Fumaráza

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

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

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. Adičná reakcia prebieha ako trans-adícia.

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

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.FH (fumarate hydratase)

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.

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

 Proteín 
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. 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. 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.

 Subtypy 
Existujú dve triedy fumaráz, trieda I a trieda II. 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.

 Funkcia 
 Mechanizmus 
vpravo|náhľad|405x405bod|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.

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).
vpravo|náhľad|400x400bod|Obrázok 2: Konverzia fumarátu na S-malát.

 Biochemické dráhy 
V citrátovom cykle je funkciou fumarázy sprostredkovať medzikrok pre tvorbu energie v podobe NADH. 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.

 Iné substráty 
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. 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.

 Klinický význam 
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.

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

 Referencie 

 Iné projekty 

Kategória:Lyázy
Kategória:Enzýmy citrátového cyklu