Кокарсиболаза — фермент тиаминсинтеза¶

Кокарсиболаза — фермент класса лиаз, катализирующий расщепление 5-аминоимидазолрибонуклеотида (АИРН) до 5-аминоимидазолкарбоксамидрибонуклеотида (АИКАРН) в ходе биосинтеза пуриновых нуклеотидов. Белок кодируется у человека геном ATIC (ранее обозначался как PURH), локализованным на длинном плече 2-й хромосомы. Фермент относится к семейству IMP-циклогидролаз и представляет собой бифункциональный полипептид, совмещающий две последовательные каталитические активности.

¶Общая характеристика

Кокарсиболаза — гомодимер с молекулярной массой субъединицы около 64 кДа. В организме человека и других эукариот фермент присутствует преимущественно в цитозоле, где протекает основная часть реакций de novo синтеза пуринов. Название отражает исторически сложившуюся номенклатуру: фермент катализирует превращение формилглицинамидрибонуклеотида (FGAR) в конечный продукт пути — инозиновую кислоту (IMP), действуя на стадии, связанной с «кокарсилом» — промежуточным метаболитом, впервые описанным в 1950-х годах при изучении мутантов Escherichia coli.

¶Каталитическая функция

Кокарсиболаза осуществляет две химически различные реакции в составе единого активного центра, разделённого на два домена:

Первая реакция — необратимый гидролиз АИКАРН, сопровождающийся выделением воды и формированием промежуточного соединения FAICAR (5-формиламиноимидазол-4-карбоксамидрибонуклеотида). Вторая стадия — циклизация FAICAR до IMP с высвобождением тетрагидрофолата. Обе реакции протекают без диссоциации субстрата, что обеспечивает высокую эффективность метаболического канала.

¶Биохимическое значение

Путь de novo синтеза пуринов, в котором участвует кокарсиболаза, обеспечивает образование аденина и гуанина — строительных блоков ДНК и РНК, а также коферментов (НАД⁺, ФАД, КоА) и сигнальных молекул (цАМФ, ГТФ). Нарушения этого пути летальны для клетки, поэтому активность фермента строго регулируется на уровне транскрипции и посттрансляционной модификации. У микроорганизмов, таких как Bacillus subtilis и Escherichia coli, кокарсиболаза кодируется геном purH и служит мишенью для антибактериальных препаратов, блокирующих синтез пуринов.

¶Клиническое значение

Мутации гена ATIC связаны с редким наследственным заболеванием — недостаточностью АИКАР-формилтрансферазы/IMP-циклогидролазы, проявляющейся задержкой психомоторного развития, судорогами и нарушениями обмена пуринов. Кроме того, гиперэкспрессия ATIC обнаружена при ряде злокачественных новообразований, включая нейробластому и колоректальный рак, что делает фермент потенциальной мишенью противоопухолевой терапии. Исследуются ингибиторы кокарсиболазы как средства для подавления пролиферации опухолевых клеток, зависимых от пуринового синтеза.

¶Эволюция и распространение

Гомологи кокарсиболазы обнаружены у всех трёх доменов жизни — бактерий, архей и эукариот. У прокариот фермент часто представлен одним полипептидом с двумя доменами, тогда как у некоторых архей функции разделены между двумя отдельными белками. Филогенетический анализ показывает высокую консервативность активного центра, что подтверждает ключевую роль фермента в метаболизме. У растений кокарсиболаза участвует в синтезе пуринов, необходимых для роста и развития, а её экспрессия возрастает в активно делящихся тканях — меристемах и молодых листьях.

¶Методы исследования

Активность кокарсиболазы определяют спектрофотометрически по убыванию поглощения АИКАРН при длине волны 285 нм или хроматографически с разделением нуклеотидов. Рентгеноструктурный анализ кристаллов фермента из Bacillus anthracis и человека выявил конформационные изменения при связывании субстрата, объясняющие механизм сопряжения двух реакций. Методы CRISPR-Cas9 позволяют создавать нокаутные линии клеток для изучения последствий утраты функции ATIC.

¶Связь с другими ферментами

Кокарсиболаза занимает предпоследнюю стадию пути de novo, непосредственно предшествуя IMP-дегидрогеназе и GMP-синтетазе, которые направляют метаболит к гуаниновым нуклеотидам. Координация этих ферментов обеспечивает баланс между адениновыми и гуаниновыми пулами. Нарушение такой координации ведёт к накоплению токсичных интермедиатов и развитию метаболических расстройств.