Ihmisen mitokondriaalisen ja Escherichia coli:n rasvahappojen β-oksidaation kolmitoiminenentsyymikompleksin (TFE) rakenteellis-entsymologiset tutkimukset

Rasvahapot ovat yksi tärkeimmistä energialähteistä elävissä organismeissa. Ne hapetetaan energiantuotantoa varten pääasiassa β-oksidaatioreittiin kuuluvilla entsyymeillä. Kolmitoiminen entsyymi (TriFunctional Enzyme, TFE) katalysoi neljästä β-oxidaatioreitin reaktiosta viimeiset kolme. TFE:llä on 2E-enoyyli-CoA-hydrataasi (ECH) ja 3S-hydroksiasyyli-CoA-dehydrogenaasi (HAD) -aktiivisuudet α-alayksikössä ja 3-ketoasyyli-CoA-tiolaasi (KAT) aktiivisuus β-alayksikössä. Ihmisellä mutaatiot TFE:ssä aiheuttavat useita häiriöitä rasvahappojen β-oksidaatioreitissä, ja voivat johtaa vakaviin häiriöihin, mukaan lukien vauvojen kätkytkuolemat. Ihmisellä on yksi TFE (HsTFE), joka sijaitsee mitokondriossa. E.coli:lla on puolestaan kaksi TFE-kompleksia: EcTFE ja anEcTFE. EcTFE ilmenee vain aerobisissa olosuhteissa, kun taas anEcTFE ilmenee aerobisissa ja anaerobisissa olosuhteissa käyttämällä nitraattia tai fumaraattia lopullisen elektronin vastaanottajana hapen sijasta. TFE:n toiminnallinen yksikkö on yleensä α2β2-heterotetrameeri. Tässä tutkimuksessa selviteltiin EcTFE:n, anEcTFE:n ja HsTFE:n biokemiallisia, biofysikaalisia ja rakenteellisia ominaisuuksia. Näiden kolmen TFE:n tuloksia vertailtiin keskenään, sekä niitä verrattiin myös muihin TFE-komplekseihin. Tässä tutkimuksessa havaittiin, että anEcTFE on sitoutunut membraaniin HsTFE:n tavoin, kun taas EcTFE sijaitsee vapaasti sytosolissa. Näiden TFE:ien systemaattinen biofysikaalinen ja kineettinen karakterisointi osoitti, että anEcTFE:llä on rakenteen ja substraattispesifisyyden suhteen korkeampi samankaltaisuus HsTFE:n kanssa kuin sen anaerobisella homologilla (EcTFE). anEcTFE ja FsTFE suosivat keskipitkiä ja pitkäketjuisia asyyli-CoA-molekyylejä, kun taas EcTFE suosii substraattinaan lyhytketjuisia asyyli-CoA-molekyylejä. Nämä tutkimukset osoittavat, että EcTFE:llä ja anEcTFE:llä on komplementaarista substraattispesifisyyttä, mikä mahdollistaa pitkäketjuisten enoyyli-CoA-molekyylien täydellisen hajoamisen aerobisissa olosuhteissa E.coli:ssa. Tässä työssä määritettiin sekä EcTFE:n α-alayksikön, että anEcTFE:n kiderakenteet, ja näitä rakenteita verrattiin HsTFE:n hiljattain julkaistuihin rakenteisiin. Rakenneanalyysi osoittaa, että EcTFE:n ECH:n aktiivisessa kohdassa on rasvahappomolekyyleille suhteellisen pieni sitoutumistasku verrattuna anTFE:n ja Hs:TFE:n rakenteisiin, mikä on yhdenmukainen havainto niiden substraattispesifisiin ominaisuuksiinsa nähden. Nämä analyysit viittaavat siihen, että anEcTFE ja HsTFE ovat evolutiivisesti läheistä sukua, kun taas EcTFE kuuluu eri TFE-alalajiin. Lisäksi tutkittiin myös TFE:n kykyä kanavoida substraattia, ja tulokset viittaavat siihen, että negatiivisesti varautuneet CoA-konjugoidut reaktiovälituotteet vangitaan positiivisesti varautuneeseen reaktiokammioon, mahdollistaen siten välituotteiden kanavoinnin aktiivisten keskusten välillä ainakin EcTFE:ssä. Shiv Kumar Sah-Teli, 2020 Avainsanat: rasvahappojen β-oksidaatio, kolmitoiminenentsyymi, enoyyli-CoA hydrataasi, 3S-hydroksiasyyli-CoA dehydrogenaasi, tiolaasi, substraattispesifisyys, substraatin kanavointi