谷氨酸代谢途径图

摘要

介绍

谷氨酸是一种非必需氨基酸，可以通过不同的代谢途径在体内合成。它是哺乳动物中枢神经系统中的一种兴奋性神经递质（沃特金斯和埃文斯1981)在许多不同的反应中，它既是底物又是产物。它是合成各种代谢产物的前体分子，包括N-乙酰-L-谷氨酸盐、δ-1-吡咯啉-5-羧酸盐、β-柠檬酰谷氨酸盐、L-γ-谷氨酰-L-半胱氨酸（Sonoda和Tatibana1983; Wakabayashi等人。1991亿; Collard等人。2010; 图和安德斯1998; Battaglioli等人。2003). 谷氨酸是由谷氨酰胺、α-酮戊二酸和5-氧丙烷合成的（Hu等人。2010; Cho等人。2001; Chen等人。1998). 除了在代谢物合成中的作用外，谷氨酸还充当氨基酸生物合成的前体，例如L-脯氨酸和L-精氨酸（Wakabayashi等人。1991年a; Murphy等人。1996). 此外，兴奋性神经递质N-乙酰-L-天冬氨酸-L-谷氨酸盐、抑制性神经递素γ-氨基丁酸盐和抗氧化剂谷胱甘肽也由谷氨酸合成（Ffrench-Mullen等人。1985; 谢弗和琼斯1982; Dringen和Hirrlinger2003). 因此，谷氨酸因参与不同的代谢途径而备受关注。

谷氨酸代谢包括几个可逆和不可逆的反应。这些反应由活化剂和抑制剂调节的酶催化。例如，在N-乙酰谷氨酸合成酶（NAGS）存在下，L-谷氨酸转化为N-乙酰-L-谷氨酸被L-精氨酸激活，并被琥珀酸、辅酶A、N-乙酰-L天冬氨酸和N-乙酰-L-谷氨酸（Shigesada和Tatibana）抑制1978). 类似地，谷氨酰胺到谷氨酸的转化由酶催化，这些酶包括谷氨酰胺酶（GLS/GLS2）、磷酸核糖焦磷酸酰胺转移酶（PPAT）和谷氨酰胺-果糖-6-磷酸转氨酶（GFPT1和GFPT2）（Hu等人。2010; Holmes等人。1973; Chang等人。2000). GLS/GLS2由无机磷酸盐（Pi）和氨调节，而PPAT由AMP、GMP和Pi调节（McGivan和Bradford1983; Wang等人。2010; 伍德和塞格米勒1973). GFPT由蛋白激酶成员调节（Li等人。2007). 除了谷氨酸参与代谢途径外，它还通过与一类膜结合的肌力性谷氨酸受体如AMPA和NMDA（Szczurowska和Mares2013; Dingledine等人。1999). 下游信号通路包括MEK/ERK/ELK和钙/钙调蛋白依赖性蛋白激酶II信号通路（Choe和McGinty2001; 细川等人。2006).

