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过氧化物酶体脂肪酸β氧化

• 发布日期：2017/1/10 10:58:08 阅读次数：3413
•               过氧化物酶体脂肪酸β氧化
  
                   石如玲,　姜玲玲
  
     (1)河北医科大学生物化学与分子生物学教研室,河北石家庄　050017; 2)新乡医学院生物化学与分子生物学教研室,河南新乡　453003)
  
     摘要　除线粒体外,过氧化物酶体也是真核细胞脂肪酸β氧化分解的重要部位.过氧化物酶体β氧 化过程包括氧化、加水、脱氢和硫解4步反应,主要参与极长链、支链脂肪酸等的分解.近年关于过 氧化物酶体β氧化的研究活跃,在代谢途径及功能等方面有了新的认识,尤其在对相关代谢酶的研 究中取得了较大进展.本文就过氧化物酶体β氧化相关进展作一综述.
  
  关键词　过氧化物酶体;脂肪酸;β氧化;代谢酶
  
  自从1976年Lazarow和De Duve[1]发现哺乳动 物过氧化物酶体内存在脂肪酸β氧化体系以来,研 究者对过氧化物酶体β氧化体系组成及功能的认识 不断加深.与线粒体β氧化类似,过氧化物酶体β氧 化包括4个连续的反应(Fig.1).(1)氧化反应:脂酰 辅酶A脱氢生成2-反-烯脂酰辅酶A;(2)水化反应: 2-反-烯脂酰辅酶A加水转变为3-羟脂酰辅酶A;(3) 脱氢反应:3-羟脂酰辅酶A脱氢生成3-酮脂酰辅酶 A;(4)硫解反应:3-酮脂酰辅酶A硫解产生1分子乙 酰辅酶A(或丙酰辅酶A)和碳链缩短了的脂酰辅酶 A,随后进入下一个循环.近年关于上述反应催化酶 的研究有了很大进展,新酶的发现促使某些早期的 观点得以修正.本文介绍过氧化物酶体β氧化的功 能特点、催化酶及其调节、酶的先天缺陷等方面的研 究进展.
  
  1　过氧化物酶体β氧化的功能特点 
  
  与线粒体主要氧化短链(≤C6)、中长链(C8~ C20)的直链脂肪酸不同,过氧化物酶体β氧化的底 物主要包括极长链脂肪酸(very long chain fatty acids, VLCFA)(≥C22)、长链脂肪酸、2-甲基支链脂肪酸 (branched chain fatty acids,BCFA)(如降植烷酸)、胆 汁酸代谢中间物(如三羟胆甾烷酸,trihydroxycholes- tanoic acid,THCA;二羟胆甾烷酸,dihydroxycholestan- oic acid,DHCA)、多不饱和脂肪酸、长链二羧酸、二十 烷类物质(如前列腺素、血栓素、白三烯)、脂溶性维 生素、一些外源物的侧链等[2,3].除参与上述物质分 解外,通过过氧化物酶体β氧化也可合成一些体内 所必需的生理活性物质,如胆汁酸、二十二碳六烯酸 (DHA)[4]等.研究显示,线粒体和过氧化物酶体β氧 化的底物谱有少部分重叠,过氧化物酶体对中长链 直链脂肪酸也有作用[5].虽然从总量上线粒体负责 氧化体内大部分的脂肪酸,但从底物谱来看,过氧化 物酶体β氧化的底物种类较线粒体广泛.两类β氧 化对底物的选择性与膜上转运蛋白的特异性有关. 线粒体内膜上的肉碱脂酰转移酶Ⅰ不能转运 VLCFA、BCFA、前列腺素及胆汁酸代谢中间物入线 粒体.
  
  过氧化物酶体β氧化的另一特点是产生H2O2. 在脂酰辅酶A氧化酶的催化下,脂酰辅酶A脱下的 氢与O2结合生成H2O2.而在线粒体β氧化中,脂酰 辅酶A脱氢酶催化底物脱下的氢则经呼吸链传递 给氧生成H2O.
  
