hmg-coa还原酶的生物信息学分析

hmg-coa还原酶的生物信息学分析

在生物中，3-羟色胺-3-甲基二醇胺（3-hydr-3-methyl-conzhimearacema）的还原酶hmg-coa生成异戊二醇（menati），然后转化为异戊二醇磷酸（hmg-coa）。在高等生物中IPP是胆固醇、类固醇激素等甾类物质合成的关键物质,在细菌中IPP是脂载体及电子传递链中甲基萘醌类、辅酶Q等合成的关键物质。在古细菌中,HMG-CoA还原酶是异戊二烯醚(isoprenoidethers)合成的限速酶,异戊二烯醚是古细菌细胞膜的主要组成部分。HMG-CoA还原酶是它汀类(statins)药物的靶标酶,它汀类药物竞争性抑制HMG-CoA还原酶活性,在人体内具有良好的降低血液胆固醇的作用。最近研究表明,它汀类药物在抗炎、抗感染、降低前列腺癌死亡率等多方面具有重要作用。在细菌中它汀类药物可通过抑制HMG-CoA还原酶的活性最终破坏细胞壁合成,从而达到抑菌的目的。因此,HMG-CoA还原酶的研究备受关注。1hgm-coa还原酶的结构及合成ipp的途径HMG-CoA还原酶是需要4个电子的少数氧化还原酶之一,催化HMG-CoA还原为甲羟戊酸,甲羟戊酸进一步合成IPP。首先两分子的乙酰辅酶A在硫解酶的作用下合成乙酰-乙酰辅酶A,然后在HMG-CoA合成酶、HMG-CoA还原酶等一系列酶的催化下最终合成IPP(图1)。HMG-CoA还原为甲羟戊酸,该反应需要2分子的NADPH+2H+及HMG-CoA还原酶的催化,包括3个连续的反应阶段,第一和第三阶段为还原阶段,甲羟戊醛辅酶A(mevaldyl-CoA)和甲羟戊醛(mevaldehyde)是第二阶段的两个中间体:第一阶段:HMG−CoA+NADPH+H+→[mevaldyl−CpAΗΜG-CoA+ΝADΡΗ+Η+→[mevaldyl-CpA]+NADP第二阶段:[mevaldyl−CpA]→[mevaldehyde]+CoA−SH[mevaldyl-CpA]→[mevaldehyde]+CoA-SΗ第三阶段:[mevaldehyde]+NADPH+H+→mevalonate+NADP[mevaldehyde]+ΝADΡΗ+Η+→mevalonate+ΝADΡ+HMG-CoA还原酶同时催化该反应的逆反应,氧化甲羟戊酸为HMG-CoA。HMG-CoA还原酶点突变和晶体结构分析表明,假单孢杆菌HMG-CoA还原酶的谷氨酸(Glu83)、赖氨酸(Lys267)、天冬氨酸(Asp283)、组氨酸(His381)可能是酶催化部位的关键位点。人类HMG-CoA还原酶与HMG-CoA,HMG、CoA,HMG、CoA、NADP+结合形成3种复合物的晶体结构分析阐明了该酶的催化部位包含3个结构域:N端的的N域(460～527),大的L域(528～590,694～872)和插入到L域内部的S域(592～682),并揭示人类HMG-CoA还原酶是以紧密四聚体形式存在的。假单孢杆菌HMG-CoA还原酶结合它汀类药物的晶体结构分析表明,洛伐它汀与该酶的活性位点结合,并取代结构域两侧部位包括催化残基His381。合成IPP的途径包括甲羟戊酸途径(mevalonatepathway)和丙酮酸-3-磷酸甘油途径(pyruvate/glyceraldehyde-3-phosphatepathway),丙酮酸-3-磷酸甘油途径也称非甲羟戊酸途径,人类及其他真核生物、古细菌、格兰氏阳性细菌、布氏疏螺旋体(Borreliaburgdorferi)等通过甲羟戊酸途径合成IPP,多数格兰氏阴性细菌利用非甲羟戊酸途径合成IPP,IPP可进一步转变为胆固醇、甾类激素及萜类物质。