Карнитин пальмитоилтрансфераза I - Carnitine palmitoyltransferase I
Карнитин-пальмитоилтрансфераза I ( CPT1 ), также известная как карнитинацилтрансфераза I , CPTI , CAT1 , CoA: карнитинацилтрансфераза ( CCAT ) или пальмитоил- CoA трансфераза I , является митохондриальным ферментом, ответственным за образование ацилкарнитинов, катализируя перенос ацильной группы длинноцепочечного жирного ацил-КоА от кофермента А до 1-карнитина . Продукт часто представляет собой пальмитоилкарнитин ( отсюда и название), но другие жирные кислоты также могут быть субстратами. Он является частью семейства ферментов, называемых карнитинацилтрансферазами. Этот «препарат» обеспечивает последующее перемещение ацилкарнитина из цитозоля в межмембранное пространство митохондрий.
В настоящее время известны три изоформы CPT1: CPT1A, CPT1B и CPT1C. CPT1 связан с внешней митохондриальной мембраной . Этот фермент может быть ингибирован малонил-КоА , первым детерминированным промежуточным продуктом, образующимся во время синтеза жирных кислот. Его роль в метаболизме жирных кислот делает CPT1 важным при многих метаболических нарушениях, таких как диабет . Поскольку его кристаллическая структура неизвестна, точный механизм его действия еще предстоит определить.
Состав
CPT1 представляет собой интегральный мембранный белок, который существует в трех изоформах в тканях млекопитающих: CPT1A, CPT1B и CPT1C. Первые два экспрессируются на внешней митохондриальной мембране большинства тканей, но их относительные пропорции варьируются между тканями. CPT1A преобладает в липогенных тканях, таких как печень, тогда как CPT1B преобладает в тканях, таких как сердце и скелетные мышцы, которые обладают высокой окислительной способностью жирных кислот. коричневые жировые клетки . Обе изоформы являются интегральными белками внешней мембраны митохондрий через две трансмембранные области в пептидной цепи. Топология мембраны CPT1A была описана It is polytopic, с N- и C-концами, открытыми на цитозольном аспекте OMM, с короткой петлей, соединяющей два трансмембранных домена, выступающих в межмембранное пространство митохондрий.
Третья изоформа (CPT1C) была идентифицирована в 2002 году и экспрессируется в обеих митохондриях эндоплазматического ретикулума. Обычно он экспрессируется только в нейронах (головном мозге), хотя его экспрессия изменена в некоторых типах раковых клеток.
Точная структура любой из изоформ CPT1 еще не определена, хотя было создано множество in silico моделей для CPT1 на основе близкородственных карнитинацилтрансфераз, таких как карнитинацетилтрансфераза (CRAT) .
Важное структурное различие между CPT1 и CPT2, CRAT и карнитиноктаноилтрансферазой (COT) состоит в том, что CPT1 содержит дополнительный домен на своем N-конце, состоящий примерно из 160 аминокислот. Было определено, что этот дополнительный N-концевой домен важен для ключевой ингибирующей молекулы CPT1, малонил-КоА, и действует как переключатель, который делает CPT1A более или менее чувствительным к ингибированию малонил-КоА.
Было высказано предположение, что в CPT1A и CPT1B существуют два различных сайта связывания . «Сайт А» или «сайт КоА», по-видимому, связывает как малонил-КоА, так и пальмитоил-КоА , а также другие молекулы, содержащие кофермент А , что позволяет предположить, что фермент связывает эти молекулы посредством взаимодействия с фрагментом кофермента А. Было высказано предположение, что малонил-КоА может вести себя как конкурентный ингибитор CPT1A в этом сайте. Второй «O-сайт» был предложен для более прочного связывания малонил-КоА, чем для A-сайта. В отличие от сайта A, сайт O связывается с малонил-CoA через дикарбонильную группу малонатного фрагмента малонил-CoA. Связывание малонил-КоА с сайтами A и O ингибирует действие CPT1A, исключая связывание карнитина с CPT1A. Поскольку кристаллическая структура CPT1A еще не была выделена и отображена, ее точная структура еще предстоит выяснить.
Функция
Ферментный механизм
Поскольку данные о кристаллической структуре в настоящее время недоступны, точный механизм CPT1 в настоящее время не известен. Было высказано предположение о паре различных возможных механизмов для CPT1, оба из которых включают остаток 473 гистидина в качестве ключевого каталитического остатка. Один из таких механизмов, основанный на модели карнитинацетилтрансферазы, показан ниже, в котором His 473 депротонирует карнитин, в то время как соседний остаток серина стабилизирует тетраэдрический оксианионный интермедиат.
