Сфингомиелиназа
Сфингомиелинфосфодиэстераза (КФ 3.1.4.12, сфингомиелиназа, англ. sphingomyelin phosphodiesterase, sphingomyelinase) — лизосомальный фермент, расщепляющий мембранный липид сфингомиелин на фосфатидилхолин и церамид. Недостаточность фермента приводит к значительному накоплению липидов в лизосомах, что вызывает заболевания, известные как болезнь Ниманна-Пика[2]. Существует 5 форм фермента: кислая сфингомиелиназа (SMPD1), нейтральные (SMPD2, SMPD3) и кислая сфингомиелиназа-подобные (SMPDL3A, SMPDL3B).
| Сфингомиелинфосфодиэстераза | |
|---|---|
 Кристаллическая структура сфингомиелиназы из Bacillus cereus [1] | |
| Обозначения | |
| Символы | SMPD1 |
| CAS | 9031-54-3 |
| Entrez Gene | 6609 |
| HGNC | 11120 |
| OMIM | 607608 |
| RefSeq | NM_000543 |
| UniProt | P17405 |
| Другие данные | |
| Шифр КФ | 3.1.4.12 |
| Локус | 11-я хр. , 11p15.4-15.1 |
 Информация в Викиданных ? | |
Семейство сфингомиелиназ
Выявлено пять типов SMase. Они классифицируются в соответствии с их катионной зависимостью и оптимумом действия pH и включают в себя:
- Лизосомальная кислота SMase
- Секретируемая цинк-зависимая кислотная SMase
- Магний-зависимая нейтральная SMase
- Магний-независимый нейтральный SMase
- Щелочная SMase
Из них лизосомальная кислая SMase и магний-зависимая нейтральная SMase считаются основными кандидатами на продукцию церамида в клеточной реакции на стресс[3].
Нейтральная сфингомиелиназа
Активность нейтральной сфингомиелиназы (N-SMase) была впервые описана в фибробластах пациентов с болезнью Ниманна-Пика — лизосомальной болезнью накопления, характеризующейся дефицитом кислой SMase.[4] Последующее исследование показало, что этот фермент был продуктом отдельного гена, имел оптимальный pH 7,4, зависел от ионов Mg 2+ по своей активности и был особенно богат в мозге.[5] Однако более недавнее исследование головного мозга крупного рогатого скота подтвердило существование множества изоформ N-SMase с различными биохимическими и хроматографическими свойствами.[6]
Главный прорыв произошел в середине 1980-х годов с клонированием первых N-SMases из Bacillus cereus и Staphylococcus aureus.[7] [8] Использование последовательностей этих бактериальных сфингомиелиназ в поисках гомологии в конечном итоге привело к идентификации дрожжевых N-SMases ISC1 в почкующихся дрожжах Saccharomyces cerevisiae[9] и ферментов N-SMase млекопитающих, nSMase1 и nSMase2.[10] [11] [12] Идентичность между SMase млекопитающих, дрожжей и бактерий очень низкая — примерно 20% между nSMase2 и SMase B. cereus. Однако выравнивание последовательностей (см. Рисунок) указывает на ряд консервативных остатков во всем семействе, особенно в каталитической области ферментов. [13] Это привело к предположению об общем каталитическом механизме для семейства N-SMase.
Третий белок N-SMase — nSMase3 — был клонирован и охарактеризован в 2006 году.[14] nSMase3 имеет небольшое сходство последовательностей с nSMase1 или nSMase2. Однако, по-видимому, существует высокая степень эволюционной консервативности от низших организмов к высшим, что позволяет предположить, что они могут включать уникальную и отличную N-SMase. Высокая экспрессия nSMase3 в сердце и скелетных мышцах также предполагает потенциальную роль в сердечной функции.[14]
Активный сайт
Увеличенное изображение активного сайта SMase со связанными ионами Co 2+, показывающее остатки, ответственные за связывание катионов двухвалентного металла.