谷氨酸在中枢神经系统的神经元兴奋性、突触可塑性、免疫和行为机制（如学习和记忆）中发挥着重要作用（Dutta等人。2013). 谷氨酰胺是谷氨酸的前体，已知其可以保护身体免受营养消耗、氧化应激和肿瘤应激（Shanware等人。2011). 据报道，一些谷氨酸代谢酶，如谷氨酸脱氢酶（GLUD1/GLUD2）、谷氨酸-氨连接酶（GLUL）和谷氨酰胺酶（GLS）与阿尔茨海默病显著相关（Burbaeva等人。2005). 谷氨酸代谢的改变与冠心病有关（Qi等人。2013). 高胰岛素血症/高氨血症综合征（Stanley等人。2000)和吡哆醇依赖性癫痫（Bennett等人。2005). 最近的报告表明，谷氨酰胺酶作用下谷氨酰胺释放的氨通过一种称为谷氨酰胺分解的过程调节癌细胞的自噬（Eng等人。2010). 在癌细胞中，谷氨酰胺水解通过合成脂肪酸、核苷酸和氨基酸，为细胞生长和增殖提供燃料（Benjamin等人。2012). 谷氨酰胺酶的表达受转录因子c-Myc的调节，c-Myc反过来调节人类前列腺癌细胞的细胞增殖和细胞死亡（Gao等人。2009). 在脑肿瘤（如胶质瘤）中，研究表明，胶质瘤细胞可能会向细胞外空间释放过量的谷氨酸，从而导致肿瘤相关的癫痫或癫痫发作（西蒙和冯·勒赫2011). 越来越多的证据也表明，谷氨酸的释放促进了胶质母细胞瘤中的细胞增殖、细胞侵袭和肿瘤坏死（Schunemann等人。2010; Lyons等人。2007; Noch和Khalili2009). 谷氨酸代谢的多种功能及其在癌症和其他代谢紊乱中的作用促使我们手动控制谷氨酸代谢途径，特别关注催化活性酶的调节器、相互作用物、同工酶和翻译后修饰（PTM）。虽然在不同的数据库中可以找到标准代谢途径网络，但缺少与酶的调节器、紊乱、相互作用物和PTM有关的信息。在这项研究中，首次绘制了代表107个调控者、9个交互作用者和3种类型的PTM的综合图。

材料和方法

我们首先在综述文章中搜索反应及其相应的酶和辅因子，并准备了谷氨酸代谢的基本框架。随后，我们在PubMed中通过提供“谷氨酸代谢”或“谷氨酸”等术语进行了文献检索，并对代谢物、反应或相应酶进行了具体检索。该研究为我们提供了有关辅因子、相互作用物、调节因子、反应可逆性、PTM、同工酶、酶亚基和疾病的信息。记录的信息基于文献中的实验证据。酶及其相应的相互作用物被映射到Entrez基因标识符。谷氨酸代谢途径中的代谢物映射到ChEBI标识符，疾病映射到OMIM标识符。如果某些代谢物的ChEBI标识符不可用，则提供PubChem、HMDB或ChemSpider标识符。这些结构是从ChEBI、PubChem或ChemSpider数据库中手动绘制的。根据从文献、IUBMB或Rhea数据库获得的信息维护化学反应的化学计量。

结果和讨论

筛选了1500多篇研究文章，其中200篇文章提供了谷氨酸代谢途径中报告的反应和酶的实验证据信息。从这些文章中，我们筛选了89种代谢产物，涉及由37种酶（包括同工酶）催化的34种反应。此外，还记录了31种酶的107个调节因子，这些酶在该代谢网络中催化25个反应。其中，26个是激活剂，65个是抑制剂，16个既是激活剂又是抑制剂。此外，图中还显示了19种酶的6个辅因子。在该途径中组装的34个反应中，11个是可逆反应，23个是不可逆反应。已知有15个反应和19种酶（包括同工酶）参与反馈调节。据报道，这些反应由16种反馈抑制剂调节。此外，该图中共有10个反应和8种酶，之前在谷氨酸代谢途径中没有描述过。图中显示了代表所有酶、反应、调节器和相互作用物的完整路径图。​图11.

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图1

谷氨酸代谢示意图：如图例所示，该途径代表不同颜色的代谢物、酶调节器和疾病。盒子中提供了主要代谢物的结构。可逆和不可逆反应如图所示，调节器对这些反应的抑制和激活由(−)和（+）符号。子单位信息表示为酶的下标