Был предложен другой механизм, который предполагает, что каталитическая триада, состоящая из остатков Cys-305, His-473 и Asp-454, выполняет стадию катализа с переносом ацила . Этот каталитический механизм включает образование ковалентного промежуточного соединения тиоацил-фермента с Cys-305.
Биологическая функция
Система карнитин palmitoyltransferase является важным шагом в бета-окисления из длинноцепочечных жирных кислот . Эта система переноса необходима, потому что, хотя жирные кислоты активируются (в форме тиоэфирной связи с коферментом А) на внешней митохондриальной мембране, активированные жирные кислоты должны окисляться внутри митохондриального матрикса . Длинноцепочечные жирные кислоты, такие как пальмитоил-КоА, в отличие от коротко- и среднецепочечных жирных кислот, не могут свободно диффундировать через внутреннюю мембрану митохондрий и требуют системы челнока для транспортировки в митохондриальный матрикс.
Карнитин-пальмитоилтрансфераза I является первым компонентом и лимитирующей стадией карнитин-пальмитоилтрансферазной системы, катализируя перенос ацильной группы от кофермента А на карнитин с образованием пальмитоилкарнитина . Затем транслоказа перемещает ацилкарнитин через внутреннюю митохондриальную мембрану, где он снова превращается в пальмитоил-КоА.
Действуя как акцептор ацильной группы, карнитин может также играть роль регулятора внутриклеточного соотношения КоА: ацил-КоА.
Регулирование
CPT1 ингибируется малонил-КоА, хотя точный механизм ингибирования остается неизвестным. Было показано, что изоформа скелетных мышц и сердца CPT1, CPT1B, в 30–100 раз более чувствительна к ингибированию малонил-КоА, чем CPT1A. Это ингибирование является хорошей мишенью для будущих попыток регулировать CPT1 для лечения метаболических нарушений.
Ацетил-КоА-карбоксилаза (АСС), фермент, катализирующий образование малонил-КоА из ацетил-КоА , важен для регуляции метаболизма жирных кислот. Ученые продемонстрировали, что мыши с нокаутом ACC2 имеют меньше жира и веса по сравнению с мышами дикого типа . Это результат снижения активности АЦК, что приводит к последующему снижению концентрации малонил-КоА. Эти пониженные уровни малонил-КоА, в свою очередь, предотвращают ингибирование CPT1, вызывая окончательное увеличение окисления жирных кислот. Поскольку клетки сердца и скелетных мышц обладают низкой способностью к синтезу жирных кислот, АСС может действовать в этих клетках исключительно как регуляторный фермент.
Клиническое значение
Форма «CPT1A» связана с карнитиным palmitoyltransferase I дефицитом . Это редкое заболевание связано с риском печеночной энцефалопатии , гипокетотической гипогликемии, судорог и внезапной неожиданной смерти в младенчестве.
CPT1 связан с диабетом 2 типа и инсулинорезистентностью . Такие заболевания, наряду со многими другими проблемами со здоровьем, приводят к повышению уровня свободных жирных кислот (СЖК) у людей, накоплению жира в скелетных мышцах и снижению способности мышц окислять жирные кислоты. CPT1 участвует в возникновении этих симптомов. Повышенные уровни малонил-КоА, вызванные гипергликемией и гиперинсулинемией, ингибируют CPT1, что вызывает последующее снижение транспорта длинноцепочечных жирных кислот в митохондрии мышц и сердца, уменьшая окисление жирных кислот в таких клетках. Шунтирование LCFAs от митохондрий приводит к наблюдаемому увеличению уровней FFA и накоплению жира в скелетных мышцах.
Его важность в метаболизме жирных кислот делает CPT1 потенциально полезным ферментом, на котором можно сосредоточиться при разработке методов лечения многих других метаболических нарушений.
Взаимодействия
CPT1, как известно, взаимодействует со многими белками, в том числе с белками семейства NDUF, PKC1 и ENO1.
В ВИЧ Vpr усиливает экспрессию мРНК карнитин-пальмитоилтрансферазы I (CPT1), индуцированную PPARbeta / дельта PDK4 в клетках. Нокдаун CPT1A путем скрининга библиотеки shRNA ингибирует репликацию ВИЧ-1 в культивируемых Т-клетках Jurkat.