  脂肪酸经过线粒体的β氧化,可彻底氧化成乙 酰辅酶A,再经存在三羧酸循环和氧化磷酸化彻底 氧化为CO2和水,释放能量合成ATP.然而,脂肪酸 经过氧化物酶体的β氧化则是不彻底的.底物通过 1个或几个有限的β氧化循环,碳链缩短,然后需进 入线粒体才能彻底氧化.是什么机制阻止了过氧化 物酶体β氧化的继续,目前尚不清楚,可能与酶对短 链底物的亲和力低有关.β氧化产生的乙酰辅酶A 或丙酰辅酶A(由2-甲基支链脂肪酸产生)以及较短 碳链的脂酰辅酶A通过肉碱转运机制转出过氧化 物酶体,经过胞质再转入线粒体彻底氧化[6].
  
  2　催化过氧化物酶体β氧化反应的酶
  
  Hashimoto等[7]的早期研究发现,过氧化物酶体 β氧化途径的氧化反应、水化和脱氢反应、硫解反应 分别由软脂酰辅酶A氧化酶、6烯脂酰辅酶A水化 酶/羟脂酰辅酶A脱氢酶双功能蛋白、硫解酶催化. 进一步的研究却表明,催化过氧化物酶体β氧化每 一步反应的酶都不止一种(如Fig.1).
  
  2·1　脂酰辅酶A合成酶
  
  脂肪酸进行β氧化之前需要活化生成脂酰辅酶 A,此步反应由脂酰辅酶A合成酶催化,需要ATP、 Mg2+、辅酶A等参与.脂肪酸活化在多个亚细胞部 位进行.目前已知,细胞内存在2类脂酰辅酶A合成
  
  
  
  酶:极长链脂酰辅酶A合成酶(very long-chain acyl- CoA synthetase, VLCS)和长链脂酰辅酶A合成酶 (long-chain acyl-CoA synthetase, LCS).过氧化物酶体 和内质网膜上有VLCS和LCS的分布;线粒体外膜 有LCS,但不含VLCS.这可能是线粒体不能降解极 长链脂肪酸的重要原因.VLCS催化VLCFA、BCFA及 胆汁酸前体(THCA和DHCA)的活化[8];LCS催化 LCFA的活化,也能催化BCFA的活化[9].长链二羧 酸、前列腺素、THCA、DHCA等的活化在内质网进 行,然后经未知的机制转入过氧化物酶体.研究表 明,人及鼠的VLCS也是脂肪酸转运蛋白(fatty acid transport protein, FATP),属于VLCS/FATP家族中6 个成员之一[10].其中,VLCS1/FATP2主要存在肝和 肾组织,在底物活化中起重要作用.
  
  脂酰辅酶A进入线粒体与膜上的肉碱有关,而 进入过氧化物酶体则与膜上的ATP结合盒(ATP binding cassette,ABC)转运蛋白D有关.其中,ABCD1 被认为在VLCFA-CoA的转运中发挥作用[11];ABCD2 可能与ABCD1的作用相似;ABCD3可能参与降植烷 酸、THCA、DHCA等支链底物的转运[6].
  
  2·2　脂酰辅酶A氧化酶
  
  脂酰辅酶A氧化酶(acyl-CoA oxidase, ACOX)是 过氧化物酶体β氧化体系中催化第1步反应的酶, 也是过氧化物酶体β氧化的限速酶.其催化特点和 底物特异性决定了过氧化物酶体与线粒体β氧化的 主要差别.进入过氧化物酶体的脂酰辅酶A,在 ACOX的作用下脱氢氧化,生成2-反-烯脂酰辅酶A. 目前发现,啮齿动物有3种脂酰辅酶A氧化 酶[12]:软脂酰辅酶A氧化酶(palmitoyl-CoA oxidase, ACOX1)、三羟胆甾烷酰辅酶A氧化酶(trihydroxych- olestanoyl-CoA oxidase,ACOX2)、降植烷酰辅酶A氧 化酶(pristanoyl-CoA oxidase,ACOX3).ACOX1主要氧 化长链、极长链的直链底物(如脂肪酸、前列腺素); ACOX2主要氧化胆汁酸中间产物(THCA和DHCA) 及2-甲基支链脂肪酸;ACOX3主要氧化2-甲基支链 脂肪酸(如降植烷酸).ACOX2只在肝脏表达,而 ACOX1和ACOX3在各种组织都有分布.
  