谷氨酸代谢途径调控网络图的开发

谷氨酸代谢途径是使用PathVisio开发的（van Iersel等人。2008). 描述生物途径的公开工具。路径图中的所有线性和循环反应都用箭头表示，这些箭头指示代谢物为正向或反向反应。使用双头箭头和将酶放在反应的一侧，可以清楚地表示单酶催化的可逆反应。类似地，通过用不同的反应线连接底物和产物来描述由两种不同的酶催化的反向反应，每种酶都作用于正向和反向。共反应物，包括代谢物和小分子，出现在反应边缘。所有反应、酶、调节因子和辅因子的PubMed标识符都被添加到路径图中，以向用户提供更多信息。在HTML版本的路径图中，还列出了酶委员会编号、通用名称和IUBMB命名法，这些名称可在鼠标悬停在酶上时使用。每个酶的亚基数量也以下标形式提供在酶盒内。此外，给定酶的同工酶也在一个盒子里组装。通过将具有更多相互作用物的酶组装成完整的实体，将其与单个相互作用物区分开来。在虚线箭头上分别用加号和减号来区分激活剂和抑制剂等调节器。高/低浓度底物对酶的调节与正常浓度下的调节用不同颜色的箭头明确区分。PTM调节酶活性的信息显示为PTM的位置和蛋白质序列中的修饰氨基酸残基以及负责PTM的酶。不同类型的PTM用不同的颜色明确划分。还列出了因酶活性增加或减少而导致的疾病。这些疾病的OMIM标识符作为鼠标悬停功能提供。图中还描述了离开或进入其他代谢途径的代谢物。谷氨酸代谢途径图可在http://www.netpath.org/metabolic_pathways/glutamate_map.html.

谷氨酸代谢途径的调节

该途径中的谷氨酸代谢酶受到调节因子的严格控制。L-谷氨酸转化为α-酮戊二酸过程中涉及的可逆反应由许多酶催化，包括GLUD1、GLUD2（Kuo等人。1994). 谷氨酸-丙酮酸转氨酶（GPT，GPT2）（Glinghammar等人。2009)和谷氨酸-草酰乙酸转氨酶（GOT1和GOT2）（Rej1978). 据报道，每种酶都由不同的激活剂和抑制剂调节。酶，如L-谷氨酸γ-三聚甲醛脱氢酶（ALDH4A1）（Forte-McRobbie和Pietruszko1989)GOT1、GOT2（亨森和克莱兰德1964). GPT1、GPT2（Bergmeyer等人。1978). GLS（克雷布斯1935)和氨甲酰磷酸合成酶2、天冬氨酸转羧酶和二氢鸟嘌呤酶（CAD）（Meek等人。1987)受产品L-谷氨酸反馈抑制的调节。同样，γ-氨基丁酸转氨酶（ABAT）通过反馈调节被γ-氨基丁酸抑制（van der Laan et al。1979). 除产物抑制外，谷氨酸代谢途径中还记录了不同浓度的底物抑制。α-酮戊二酸是GOT2的底物抑制剂，在高浓度下抑制酶（Henson和Cleland1964). 作为底物的琥珀酸半醛在高浓度下抑制NAD（+）依赖的琥珀酰基半醛脱氢酶（ALDH5A1）和琥珀酰基半醛还原酶（AKR7A2）（van der Laan et al。1979; Cash等人。1979). 琥珀酸半醛可以在ALDH5A1存在下通过合成琥珀酸进入三羧酸循环，也可以在可逆酶AKR7A2、羟基酸-氧代酸转氢酶、线粒体（ADHFE1）和醛酮还原酶家族1成员A1（AKR1A1）存在下通过γ-羟基丁酸进入丁酸代谢。AKR7A2被产物γ-羟基丁酸和NADP+正向抑制（Hearl和Churchich1985). δ1-吡咯烷-5-羧酸合成酶（ALDH18A1）是一种双功能酶，有人认为反应中间体L-γ-谷氨酰磷酸可能仍与该酶结合（Strecker1957). 据报道，ALDH18A1的较短亚型被L-鸟氨酸抑制（Hu等人。1999).

