ktorých podjedotky majú hmotnosť asi 120 kD. Fumarázy triedy II, ktoré sa nachádzajú v prokaryotoch i eukaryotoch, sú tetramérne enzýmy, ktorých podjednotky majú hmotnosť asi 200 kD. Skladajú sa z troch rozličných segmentov s výrazne konzervovanými aminokyselinami, neobsahujú železnatý katión a sú termálne stabilné. Prokaryoty obsahujú tri rôzne formy fumarázy: fumarázu A, fumarázu B a fumarázu C. Fumaráza A a fumaráza B z Escherichia coli sú fumarázy triedy I, zatiaľ čo fumaráza C je fumaráza triedy II.[10]

Funkcia

[upraviť | upraviť zdroj]

Mechanizmus

[upraviť | upraviť zdroj]
Obrázok 1: Konverzia fumarátu na S-malát cez karbanión pomocou fumarázy.

Obrázok 1 ukazuje reakčný mechanizmus fumarázy. Dve reziduá (Asn a Lys) katalyzujú prenos protónu. Ionizačný stav týchto reziduí udáva dve podoby tohto enzýmu: E1 a E2. U E1 existujú v neutrálnej podobe AH/B:, zatiaľ čo v E2 existujú v zwitteriónovej podobe A-/BH+. E1 viaže fumarát a katalyzuje jeho premenu na malát a E2 viaže malát a katalyzuje jeho premenu na fumarát. Pri každom katalytickom cykle musia tieto formy izomerizovať z jednej na druhú.[11]

Napriek biologickej dôležitosti tejto reakcie nie je mechanizmus úplne pochopený. Reakcia sa dá sledovať v oboch smeroch, ale presný postup tvorby fumarátu z malátu nie je presne známy kvôli vysokej hodnote pKa vodíka HR (obrázok 2), ktorý sa odstraňuje bez pomoci kofaktorov či koenzýmov. Reakcia z fumarátu na malát je jasnejšia a zahŕňa stereošpecifickú hydratáciu fumarátu za vzniku S-malátu pomocou trans-adície hydroxylovej skupiny a vodíkového atómu. Prvé výskumy tejto reakcie naznačovali, že tvorba fumarátu z malátu sa skladá z dehydratácie malátu a vzniku karbokatiónu, ktorý následne stráca alfa-protón za vzniku fumarátu. Na základe toho sa predpokladalo, že tvorba malátu z fumarátu prebieha opačne ako E1 eliminácia - cez protonáciu fumarátu, čím by vznikol karbokatión, a následnou adíciou hydroxylovej skupiny z vody. Novšie štúdie však ukázali, že mechanizmus v skutočnosti prebieha cez acidobázicky katalyzovanú elimináciu a karbanión, teda ako E1cB eliminácia (obrázok 1).[11][12][13]

Obrázok 2: Konverzia fumarátu na S-malát.

Biochemické dráhy

[upraviť | upraviť zdroj]

V citrátovom cykle je funkciou fumarázy sprostredkovať medzikrok pre tvorbu energie v podobe NADH.[14] V cytozole tento enzým metabolizuje fumarát, ktorý vzniká ako vedľajší produkt močovinového cyklu a katabolizmu aminokyselín. Štúdie ukázali, že aktívne miesto enzýmu sa skladá z reziduí aminokyselín pochádzajúcich z troch zo štyroch podjednotiek tetramérneho enzýmu.[10][11][12][13]

Iné substráty

[upraviť | upraviť zdroj]

Hlavnými substrátmi fumarázy sú fumarát a malát. Okrem toho je však tento enzým schopný katalyzovať i dehydratáciu D-vínanu, pri ktorej vzniká enol-oxalacetát. Enol-oxalacetát potom izomerizuje na keto-oxalacetát. Fumaráza A i fumaráza B majú prakticky rovnakú kinetiku reverzibilnej premeny malátu na fumarát, ale fumaráza B má omnoho vyššiu katalytickú účinnosť premeny D-vínanu na oxalacetát oproti fumaráze A.[15] Vďaka tomu môžu baktérie ako E. coli využiť D-vínan na rast. Rast mutantov, ktorí nemali funkčný gén fumB kódujúci fumarázu B bol však výrazne pomalší.[15]

