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過氧化物酶體脂肪酸β氧化

• 發(fā)布日期：2017/1/10 10:58:08 閱讀次數(shù)：3690
•               過氧化物酶體脂肪酸β氧化
  
                   石如玲,　姜玲玲
  
     (1)河北醫(yī)科大學(xué)生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室,河北石家莊　050017; 2)新鄉(xiāng)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)教研室,河南新鄉(xiāng)　453003)
  
     摘要　除線粒體外,過氧化物酶體也是真核細(xì)胞脂肪酸β氧化分解的重要部位.過氧化物酶體β氧 化過程包括氧化、加水、脫氫和硫解4步反應(yīng),主要參與極長鏈、支鏈脂肪酸等的分解.近年關(guān)于過 氧化物酶體β氧化的研究活躍,在代謝途徑及功能等方面有了新的認(rèn)識,尤其在對相關(guān)代謝酶的研 究中取得了較大進(jìn)展.本文就過氧化物酶體β氧化相關(guān)進(jìn)展作一綜述.
  
  關(guān)鍵詞　過氧化物酶體;脂肪酸;β氧化;代謝酶
  
  自從1976年Lazarow和De Duve[1]發(fā)現(xiàn)哺乳動(dòng) 物過氧化物酶體內(nèi)存在脂肪酸β氧化體系以來,研 究者對過氧化物酶體β氧化體系組成及功能的認(rèn)識 不斷加深.與線粒體β氧化類似,過氧化物酶體β氧 化包括4個(gè)連續(xù)的反應(yīng)(Fig.1).(1)氧化反應(yīng):脂酰 輔酶A脫氫生成2-反-烯脂酰輔酶A;(2)水化反應(yīng): 2-反-烯脂酰輔酶A加水轉(zhuǎn)變?yōu)?-羥脂酰輔酶A;(3) 脫氫反應(yīng):3-羥脂酰輔酶A脫氫生成3-酮脂酰輔酶 A;(4)硫解反應(yīng):3-酮脂酰輔酶A硫解產(chǎn)生1分子乙 酰輔酶A(或丙酰輔酶A)和碳鏈縮短了的脂酰輔酶 A,隨后進(jìn)入下一個(gè)循環(huán).近年關(guān)于上述反應(yīng)催化酶 的研究有了很大進(jìn)展,新酶的發(fā)現(xiàn)促使某些早期的 觀點(diǎn)得以修正.本文介紹過氧化物酶體β氧化的功 能特點(diǎn)、催化酶及其調(diào)節(jié)、酶的先天缺陷等方面的研 究進(jìn)展.
  
  1　過氧化物酶體β氧化的功能特點(diǎn) 
  
  與線粒體主要氧化短鏈(≤C6)、中長鏈(C8~ C20)的直鏈脂肪酸不同,過氧化物酶體β氧化的底 物主要包括極長鏈脂肪酸(very long chain fatty acids, VLCFA)(≥C22)、長鏈脂肪酸、2-甲基支鏈脂肪酸 (branched chain fatty acids,BCFA)(如降植烷酸)、膽 汁酸代謝中間物(如三羥膽甾烷酸,trihydroxycholes- tanoic acid,THCA;二羥膽甾烷酸,dihydroxycholestan- oic acid,DHCA)、多不飽和脂肪酸、長鏈二羧酸、二十 烷類物質(zhì)(如前列腺素、血栓素、白三烯)、脂溶性維 生素、一些外源物的側(cè)鏈等[2,3].除參與上述物質(zhì)分 解外,通過過氧化物酶體β氧化也可合成一些體內(nèi) 所必需的生理活性物質(zhì),如膽汁酸、二十二碳六烯酸 (DHA)[4]等.研究顯示,線粒體和過氧化物酶體β氧 化的底物譜有少部分重疊,過氧化物酶體對中長鏈 直鏈脂肪酸也有作用[5].雖然從總量上線粒體負(fù)責(zé) 氧化體內(nèi)大部分的脂肪酸,但從底物譜來看,過氧化 物酶體β氧化的底物種類較線粒體廣泛.兩類β氧 化對底物的選擇性與膜上轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白的特異性有關(guān). 線粒體內(nèi)膜上的肉堿脂酰轉(zhuǎn)移酶Ⅰ不能轉(zhuǎn)運(yùn) VLCFA、BCFA、前列腺素及膽汁酸代謝中間物入線 粒體.
  