  已发现人类有2种脂酰辅酶A氧化酶:1种是 直链脂酰辅酶A氧化酶(straight chain acyl-CoA oxidase,SCOX),其底物谱与大鼠的ACOX1相似,二 者的氨基酸序列有89%的一致.另1种是支链脂酰 辅酶A氧化酶(branched chain acyl-CoA oxidase, BCOX),参与2-甲基支链脂肪酸、THCA、DHCA的氧 化,与大鼠ACOX2的底物一致,二者的氨基酸序列 有75%一致性[13].有报道称,人肝脏也存在与大鼠 ACOX3相对应的降植烷酰辅酶A氧化酶基因,其编 码的氨基酸序列与ACOX3有75%的一致,但并未检 测出该基因的转录和翻译产物[14].
  
  2·3　双功能蛋白
  
  过氧化物酶体β氧化体系中的第2步水化反应 和第3步脱氢反应由双功能蛋白催化,反应过程为 2-反-烯脂酰辅酶A先加水生成中间产物3-羟脂酰 辅酶A,再脱氢生成3-酮脂酰辅酶A.目前发现,哺 乳动物细胞内存在2种双功能蛋白,都具有烯脂酰 辅酶A水化酶/3-羟脂酰辅酶A脱氢酶活性,由于二 者催化产生的中间产物3-羟脂酰辅酶A分别具有 L-构型和D-构型,故分别称之为L-双功能蛋白(L- bifunctional protein, LBP)和D-双功能蛋白(D- bifunctional protein,DBP),也被称为多功能蛋白1和 多功能蛋白2.LBP和DBP分子中都含有脱水酶和 脱氢酶活性结构域,但二者氨基酸序列的一致性却 较低.DBP多肽链的C端与固醇载体蛋白2(sterol carrier protein 2,SCP2)具有同源序列.LBP主要存在 于肝脏,而DBP在肝脏、脑及其他组织均存在. 研究表明,DBP主要作用于2-甲基支链烯酰辅 酶A、二羟或三羟胆甾烯酰辅酶A[15,16]的分解,还参 与极长链烯酰辅酶A[16]、长链二羧酸[17]、白三烯[3] 的分解及DHA的合成过程[4].虽然LBP较DBP先被 发现,但目前唯一报道的LBP的确切功能是参与长 链二羧酸的氧化分解[17].DBP基因敲除小鼠生长迟 缓,体内VLCFA堆积,对BCFA降解能力降低,胆汁 中出现不成熟的27碳胆汁酸[16].而LBP基因敲除 小鼠却未发现任何表型异常[18],推测是DBP补偿了 LBP的作用.提示在过氧化物酶体β氧化中DBP的 作用可能较LBP更为重要.
  