甲羟戊酸途径是传统的IPP合成途径,等位取代技术研究证明,该途径的5个基因:HMG-CoA合成酶(mvaS)、HMG-CoA还原酶(mvaA)、甲羟戊酸激酶(mvaK1)、磷酸甲羟戊酸激酶(mvaK2)、磷酸甲羟戊酸脱羧酶(mvaD)对肺炎链球菌(S.pneumoniae)的生长都是必需的。2两类hmg-coa还原酶2.1hgm-coa还原酶通过50个HMG-CoA还原酶序列比对分析表明,生物界存在两大类HMG-CoA还原酶,人类、果蝇、酵母等真核生物及部分古细菌(Methanococcusjannaschii)的HMG-CoA还原酶属于Ⅰ类还原酶,假单胞杆菌、肺炎链球菌、肠道球菌等原核生物及部分古细菌(Archaeoglobusfulgidus)的HMG-CoA还原酶属于Ⅱ类还原酶。人类和假单胞杆菌HMG-CoA还原酶是Ⅰ类酶和Ⅱ类酶的典型代表。Bochar等通过系统发生分析研究证明,HMG-CoA还原酶在细菌和古细菌之间可能存在横向基因转移,起初发生在细菌与古细菌之间,然后在古细菌之间发生基因转移,这表明基因横向转移是生物适应环境的重要结果。高等动物、原核生物和古细菌只有一个mvaA基因(龙虾除外,它包括可溶的和跨膜的两种异构酶,分别由两个基因编码)用于合成IPP,但是植物有多种HMG-CoA还原酶同功酶,可使用HMG-CoA还原酶依赖性和非依赖性两个途径来合成IPP。真核生物HMG-CoA还原酶催化结构域高度保守,但跨膜区域并不保守,原核生物和古细菌的HMG-CoA还原酶缺少跨膜区域。生化特征、氨基酸序列比较和系统发生学分析进一步揭示存在两类HMG-CoA还原酶(图2),Ⅰ类存在于真核生物和部分古细菌中,Ⅱ类存在于原核生物和部分古细菌中,这表明两类酶存在进化上的多样性。2.2它汀类药物对类hgm-coa还原酶的抑制机理人类和假单孢杆菌HMG-CoA还原酶的晶体结构分析揭示了两类酶的结构差异,动力学分析阐明了两类酶动力学特性差异。表1比较了Ⅰ类和Ⅱ类HMG-CoA还原酶的动力学特性。从表中可以看出,两类酶的最大反应速度和对作用底物HMG-CoA的Km值差别不大,均在同一数量级范围内,但它汀类药物对两类酶的抑制常数(Ki)有着重大的差别,它汀类药物对Ⅰ类HMG-CoA还原酶的抑制常数在纳摩尔范围内,而对Ⅱ类HMG-CoA还原酶的抑制常数在微摩尔范围内,是Ⅰ类的103～105倍。两类酶的动力学参数比较说明,它汀类药物与底物竞争酶的结合位点是有所不同的,两类酶的催化作用位点和催化作用机制并不相同。传统的它汀类药物是Ⅰ类HMG-CoA还原酶的良好竞争性抑制剂,在肝脏内竞争性抑制HMG-CoA还原酶活性,从而阻断HMG-CoA转变为甲羟戊酸,使肝内胆固醇合成减少,最终达到治疗因胆固醇含量过高而引起的冠心病、动脉粥样硬化等心血管疾病的目的。但它汀类药物抑制Ⅱ类HMG-CoA还原酶的效果并不理想(表1),因此研究针对Ⅱ类HMG-CoA还原酶的竞争性抑制具有广阔的应用前景。3hgm-coa还原酶抑制剂人类和假单孢杆菌HMG-CoA还原酶结合它汀类药物的晶体结构分析表明,两类酶具有相似的结合模式,但在结合专一性方面具有明显不同。Hedl等利用底物类似物(β-羟基丁酸、γ-羟基丁酸、乙酰乙酸、HMG)作为HMG-CoA还原酶的抑制剂,研究了底物类似物对Ⅱ类HMG-CoA还原酶的抑制作用,结果表明,甲羟戊酸转变为HM