Klinický význam

[upraviť | upraviť zdroj]

Nedostatok fumarázy je charakterizovaný polyhydramniom (nadbytkom plodovej vody) a abnormalitami mozgu plodu. U novorodencov sa vyskytujú vážne neurologické abnormality, slabé kŕmenie a slabé svaly. Zvýšená kyselina fumarová v moči naznačuje nedostatok fumarázy. Aktuálne už je možné nedostatok fumarázy testovať i geneticky.[9]

Fumaráza je hojne prítomná v tkanive plodu i dospelého. Veľké percento enzýmu sa exprimuje v koži, prištítnom teliesku, lymfe a hrubom čreve.

Referencie

[upraviť | upraviť zdroj]
  1. ↑ Harperova biochemie. Praha : H & H, 2002. (Vyd. v Česku 4., V H & H 3.) Dostupné online. ISBN 80-7319-013-3.
  2. 1 2 KOOLMAN, Jan; RÖHM, Klaus Heinroch; BENDA, Vladimír. Barevný atlas biochemie. 4. vyd. Praha : Grada Publishing, 2017. ISBN 978-80-247-2977-0.
  3. ↑ VOET, Donald. Voet's principles of biochemistry. Hoboken, New Jersey : [s.n.], 2016. (Global edition.) Dostupné online. ISBN 978-1-119-45166-2.
  4. ↑ BERG, Jeremy M.; TYMOCZKO, John L.; STRYER, Lubert. Biochemistry. 6. vyd. New York : W. H. Freeman and Company, 2007. Dostupné online. ISBN 978-0-7167-8724-2.
  5. ↑ DOBROTA, Dušan; TURECKÝ, Ladislav; DRGOVÁ, Anna, a kol. Lekárska biochémia. 2. vyd. Martin : Osveta, 2016. ISBN 978-80-8063-444-5.
  6. ↑ Harperova biochemie. Praha : H & H, 2002. (Vyd. v Česku 4., V H & H 3.) Dostupné online. ISBN 80-7319-013-3.
  7. 1 2 FH (fumarate hydratase)
  8. 1 2 3 Weaver T. Structure of free fumarase C from Escherichia coli. Acta Crystallogr. D, October 2005, s. 1395–401. DOI: 10.1107/S0907444905024194. PMID 16204892.
  9. 1 2 FH (fumarate hydratase). [online]. Atlas of Genetics and Cytogenetics in Oncology and Haematology, 2006-07-01. Dostupné online.
  10. 1 2 X-ray crystallographic and kinetic correlation of a clinically observed human fumarase mutation. Protein Sci., June 2002, s. 1552–7. DOI: 10.1110/ps.0201502. PMID 12021453.
  11. 1 2 3 HEGEMONY, Adrian D.; FREY, Perry A.. Enzymatic reaction mechanisms. Oxford [Oxfordshire] : Oxford University Press, 2007. ISBN 978-0-19-512258-9.
  12. 1 2 BEGLEY, Tadhg P.; MCMURRY, John. The organic chemistry of biological pathways. [s.l.] : Roberts and Co. Publishers, 2005. ISBN 978-0-9747077-1-6.
  13. 1 2 Enzymatic reaction mechanisms. San Francisco : W. H. Freeman, 1979. ISBN 978-0-7167-0070-8.
  14. ↑ Fumarase: a paradigm of dual targeting and dual localized functions. The FEBS Journal, 2011, s. 4230–42. DOI: 10.1111/j.1742-4658.2011.08359.x. PMID 21929734.
  15. 1 2 Biochemical similarities and differences between the catalytic [4Fe-4S] cluster containing fumarases FumA and FumB from Escherichia coli. PLOS ONE, February 26, 2021, s. e55549. DOI: 10.1371/journal.pone.0055549. PMID 23405168.

Iné projekty

[upraviť | upraviť zdroj]
  • Spolupracuj na Commons Commons ponúka multimediálne súbory na tému Fumaráza
Zdroj: „https://sk.wikipedia.org/w/index.php?title=Fumaráza&oldid=8353931“