  2·4　硫解酶
  
  硫解酶催化过氧化物酶体β氧化的最后1步反 应.3-酮脂酰辅酶A在硫解酶作用下,消耗1分子辅 酶A,生成1分子乙酰辅酶A(或丙酰辅酶A)和缩短 了2个碳的脂酰辅酶A.人类有2种过氧化物酶体 硫解酶(peroxisomal thiolase,PTH),PTH1和PTH2[19]. PTH1为经典的3-酮酯酰辅酶A硫解酶,催化直链底 物.PTH2实际上是固醇载体蛋白x(SCPx)的一部 分[19]. SCPx肽链的N端具有3-酮脂酰辅酶A硫解 酶活性,C端氨基酸序列与SCP2一致.SCPx进入过 氧化物酶体后分解成硫解酶(PTH2)和SCP2.PTH2 几乎参与过氧化物酶体内所有β氧化底物的硫解反 应,包括直链、支链脂肪酸和胆汁酸前体等. 根据酶对底物立体构型的特异性不同,可将过 氧化物酶体β氧化体系的酶分为2组,1组为早期发 现的参与氧化L-型底物的ACOX1、LBP、PTH1,称为 L-型氧化系统或经典氧化系统,主要催化直链底物. 另1组为近年新发现的酶,包括ACOX2(ACOX3)、 DBP、PTH2,参与氧化D-型底物,称为D-型氧化系 统,主要催化支链底物.
  
  2·5　其它酶
  
  甲基支链脂肪酸或胆汁酸前体等因甲基的存在 具有2种构型:S构型和R构型.过氧化物酶体β氧 化体系中的酶只催化S构型支链底物.2-甲基脂酰 辅酶A消旋酶( alpha-methylacyl-CoA racemase, AMACR)是过氧化物酶体β氧化体系中催化(2R)- 甲基脂酰辅酶A与(2S)-甲基脂酰辅酶A之间的转 变的酶.R构型的(2R)-降植烷酸、(25R)-THCA、 (25R)-DHCA等就是在AMACR催化下变成S构型 后继续氧化的[20].
  
  β氧化中加水反应的底物是反Δ2-烯脂酰辅酶 A,而多不饱和脂肪酸氧化过程中会产生含顺Δ3、Δ4 或反Δ3等构型的中间物使β氧化不能继续进行.这 些中间物在过氧化物酶体内2,4-二烯脂酰辅酶A 还原酶、Δ3,Δ2-烯脂酰辅酶A异构酶或Δ3,5Δ2,4-二 烯脂酰辅酶A异构酶的催化下转变为反Δ2构型后 即可进一步氧化[19].
  
  3　过氧化物酶体β氧化的调节
  
  过氧化物酶体增殖剂激活受体α(peroxisome proliferators-activated recptorα,PPARα)为配体依赖的 核受体超家族成员,各种脂肪酸及衍生物是PPARα 的天然配体,脂酰辅酶A是激活PPARα的活性形 式[21].人工合成的PPARα配体被称为过氧化物酶体 增殖剂(peroxisome proliferator,PP),主要有Wy14, 643、贝特类降脂药等.PPARα在调节过氧化物酶体、 线粒体和微粒体脂肪酸氧化相关基因表达中具有关 键作用.PPARα结合配体后,与另一核受体维甲酸X 受体(retinoid X receptor,RXR)形成PPARα/RXR异源 二聚体,再与靶基因上游的PPAR反应元件(PPAR response element,PPRE)相结合,调节靶基因的表达. 贝特类药物激活PPARα可增加大鼠肝脏经典β氧 化系统的活性9~15倍[22].
  
  通常认为,L-型氧化系统中的酶可被PP诱导, 而D-型氧化系统的酶则不被诱导[7].但是,给小鼠 应用PPARα的合成配体环丙贝特或Wy14,643后, 肝脏D-型氧化系统中DBP的mRNA表达和蛋白含 量增加,而PPARα基因敲除小鼠的DBP却不能被诱 导增加[23].我们也发现,用邻苯二甲酸二异辛酯 (DEHP)激活大鼠的PPARα可增加肝DBP的mRNA 表达和活性[24].
  
  肝X受体(liver X receptor, LXR)是另一种配体 依赖性核受体,对脂类代谢有重要调节作用.LXR有 两种亚型LXRα和LXRβ.最近的研究显示,LXR除可 促进脂肪酸合成、胆固醇转运及分泌、胆汁酸合成等 代谢外,还参与过氧化物酶体β氧化的调节[25].LXR 激活剂TO901317通过激活LXRα,使小鼠ACOX1、 LBP、PTH1的mRNA表达呈剂量依赖性增加,过氧化 物酶体的β氧化加强[25].我们研究组也发现, TO901317激活的LXR也使大鼠肝DBP mRNA的表 达和活性升高[26].
  