Решение кристаллической структуры нейтральной сфингомиелиназы из Listeria ivanovii и Bacillus cereus позволило более полно понять их ферментативный сайт. Активный сайт из B. Cereus SMase содержит остатки Asn -16, Glu -53, Asp -195, Asn-197, и его -296. Известно, что из них остатки Glu-53, Asp-195 и His-296 важны для активности. Относительная каталитическая активность SMase, когда ионы металлов связаны с активным центром, была изучена для ионов двухвалентных металлов Co 2+ , Mn 2+ , Mg 2+ , Ca 2+ и Sr.2+ . Из этих пяти ионов металлов Co 2+ , Mn 2+ и Mg 2+, связанные с активным центром, приводят к высокой каталитической активности SMase. Ca 2+ и Sr 2+, связанные с активным центром, проявляют гораздо более низкую каталитическую активность SMase. Когда один Mg 2+ ион или два Co 2+ ионы связываются с активным сайтом, двойные гекса-скоординированые результаты геометрии с двумя октаэдрическими би-пирамидами для Co 2+ и один октаэдрической би-пирамиды для Mg 2+ . Когда один Ca 2+ion связывается с активным центром, в результате получается гепта-скоординированная геометрия. Следовательно, предполагается, что различие в каталитической активности для ионов металлов связано с геометрическими различиями. Что касается Co 2+ и Mg 2+ , SMase имеет лучшую реакционную способность, когда два иона Co 2+ связаны с SMase; когда эти ионы Co 2+ связаны, каждый из Glu-53 и His-296 связывает один двухвалентный катион металла. Эти катионы окружены мостиковыми молекулами воды и действуют как кислоты Льюиса.[15]
Механизм
Решение кристаллической структуры нейтральной сфингомиелиназы из Listeria ivanovii и Bacillus cereus также пролило свет на их каталитические механизмы. Активный сайт SMase содержит остатки Glu и His, каждый из которых связан с одним или двумя катионами двухвалентного металла, обычно Co 2+ , Mg 2+ или Ca 2+ для оптимальной работы. Эти два катиона участвуют в катализе, привлекая SM к активному центру SMase. Двухвалентный катион, связанный с остатком Glu, взаимодействует с амидокислородом и кислородом сложного эфира между C1 и фосфатом.группа СМ; Остаток Asn и катион двухвалентного металла, связанный с остатком His, связываются с атомами кислорода фосфатной группы SM. Это стабилизирует отрицательный заряд фосфатной группы. Катион металла, связанный с остатком His и боковыми цепями Asp и Asn, снижает значение pKa одной из мостиковых молекул воды, таким образом активируя молекулу воды. Затем эта молекула воды действует как нуклеофил и атакует фосфатную группу SM, создавая пятивалентный атом фосфора, отрицательный заряд которого стабилизируется катионами двухвалентных металлов. Затем фосфат преобразует свою тетраэдрическую конформацию с образованием церамида и фосфохолина.[15]
Кислая сфингомиелиназа
Кислая сфингомиелиназа — один из ферментов, входящих в состав семейства сфингомиелиназ (SMase), ответственных за катализ деградации сфингомиелина до церамида и фосфатидилхолина. Они подразделяются на щелочную, нейтральную и кислую SMase в зависимости от pH, при котором их ферментативная активность оптимальна. На ферментативную активность кислых сфингомиелиназ (аСМаз) могут влиять липиды, катионы, pH, окислительно-восстановительный потенциал, а также другие белки окружающей среды. В частности, было показано, что aSMases обладают повышенной ферментативной активностью в среде, обогащенной (LBPA) или фосфатидилинозитом (PI), и ингибируют активность при наличии фосфорилированных производных PI.
Сфингомиелинфосфодиэстераза 1 [SMPD1] — это ген, который кодирует два фермента aSMase, различных в пулах сфингомиелина, которые они гидролизуют. Лизосомальная сфингомиелиназа (L-SMase) обнаруживается в лизосомном компартменте, а секреторная сфингомиелиназа (S-SMase) обнаруживается внеклеточно.
Примечания
- PDB 2ddt; Ago H, Oda M, Takahashi M, Tsuge H, Ochi S, Katunuma N, Miyano M, Sakurai J (June 2006). “Structural basis of the sphingomyelin phosphodiesterase activity in neutral sphingomyelinase from Bacillus cereus”. J. Biol. Chem. 281 (23): 16157—67. DOI:10.1074/jbc.M601089200. PMID 16595670.
- P. B. Schneider, E. P. Kennedy. Sphingomyelinase in normal human spleens and in spleens from subjects with Niemann-Pick disease // Journal of Lipid Research. — 1967-05. — Т. 8, вып. 3. — С. 202–209. — ISSN 0022-2275.
- Сфингомиелин фосфодиэстераза. www.hmong.press. Дата обращения: 17 февраля 2022.