  過氧化物酶體β氧化的另一特點(diǎn)是產(chǎn)生H2O2. 在脂酰輔酶A氧化酶的催化下,脂酰輔酶A脫下的 氫與O2結(jié)合生成H2O2.而在線粒體β氧化中,脂酰 輔酶A脫氫酶催化底物脫下的氫則經(jīng)呼吸鏈傳遞 給氧生成H2O.
  
  脂肪酸經(jīng)過線粒體的β氧化,可徹底氧化成乙 酰輔酶A,再經(jīng)存在三羧酸循環(huán)和氧化磷酸化徹底 氧化為CO2和水,釋放能量合成ATP.然而,脂肪酸 經(jīng)過氧化物酶體的β氧化則是不徹底的.底物通過 1個(gè)或幾個(gè)有限的β氧化循環(huán),碳鏈縮短,然后需進(jìn) 入線粒體才能徹底氧化.是什么機(jī)制阻止了過氧化 物酶體β氧化的繼續(xù),目前尚不清楚,可能與酶對短 鏈底物的親和力低有關(guān).β氧化產(chǎn)生的乙酰輔酶A 或丙酰輔酶A(由2-甲基支鏈脂肪酸產(chǎn)生)以及較短 碳鏈的脂酰輔酶A通過肉堿轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)制轉(zhuǎn)出過氧化 物酶體,經(jīng)過胞質(zhì)再轉(zhuǎn)入線粒體徹底氧化[6].
  
  2　催化過氧化物酶體β氧化反應(yīng)的酶
  
  Hashimoto等[7]的早期研究發(fā)現(xiàn),過氧化物酶體 β氧化途徑的氧化反應(yīng)、水化和脫氫反應(yīng)、硫解反應(yīng) 分別由軟脂酰輔酶A氧化酶、6烯脂酰輔酶A水化 酶/羥脂酰輔酶A脫氫酶雙功能蛋白、硫解酶催化. 進(jìn)一步的研究卻表明,催化過氧化物酶體β氧化每 一步反應(yīng)的酶都不止一種(如Fig.1).
  
  2·1　脂酰輔酶A合成酶
  
  脂肪酸進(jìn)行β氧化之前需要活化生成脂酰輔酶 A,此步反應(yīng)由脂酰輔酶A合成酶催化,需要ATP、 Mg2+、輔酶A等參與.脂肪酸活化在多個(gè)亞細(xì)胞部 位進(jìn)行.目前已知,細(xì)胞內(nèi)存在2類脂酰輔酶A合成
  
  
  
  酶:極長鏈脂酰輔酶A合成酶(very long-chain acyl- CoA synthetase, VLCS)和長鏈脂酰輔酶A合成酶 (long-chain acyl-CoA synthetase, LCS).過氧化物酶體 和內(nèi)質(zhì)網(wǎng)膜上有VLCS和LCS的分布;線粒體外膜 有LCS,但不含VLCS.這可能是線粒體不能降解極 長鏈脂肪酸的重要原因.VLCS催化VLCFA、BCFA及 膽汁酸前體(THCA和DHCA)的活化[8];LCS催化 LCFA的活化,也能催化BCFA的活化[9].長鏈二羧 酸、前列腺素、THCA、DHCA等的活化在內(nèi)質(zhì)網(wǎng)進(jìn) 行,然后經(jīng)未知的機(jī)制轉(zhuǎn)入過氧化物酶體.研究表 明,人及鼠的VLCS也是脂肪酸轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白(fatty acid transport protein, FATP),屬于VLCS/FATP家族中6 個(gè)成員之一[10].其中,VLCS1/FATP2主要存在肝和 腎組織,在底物活化中起重要作用.
  