  4　过氧化物酶体β氧化异常与人类疾病
  
  过氧化物酶体病是一种过氧化物酶体功能先天 性缺陷的疾病,发病率为1∶20 000.此病分为两类: 过氧化物酶体缺失病和过氧化物酶体单个酶(或转 运蛋白)缺陷病.各种过氧化物酶体病临床表现不尽 相同,但都存在神经系统功能障碍或发育畸形,脂质 代谢异常,且病情严重、死亡率高.过氧化物酶体缺 失病如肝肾脑综合症(Zellweger病)、新生儿肾上腺 脑白质营养不良、婴儿型Refsum病等都存在β氧化 异常,体内VLCFA、长链二羧酸、降植烷酸、前列腺 素等分解障碍.
  
  目前,已发现5种过氧化物酶体β氧化体系的 单个酶(或转运蛋白)缺陷病.(1) X-连锁肾上腺脑 白质营养不良(X-linked adrenoleukodystrophy, X- ALD),是最常见的过氧化物酶体病,患者体内 VLCFA增高.1993年,发现X-ALD是由过氧化物酶 体膜上ATP结合盒转运蛋白ABCD1缺陷所致.X- ALD患者均存在ABCD1基因突变,已发现有860余 种突变方式,最多见的是点突变,其次是移码突变. (2)直链脂酰辅酶A氧化酶(SCOX)缺陷病,从1988 年发现此病至今,仅有数篇报道,SCOX基因的突变 方式多为缺失突变.代谢异常为患者体内VLCFA增 高.(3) DBP缺陷病于1997年[27]被发现,文献对 DBP缺陷的报道例数仅次于X-ALD.DBP缺陷有3 种类型:DBP水化酶和脱氢酶活性完全缺陷(Ⅰ型)、 DBP烯脂酰辅酶A水化酶活性缺陷(Ⅱ型)、DBP D- 3-羟脂酰辅酶A脱氢酶活性缺陷(Ⅲ型),以Ⅲ型较 多.突变方式有片段缺失或点突变.患者体内 VLCFA、降植烷酸、不成熟胆汁酸或蜥蜴胆酸 (Varanic acid)均增高,DHA水平偏低.(4) 2006年首 次报道了1例固醇载体蛋白x(SCPx)缺陷病.突变 分析显示为SCPx基因中1个腺苷酸插入引起的纯 合子移码突变[28].患者体内降植烷酸、胆汁酸前体 增高,VLCFA水平正常.(5) 2-甲基脂酰辅酶A消旋 酶(AMACR)缺陷病于2000年被发现,突变方式以点 突变多见.患者体内(2R)-降植烷酸、胆汁酸前体增 高,VLCFA水平正常.
  
  5　展望
  
  过氧化物酶体β氧化缺陷病引起的严重后果, 充分说明了过氧化物酶体β氧化的重要性.基因敲 除技术的应用为探明β氧化途径单个酶的功能提供 了有效的手段.虽然近年来在过氧化物酶体β氧化 研究方面取得了令人瞩目的进展,但还存在有诸多 的疑问和空白点.目前已知的酶是否就是过氧化物 酶体β氧化酶系统的全部?多不饱和脂肪酸、二十 烷类等物质的氧化由哪些酶负责? LBP在肝脏表达 丰富,其生理功能究竟是什么?脑中DBP高表达, DBP缺陷病后果严重,其确切机制是什么?衰老伴 随着过氧化物酶体相关功能的降低,过氧化物酶体 β氧化功能下降是否也参与了一些老年疾病的发 生?进一步深入研究过氧化物酶体β氧化系统的功 能以及其与疾病发生的关系,将为全面认知过氧化 物酶体的功能和探索相关疾病的发病机制提供 依据.
  
  参考文献(References) 
  
  

  略

  来源：中国化学试剂网