- P. B. Schneider, E. P. Kennedy. Sphingomyelinase in normal human spleens and in spleens from subjects with Niemann-Pick disease // Journal of Lipid Research. — 1967-05. — Т. 8, вып. 3. — С. 202–209. — ISSN 0022-2275.
- B. G. Rao, M. W. Spence. Sphingomyelinase activity at pH 7.4 in human brain and a comparison to activity at pH 5.0 // Journal of Lipid Research. — 1976-09. — Т. 17, вып. 5. — С. 506–515. — ISSN 0022-2275.
- S. Y. Jung, J. H. Suh, H. J. Park, K. M. Jung, M. Y. Kim. Identification of multiple forms of membrane-associated neutral sphingomyelinase in bovine brain // Journal of Neurochemistry. — 2000-09. — Т. 75, вып. 3. — С. 1004–1014. — ISSN 0022-3042. — doi:10.1046/j.1471-4159.2000.0751004.x.
- D. C. Coleman, J. P. Arbuthnott, H. M. Pomeroy, T. H. Birkbeck. Cloning and expression in Escherichia coli and Staphylococcus aureus of the beta-lysin determinant from Staphylococcus aureus: evidence that bacteriophage conversion of beta-lysin activity is caused by insertional inactivation of the beta-lysin determinant // Microbial Pathogenesis. — 1986-12. — Т. 1, вып. 6. — С. 549–564. — ISSN 0882-4010. — doi:10.1016/0882-4010(86)90040-9.
- A. Yamada, N. Tsukagoshi, S. Udaka, T. Sasaki, S. Makino. Nucleotide sequence and expression in Escherichia coli of the gene coding for sphingomyelinase of Bacillus cereus // European Journal of Biochemistry. — 1988-08-01. — Т. 175, вып. 2. — С. 213–220. — ISSN 0014-2956. — doi:10.1111/j.1432-1033.1988.tb14186.x.
- H. Sawai, Y. Okamoto, C. Luberto, C. Mao, A. Bielawska. Identification of ISC1 (YER019w) as inositol phosphosphingolipid phospholipase C in Saccharomyces cerevisiae // The Journal of Biological Chemistry. — 2000-12-15. — Т. 275, вып. 50. — С. 39793–39798. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.M007721200.
- Kaushlendra Tripathi. Role of Inositol Phosphosphingolipid Phospholipase C1, the Yeast Homolog of Neutral Sphingomyelinases in DNA Damage Response and Diseases // Journal of Lipids. — 2015. — Т. 2015. — С. 161392. — ISSN 2090-3030. — doi:10.1155/2015/161392.
- S. Tomiuk, K. Hofmann, M. Nix, M. Zumbansen, W. Stoffel. Cloned mammalian neutral sphingomyelinase: functions in sphingolipid signaling? // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. — 1998-03-31. — Т. 95, вып. 7. — С. 3638–3643. — ISSN 0027-8424. — doi:10.1073/pnas.95.7.3638.
- S. Tomiuk, M. Zumbansen, W. Stoffel. Characterization and subcellular localization of murine and human magnesium-dependent neutral sphingomyelinase // The Journal of Biological Chemistry. — 2000-02-25. — Т. 275, вып. 8. — С. 5710–5717. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.275.8.5710.
- Christopher J. Clarke, Christopher F. Snook, Motohiro Tani, Nabil Matmati, Norma Marchesini. The extended family of neutral sphingomyelinases // Biochemistry. — 2006-09-26. — Т. 45, вып. 38. — С. 11247–11256. — ISSN 0006-2960. — doi:10.1021/bi061307z.
- Oleg Krut, Katja Wiegmann, Hamid Kashkar, Benjamin Yazdanpanah, Martin Krönke. Novel tumor necrosis factor-responsive mammalian neutral sphingomyelinase-3 is a C-tail-anchored protein // The Journal of Biological Chemistry. — 2006-05-12. — Т. 281, вып. 19. — С. 13784–13793. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.M511306200.
- Hideo Ago, Masataka Oda, Masaya Takahashi, Hideaki Tsuge, Sadayuki Ochi. Structural basis of the sphingomyelin phosphodiesterase activity in neutral sphingomyelinase from Bacillus cereus // The Journal of Biological Chemistry. — 2006-06-09. — Т. 281, вып. 23. — С. 16157–16167. — ISSN 0021-9258. — doi:10.1074/jbc.M601089200.