hmg-coa還原酶的生物信息學分析

hmg-coa還原酶的生物信息學分析

在生物中，3-羥色胺-3-甲基二醇胺（3-hydr-3-methyl-conzhimearacema）的還原酶hmg-coa生成異戊二醇（menati），然后轉(zhuǎn)化為異戊二醇磷酸（hmg-coa）。在高等生物中IPP是膽固醇、類固醇激素等甾類物質(zhì)合成的關(guān)鍵物質(zhì),在細菌中IPP是脂載體及電子傳遞鏈中甲基萘醌類、輔酶Q等合成的關(guān)鍵物質(zhì)。在古細菌中,HMG-CoA還原酶是異戊二烯醚(isoprenoidethers)合成的限速酶,異戊二烯醚是古細菌細胞膜的主要組成部分。HMG-CoA還原酶是它汀類(statins)藥物的靶標酶,它汀類藥物競爭性抑制HMG-CoA還原酶活性,在人體內(nèi)具有良好的降低血液膽固醇的作用。最近研究表明,它汀類藥物在抗炎、抗感染、降低前列腺癌死亡率等多方面具有重要作用。在細菌中它汀類藥物可通過抑制HMG-CoA還原酶的活性最終破壞細胞壁合成,從而達到抑菌的目的。因此,HMG-CoA還原酶的研究備受關(guān)注。1hgm-coa還原酶的結(jié)構(gòu)及合成ipp的途徑HMG-CoA還原酶是需要4個電子的少數(shù)氧化還原酶之一,催化HMG-CoA還原為甲羥戊酸,甲羥戊酸進一步合成IPP。首先兩分子的乙酰輔酶A在硫解酶的作用下合成乙酰-乙酰輔酶A,然后在HMG-CoA合成酶、HMG-CoA還原酶等一系列酶的催化下最終合成IPP(圖1)。HMG-CoA還原為甲羥戊酸,該反應需要2分子的NADPH+2H+及HMG-CoA還原酶的催化,包括3個連續(xù)的反應階段,第一和第三階段為還原階段,甲羥戊醛輔酶A(mevaldyl-CoA)和甲羥戊醛(mevaldehyde)是第二階段的兩個中間體:第一階段:HMG?CoA+NADPH+H+→[mevaldyl?CpAΗΜG-CoA+ΝADΡΗ+Η+→[mevaldyl-CpA]+NADP第二階段:[mevaldyl?CpA]→[mevaldehyde]+CoA?SH[mevaldyl-CpA]→[mevaldehyde]+CoA-SΗ第三階段:[mevaldehyde]+NADPH+H+→mevalonate+NADP[mevaldehyde]+ΝADΡΗ+Η+→mevalonate+ΝADΡ+HMG-CoA還原酶同時催化該反應的逆反應,氧化甲羥戊酸為HMG-CoA。HMG-CoA還原酶點突變和晶體結(jié)構(gòu)分析表明,假單孢桿菌HMG-CoA還原酶的谷氨酸(Glu83)、賴氨酸(Lys267)、天冬氨酸(Asp283)、組氨酸(His381)可能是酶催化部位的關(guān)鍵位點。人類HMG-CoA還原酶與HMG-CoA,HMG、CoA,HMG、CoA、NADP+結(jié)合形成3種復合物的晶體結(jié)構(gòu)分析闡明了該酶的催化部位包含3個結(jié)構(gòu)域:N端的的N域(460～527),大的L域(528～590,694～872)和插入到L域內(nèi)部的S域(592～682),并揭示人類HMG-CoA還原酶是以緊密四聚體形式存在的。假單孢桿菌HMG-CoA還原酶結(jié)合它汀類藥物的晶體結(jié)構(gòu)分析表明,洛伐它汀與該酶的活性位點結(jié)合,并取代結(jié)構(gòu)域兩側(cè)部位包括催化殘基His381。合成IPP的途徑包括甲羥戊酸途徑(mevalonatepathway)和丙酮酸-3-磷酸甘油途徑(pyruvate/glyceraldehyde-3-phosphatepathway),丙酮酸-3-磷酸甘油途徑也稱非甲羥戊酸途徑,人類及其他真核生物、古細菌、格蘭氏陽性細菌、布氏疏螺旋體(Borreliaburgdorferi)等通過甲羥戊酸途徑合成IPP,多數(shù)格蘭氏陰性細菌利用非甲羥戊酸途徑合成IPP,IPP可進一步轉(zhuǎn)變?yōu)槟懝檀肌㈢揞惣に丶拜祁愇镔|(zhì)。