已知受蛋白质相互作用物调节的谷氨酸代谢酶也已被注释。虽然大多数酶调节相互作用都在激活，但其中一些也具有抑制性。本研究首次筛选出9种调控5种酶活性的相互作用物。GLS酶与蛋白磷酸酶2、催化亚单位（PPP2CA和PPP2CB）和Cayman型小脑共济失调（ATCAY）之间的相互作用抑制了酶的催化活性（Thangavelu等人。2012; Buschdorf等人。2006). 相反，有丝分裂原活化蛋白激酶激酶2（MAP2K2）和v-raf-1小鼠白血病病毒癌基因同源物1（RAF1）与GLS的相互作用增加了酶的催化活性（Thangavelu等人。2012). 类似地，RAD9同源物A（RAD9A）、富含脑假基因1的Ras-homolog（RHEBP1）、富含类脑1的Ras同源物（RHEBL1）与CAD的相互作用增加了CAD的催化活性（Lindsey-Boltz等人。2004; Sato等人。2015)和sirtuin 4（SIRT4）相互作用抑制GLUD1和GLUD2（Haigis等人。2006).

调节谷氨酸代谢的信号通路

谷氨酸代谢途径的酶也受到信号分子的调节。我们首次在谷氨酸代谢途径中表达了24种激酶、3种磷酸酶和1种脱乙酰酶。已知这些激酶、磷酸酶和脱乙酰酶可调节7种酶的催化活性。GLS由调节细胞生长和增殖的Raf-1/Mek2/ERK信号模块调节（Thangavelu等人。2012). 核糖体蛋白S6激酶，70kDa多肽1（RPS6KB1），通过在Ser1859磷酸化CAD而激活（Ben-Sahra等人。2013). 此外，MAPK1通过磷酸化Thr456处的CAD诱导活化（Graves等人。2000). 氨甲酰磷酸合成酶1，线粒体（CPS1）在sirtuin 5（SIRT5）脱乙酰后被激活。众所周知，这种机制有助于清除体内合成的大量氨（Nakagawa等人。2009). PKA催化亚基成员（PRKACA、PRKACB、PRKACG）通过Ser205磷酸化抑制GFPT1（Chang等人。2000)而通过AMP依赖性蛋白激酶在Ser243处磷酸化增加了酶的活性（Eguchi等人。2009). 有趣的是，GFPT2（GFPT1的同工酶）中的Ser202被PKA激活（Hu等人。2004). 谷氨酸脱羧酶1（GAD1）在蛋白激酶A催化亚基的Thr91残基磷酸化时受到抑制，而谷氨酸脱碳酶2（GAD2）在蛋白质激酶Cε（PRKCE）磷酸化时被激活。类似地，GAD1和GAD2被包括PP1、PP2A和PPP3CA的蛋白磷酸酶激活（Wei等人。2004).

与疾病相关的谷氨酸代谢酶

代谢酶在基因表达调控中起着重要作用（Hall等人。2004). 细胞生长和增殖（Thangavelu等人。2012). 能量代谢和抗氧化保护（Hu等人。2010). 代谢酶活性的丧失或增加会导致多种代谢紊乱，还牵涉到几种谷氨酸代谢酶。例如，由于酶活性降低，ALDH18A1与德巴西综合征A相关（Fischer等人。2014). ALDH5A1缺乏与γ-羟丁酸尿有关（Pearl等人。2003). 据报道，其他疾病包括2型高蛋白血症、回旋体萎缩、溶血性贫血、5-氧蛋白尿和高氨血症，都是由于缺乏不同的谷氨酸代谢酶而表现出来的。已知由于GLUD活性增加而发生高胰岛素血症/高氨血症综合征。

结论

谷氨酸是合成各种氨基酸、核酸、核苷酸和代谢物的重要前体或底物。谷氨酸代谢综合途径图的可用性将增强我们对参与该途径调控的各种分子的作用的理解。该途径为大多数途径反应提供了关于酶相互作用因子、调节因子和由于酶活性的获得或丧失而引起的病症的信息。此外，不同类型的翻译后修饰信息增加了有关酶活性和调节的知识。

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