  脂酰輔酶A進(jìn)入線粒體與膜上的肉堿有關(guān),而 進(jìn)入過氧化物酶體則與膜上的ATP結(jié)合盒(ATP binding cassette,ABC)轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白D有關(guān).其中,ABCD1 被認(rèn)為在VLCFA-CoA的轉(zhuǎn)運(yùn)中發(fā)揮作用[11];ABCD2 可能與ABCD1的作用相似;ABCD3可能參與降植烷 酸、THCA、DHCA等支鏈底物的轉(zhuǎn)運(yùn)[6].
  
  2·2　脂酰輔酶A氧化酶
  
  脂酰輔酶A氧化酶(acyl-CoA oxidase, ACOX)是 過氧化物酶體β氧化體系中催化第1步反應(yīng)的酶, 也是過氧化物酶體β氧化的限速酶.其催化特點(diǎn)和 底物特異性決定了過氧化物酶體與線粒體β氧化的 主要差別.進(jìn)入過氧化物酶體的脂酰輔酶A,在 ACOX的作用下脫氫氧化,生成2-反-烯脂酰輔酶A. 目前發(fā)現(xiàn),嚙齒動(dòng)物有3種脂酰輔酶A氧化 酶[12]:軟脂酰輔酶A氧化酶(palmitoyl-CoA oxidase, ACOX1)、三羥膽甾烷酰輔酶A氧化酶(trihydroxych- olestanoyl-CoA oxidase,ACOX2)、降植烷酰輔酶A氧 化酶(pristanoyl-CoA oxidase,ACOX3).ACOX1主要氧 化長鏈、極長鏈的直鏈底物(如脂肪酸、前列腺素); ACOX2主要氧化膽汁酸中間產(chǎn)物(THCA和DHCA) 及2-甲基支鏈脂肪酸;ACOX3主要氧化2-甲基支鏈 脂肪酸(如降植烷酸).ACOX2只在肝臟表達(dá),而 ACOX1和ACOX3在各種組織都有分布.
  
  已發(fā)現(xiàn)人類有2種脂酰輔酶A氧化酶:1種是 直鏈脂酰輔酶A氧化酶(straight chain acyl-CoA oxidase,SCOX),其底物譜與大鼠的ACOX1相似,二 者的氨基酸序列有89%的一致.另1種是支鏈脂酰 輔酶A氧化酶(branched chain acyl-CoA oxidase, BCOX),參與2-甲基支鏈脂肪酸、THCA、DHCA的氧 化,與大鼠ACOX2的底物一致,二者的氨基酸序列 有75%一致性[13].有報(bào)道稱,人肝臟也存在與大鼠 ACOX3相對應(yīng)的降植烷酰輔酶A氧化酶基因,其編 碼的氨基酸序列與ACOX3有75%的一致,但并未檢 測出該基因的轉(zhuǎn)錄和翻譯產(chǎn)物[14].
  