甲羥戊酸途徑是傳統(tǒng)的IPP合成途徑,等位取代技術(shù)研究證明,該途徑的5個基因:HMG-CoA合成酶(mvaS)、HMG-CoA還原酶(mvaA)、甲羥戊酸激酶(mvaK1)、磷酸甲羥戊酸激酶(mvaK2)、磷酸甲羥戊酸脫羧酶(mvaD)對肺炎鏈球菌(S.pneumoniae)的生長都是必需的。2兩類hmg-coa還原酶2.1hgm-coa還原酶通過50個HMG-CoA還原酶序列比對分析表明,生物界存在兩大類HMG-CoA還原酶,人類、果蠅、酵母等真核生物及部分古細菌(Methanococcusjannaschii)的HMG-CoA還原酶屬于Ⅰ類還原酶,假單胞桿菌、肺炎鏈球菌、腸道球菌等原核生物及部分古細菌(Archaeoglobusfulgidus)的HMG-CoA還原酶屬于Ⅱ類還原酶。人類和假單胞桿菌HMG-CoA還原酶是Ⅰ類酶和Ⅱ類酶的典型代表。Bochar等通過系統(tǒng)發(fā)生分析研究證明,HMG-CoA還原酶在細菌和古細菌之間可能存在橫向基因轉(zhuǎn)移,起初發(fā)生在細菌與古細菌之間,然后在古細菌之間發(fā)生基因轉(zhuǎn)移,這表明基因橫向轉(zhuǎn)移是生物適應環(huán)境的重要結(jié)果。高等動物、原核生物和古細菌只有一個mvaA基因(龍蝦除外,它包括可溶的和跨膜的兩種異構(gòu)酶,分別由兩個基因編碼)用于合成IPP,但是植物有多種HMG-CoA還原酶同功酶,可使用HMG-CoA還原酶依賴性和非依賴性兩個途徑來合成IPP。真核生物HMG-CoA還原酶催化結(jié)構(gòu)域高度保守,但跨膜區(qū)域并不保守,原核生物和古細菌的HMG-CoA還原酶缺少跨膜區(qū)域。生化特征、氨基酸序列比較和系統(tǒng)發(fā)生學分析進一步揭示存在兩類HMG-CoA還原酶(圖2),Ⅰ類存在于真核生物和部分古細菌中,Ⅱ類存在于原核生物和部分古細菌中,這表明兩類酶存在進化上的多樣性。2.2它汀類藥物對類hgm-coa還原酶的抑制機理人類和假單孢桿菌HMG-CoA還原酶的晶體結(jié)構(gòu)分析揭示了兩類酶的結(jié)構(gòu)差異,動力學分析闡明了兩類酶動力學特性差異。表1比較了Ⅰ類和Ⅱ類HMG-CoA還原酶的動力學特性。從表中可以看出,兩類酶的最大反應速度和對作用底物HMG-CoA的Km值差別不大,均在同一數(shù)量級范圍內(nèi),但它汀類藥物對兩類酶的抑制常數(shù)(Ki)有著重大的差別,它汀類藥物對Ⅰ類HMG-CoA還原酶的抑制常數(shù)在納摩爾范圍內(nèi),而對Ⅱ類HMG-CoA還原酶的抑制常數(shù)在微摩爾范圍內(nèi),是Ⅰ類的103～105倍。兩類酶的動力學參數(shù)比較說明,它汀類藥物與底物競爭酶的結(jié)合位點是有所不同的,兩類酶的催化作用位點和催化作用機制并不相同。傳統(tǒng)的它汀類藥物是Ⅰ類HMG-CoA還原酶的良好競爭性抑制劑,在肝臟內(nèi)競爭性抑制HMG-CoA還原酶活性,從而阻斷HMG-CoA轉(zhuǎn)變?yōu)榧琢u戊酸,使肝內(nèi)膽固醇合成減少,最終達到治療因膽固醇含量過高而引起的冠心病、動脈粥樣硬化等心血管疾病的目的。但它汀類藥物抑制Ⅱ類HMG-CoA還原酶的效果并不理想(表1),因此研究針對Ⅱ類HMG-CoA還原酶的競爭性抑制具有廣闊的應用前景。3hgm-coa還原酶抑制劑人類和假單孢桿菌HMG-CoA還原酶結(jié)合它汀類藥物的晶體結(jié)構(gòu)分析表明,兩類酶具有相似的結(jié)合模式,但在結(jié)合專一性方面具有明顯不同。Hedl等利用底物類似物(β-羥基丁酸、γ-羥基丁酸、乙酰乙酸、HMG)作為HMG-CoA還原酶的抑制劑,研究了底物類似物對Ⅱ類HMG-CoA還原酶的抑制作用,結(jié)果表明,甲羥戊酸轉(zhuǎn)變?yōu)镠M