Фермент фумараза и его функции¶

Фумараза — фермент класса лиаз, катализирующий обратимое превращение фумаровой кислоты (фумарата) в яблочную кислоту (L-малат) путём присоединения молекулы воды к двойной связи. Систематическое название — L-малат-гидролиаза (КФ 4.2.1.2). Фермент относится к числу ключевых участников цикла трикарбоновых кислот и ряда анаплеротических реакций, обеспечивающих клетку метаболитами.

¶Реакция и механизм

Фумараза катализирует реакцию:

• фумарат + H₂O ⇌ L-малат

Реакция обратима, но в условиях клетки смещена в сторону образования малата. Механизм включает стереоспецифическое транс-присоединение воды: гидроксильная группа и атом водорода встраиваются по разные стороны двойной связи, что даёт исключительно L-изомер малата. Фермент не действует на малеинат (цис-изомер) и ацетилендикарбоновую кислоту, что указывает на строгую геометрическую избирательность активного центра.

¶Структура

Фумаразы делятся на два структурных класса:

Ферменты класса I — димеры или тетрамеры с двумя железо-серными кластерами, не чувствительные к кислороду. Ферменты класса II — обычно димеры, инактивируемые кислородом, функционируют преимущественно в анаэробных условиях. У человека митохондриальная фумараза относится к классу I.

¶Биологическая роль

Основная функция фумаразы — участие в цикле Кребса, где она превращает фумарат в малат. Кроме того, фермент задействован в:

• Цикле мочевины — через образование аргининосукцината из фумарата в аспартат-аргининосукцинатном шунте;
• Анаплеротических путях — восполнении пула малата для глюконеогенеза;
• Метаболизме аминокислот — взаимосвязи с превращениями аспартата и аргинина;
• Фотосинтезе и С4-метаболизме у растений.

У прокариот фумараза участвует в анаэробном дыхании, позволяя использовать фумарат как конечный акцептор электронов.

¶Клиническое значение

Мутации гена FH, кодирующего митохондриальную фумаразу, вызывают наследственное заболевание — фумаразную недостаточность (fumarase deficiency), редкую аутосомно-рецессивную энцефалопатию с задержкой развития, судорогами и лейкоэнцефалопатией. Накопление фумарата рассматривается как фактор онкогенеза: фермент относят к супрессорам опухолей, а его дефицит связывают с наследственной лейомиоматоз и почечно-клеточным раком.

¶Применение

В биотехнологии фумараза используется для стереоселективного синтеза L-яблочной кислоты — пищевой добавки (E296) и полупродукта химического синтеза. Иммобилизованные ферменты применяют в промышленных биореакторах, поскольку они позволяют получать оптически чистый продукт без побочных изомеров.

¶Регуляция

Активность фермента зависит от pH (оптимум около 7,0–8,0), температуры и наличия субстрата. В клетках экспрессия генов фумаразы регулируется в зависимости от доступности кислорода: анаэробные изоформы активируются при недостатке O₂. Ингибиторами служат некоторые дикарбоновые кислоты и аналоги субстрата.