  2·3　雙功能蛋白
  
  過氧化物酶體β氧化體系中的第2步水化反應(yīng) 和第3步脫氫反應(yīng)由雙功能蛋白催化,反應(yīng)過程為 2-反-烯脂酰輔酶A先加水生成中間產(chǎn)物3-羥脂酰 輔酶A,再脫氫生成3-酮脂酰輔酶A.目前發(fā)現(xiàn),哺 乳動(dòng)物細(xì)胞內(nèi)存在2種雙功能蛋白,都具有烯脂酰 輔酶A水化酶/3-羥脂酰輔酶A脫氫酶活性,由于二 者催化產(chǎn)生的中間產(chǎn)物3-羥脂酰輔酶A分別具有 L-構(gòu)型和D-構(gòu)型,故分別稱之為L-雙功能蛋白(L- bifunctional protein, LBP)和D-雙功能蛋白(D- bifunctional protein,DBP),也被稱為多功能蛋白1和 多功能蛋白2.LBP和DBP分子中都含有脫水酶和 脫氫酶活性結(jié)構(gòu)域,但二者氨基酸序列的一致性卻 較低.DBP多肽鏈的C端與固醇載體蛋白2(sterol carrier protein 2,SCP2)具有同源序列.LBP主要存在 于肝臟,而DBP在肝臟、腦及其他組織均存在. 研究表明,DBP主要作用于2-甲基支鏈烯酰輔 酶A、二羥或三羥膽甾烯酰輔酶A[15,16]的分解,還參 與極長鏈烯酰輔酶A[16]、長鏈二羧酸[17]、白三烯[3] 的分解及DHA的合成過程[4].雖然LBP較DBP先被 發(fā)現(xiàn),但目前唯一報(bào)道的LBP的確切功能是參與長 鏈二羧酸的氧化分解[17].DBP基因敲除小鼠生長遲 緩,體內(nèi)VLCFA堆積,對BCFA降解能力降低,膽汁 中出現(xiàn)不成熟的27碳膽汁酸[16].而LBP基因敲除 小鼠卻未發(fā)現(xiàn)任何表型異常[18],推測是DBP補(bǔ)償了 LBP的作用.提示在過氧化物酶體β氧化中DBP的 作用可能較LBP更為重要.
  
  2·4　硫解酶
  
  硫解酶催化過氧化物酶體β氧化的最后1步反 應(yīng).3-酮脂酰輔酶A在硫解酶作用下,消耗1分子輔 酶A,生成1分子乙酰輔酶A(或丙酰輔酶A)和縮短 了2個(gè)碳的脂酰輔酶A.人類有2種過氧化物酶體 硫解酶(peroxisomal thiolase,PTH),PTH1和PTH2[19]. PTH1為經(jīng)典的3-酮酯酰輔酶A硫解酶,催化直鏈底 物.PTH2實(shí)際上是固醇載體蛋白x(SCPx)的一部 分[19]. SCPx肽鏈的N端具有3-酮脂酰輔酶A硫解 酶活性,C端氨基酸序列與SCP2一致.SCPx進(jìn)入過 氧化物酶體后分解成硫解酶(PTH2)和SCP2.PTH2 幾乎參與過氧化物酶體內(nèi)所有β氧化底物的硫解反 應(yīng),包括直鏈、支鏈脂肪酸和膽汁酸前體等. 根據(jù)酶對底物立體構(gòu)型的特異性不同,可將過 氧化物酶體β氧化體系的酶分為2組,1組為早期發(fā) 現(xiàn)的參與氧化L-型底物的ACOX1、LBP、PTH1,稱為 L-型氧化系統(tǒng)或經(jīng)典氧化系統(tǒng),主要催化直鏈底物. 另1組為近年新發(fā)現(xiàn)的酶,包括ACOX2(ACOX3)、 DBP、PTH2,參與氧化D-型底物,稱為D-型氧化系 統(tǒng),主要催化支鏈底物.
  
  2·5　其它酶
  
  甲基支鏈脂肪酸或膽汁酸前體等因甲基的存在 具有2種構(gòu)型:S構(gòu)型和R構(gòu)型.過氧化物酶體β氧 化體系中的酶只催化S構(gòu)型支鏈底物.2-甲基脂酰 輔酶A消旋酶( alpha-methylacyl-CoA racemase, AMACR)是過氧化物酶體β氧化體系中催化(2R)- 甲基脂酰輔酶A與(2S)-甲基脂酰輔酶A之間的轉(zhuǎn) 變的酶.R構(gòu)型的(2R)-降植烷酸、(25R)-THCA、 (25R)-DHCA等就是在AMACR催化下變成S構(gòu)型 后繼續(xù)氧化的[20].
  
  β氧化中加水反應(yīng)的底物是反Δ2-烯脂酰輔酶 A,而多不飽和脂肪酸氧化過程中會(huì)產(chǎn)生含順Δ3、Δ4 或反Δ3等構(gòu)型的中間物使β氧化不能繼續(xù)進(jìn)行.這 些中間物在過氧化物酶體內(nèi)2,4-二烯脂酰輔酶A 還原酶、Δ3,Δ2-烯脂酰輔酶A異構(gòu)酶或Δ3,5Δ2,4-二 烯脂酰輔酶A異構(gòu)酶的催化下轉(zhuǎn)變?yōu)榉处?構(gòu)型后 即可進(jìn)一步氧化[19].
  
  3　過氧化物酶體β氧化的調(diào)節(jié)
  
  過氧化物酶體增殖劑激活受體α(peroxisome proliferators-activated recptorα,PPARα)為配體依賴的 核受體超家族成員,各種脂肪酸及衍生物是PPARα 的天然配體,脂酰輔酶A是激活PPARα的活性形 式[21].人工合成的PPARα配體被稱為過氧化物酶體 增殖劑(peroxisome proliferator,PP),主要有Wy14, 643、貝特類降脂藥等.PPARα在調(diào)節(jié)過氧化物酶體、 線粒體和微粒體脂肪酸氧化相關(guān)基因表達(dá)中具有關(guān) 鍵作用.PPARα結(jié)合配體后,與另一核受體維甲酸X 受體(retinoid X receptor,RXR)形成PPARα/RXR異源 二聚體,再與靶基因上游的PPAR反應(yīng)元件(PPAR response element,PPRE)相結(jié)合,調(diào)節(jié)靶基因的表達(dá). 貝特類藥物激活PPARα可增加大鼠肝臟經(jīng)典β氧 化系統(tǒng)的活性9~15倍[22].
  
  通常認(rèn)為,L-型氧化系統(tǒng)中的酶可被PP誘導(dǎo), 而D-型氧化系統(tǒng)的酶則不被誘導(dǎo)[7].但是,給小鼠 應(yīng)用PPARα的合成配體環(huán)丙貝特或Wy14,643后, 肝臟D-型氧化系統(tǒng)中DBP的mRNA表達(dá)和蛋白含 量增加,而PPARα基因敲除小鼠的DBP卻不能被誘 導(dǎo)增加[23].我們也發(fā)現(xiàn),用鄰苯二甲酸二異辛酯 (DEHP)激活大鼠的PPARα可增加肝DBP的mRNA 表達(dá)和活性[24].
  
  肝X受體(liver X receptor, LXR)是另一種配體 依賴性核受體,對脂類代謝有重要調(diào)節(jié)作用.LXR有 兩種亞型LXRα和LXRβ.最近的研究顯示,LXR除可 促進(jìn)脂肪酸合成、膽固醇轉(zhuǎn)運(yùn)及分泌、膽汁酸合成等 代謝外,還參與過氧化物酶體β氧化的調(diào)節(jié)[25].LXR 激活劑TO901317通過激活LXRα,使小鼠ACOX1、 LBP、PTH1的mRNA表達(dá)呈劑量依賴性增加,過氧化 物酶體的β氧化加強(qiáng)[25].我們研究組也發(fā)現(xiàn), TO901317激活的LXR也使大鼠肝DBP mRNA的表 達(dá)和活性升高[26].
  
  4　過氧化物酶體β氧化異常與人類疾病
  
  過氧化物酶體病是一種過氧化物酶體功能先天 性缺陷的疾病,發(fā)病率為1∶20 000.此病分為兩類: 過氧化物酶體缺失病和過氧化物酶體單個(gè)酶(或轉(zhuǎn) 運(yùn)蛋白)缺陷病.各種過氧化物酶體病臨床表現(xiàn)不盡 相同,但都存在神經(jīng)系統(tǒng)功能障礙或發(fā)育畸形,脂質(zhì) 代謝異常,且病情嚴(yán)重、死亡率高.過氧化物酶體缺 失病如肝腎腦綜合癥(Zellweger病)、新生兒腎上腺 腦白質(zhì)營養(yǎng)不良、嬰兒型Refsum病等都存在β氧化 異常,體內(nèi)VLCFA、長鏈二羧酸、降植烷酸、前列腺 素等分解障礙.
  
  目前,已發(fā)現(xiàn)5種過氧化物酶體β氧化體系的 單個(gè)酶(或轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白)缺陷病.(1) X-連鎖腎上腺腦 白質(zhì)營養(yǎng)不良(X-linked adrenoleukodystrophy, X- ALD),是最常見的過氧化物酶體病,患者體內(nèi) VLCFA增高.1993年,發(fā)現(xiàn)X-ALD是由過氧化物酶 體膜上ATP結(jié)合盒轉(zhuǎn)運(yùn)蛋白ABCD1缺陷所致.X- ALD患者均存在ABCD1基因突變,已發(fā)現(xiàn)有860余 種突變方式,最多見的是點(diǎn)突變,其次是移碼突變. (2)直鏈脂酰輔酶A氧化酶(SCOX)缺陷病,從1988 年發(fā)現(xiàn)此病至今,僅有數(shù)篇報(bào)道,SCOX基因的突變 方式多為缺失突變.代謝異常為患者體內(nèi)VLCFA增 高.(3) DBP缺陷病于1997年[27]被發(fā)現(xiàn),文獻(xiàn)對 DBP缺陷的報(bào)道例數(shù)僅次于X-ALD.DBP缺陷有3 種類型:DBP水化酶和脫氫酶活性完全缺陷(Ⅰ型)、 DBP烯脂酰輔酶A水化酶活性缺陷(Ⅱ型)、DBP D- 3-羥脂酰輔酶A脫氫酶活性缺陷(Ⅲ型),以Ⅲ型較 多.突變方式有片段缺失或點(diǎn)突變.患者體內(nèi) VLCFA、降植烷酸、不成熟膽汁酸或蜥蜴膽酸 (Varanic acid)均增高,DHA水平偏低.(4) 2006年首 次報(bào)道了1例固醇載體蛋白x(SCPx)缺陷病.突變 分析顯示為SCPx基因中1個(gè)腺苷酸插入引起的純 合子移碼突變[28].患者體內(nèi)降植烷酸、膽汁酸前體 增高,VLCFA水平正常.(5) 2-甲基脂酰輔酶A消旋 酶(AMACR)缺陷病于2000年被發(fā)現(xiàn),突變方式以點(diǎn) 突變多見.患者體內(nèi)(2R)-降植烷酸、膽汁酸前體增 高,VLCFA水平正常.
  
  5　展望
  
  過氧化物酶體β氧化缺陷病引起的嚴(yán)重后果, 充分說明了過氧化物酶體β氧化的重要性.基因敲 除技術(shù)的應(yīng)用為探明β氧化途徑單個(gè)酶的功能提供 了有效的手段.雖然近年來在過氧化物酶體β氧化 研究方面取得了令人矚目的進(jìn)展,但還存在有諸多 的疑問和空白點(diǎn).目前已知的酶是否就是過氧化物 酶體β氧化酶系統(tǒng)的全部?多不飽和脂肪酸、二十 烷類等物質(zhì)的氧化由哪些酶負(fù)責(zé)? LBP在肝臟表達(dá) 豐富,其生理功能究竟是什么?腦中DBP高表達(dá), DBP缺陷病后果嚴(yán)重,其確切機(jī)制是什么?衰老伴 隨著過氧化物酶體相關(guān)功能的降低,過氧化物酶體 β氧化功能下降是否也參與了一些老年疾病的發(fā) 生?進(jìn)一步深入研究過氧化物酶體β氧化系統(tǒng)的功 能以及其與疾病發(fā)生的關(guān)系,將為全面認(rèn)知過氧化 物酶體的功能和探索相關(guān)疾病的發(fā)病機(jī)制提供 依據(jù).
  
  參考文獻(xiàn)(References) 
  
  

  略

  來源：中國化學(xué)試劑網(wǎng)