Simulation modeling of glutamate cysteine ligase activity

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

L-Y-glutamyl-L-cysteinyl glycine, or glutathione, as one of the basic intracellular antioxidants, plays a vital role in cellular metabolism. In mammalian cells, glutathione is synthesized via two steps. The first step that is considered rate limiting is catalyzed by glutamate cysteine ligase. In this work, a stochastic algorithm based on continuous-time Markov chains was used to simulate the activity of glutamate-cysteine ligase. Several different mechanisms of enzymatic activity including reversible inhibition of glutathione, and an ATP binding motif have been considered. Based on physiological metabolite measurements made for human erythrocytes, the activity of glutamate cysteine ligase was determined. There are many possible ways for substrates to bind to an active site of the studied enzyme, but, only the mechanism by which primary binding to ATP can occur makes it possible to obtain the catalytic rate value similar to that of the experimentally measured glutamatecysteine ligase activity relative to physiological concentrations of substrates. In other cases, the values differ by more than one order of magnitude. The performed analysis allows the conclusion that when models for glutathione biosynthesis are constructed in vivo conditions, the ATP concentration and reversible inhibition of glutathione should be taken into account.

About the authors

V. S Kopylova

Institute of Cytochemistry and Molecular Pharmacology

Email: kopilova.veronika@yandex.ru
Moscow, Russia

S. E Boronovskiy

Institute of Cytochemistry and Molecular Pharmacology

Moscow, Russia

Ya. R Nartsissov

Institute of Cytochemistry and Molecular Pharmacology;BiDiPharma GmbH

Moscow, Russia;Siek, Germany

References

  1. A. A. Korneev, I. A. Komissarova, and Y. R. Nartsissov, Bull. Exp. Biol. Med., 116, 1089 (1993).
  2. В. И. Скворцова, Я. Р. Нарциссов, М. К. Бодыхов и др., Журн. неврологии и психиатрии им. С.С. Корсакова, 107, 30 (2007).
  3. Y. R. Nartsissov, Biochem. Soc. Trans., 45 (5), 1097 (2017).
  4. R. Dringen, Progr. Neurobiol. 62 (6), 649 (2000).
  5. Л. П. Смирнов и И. В. Суховская, Учен. зап. Петрозавод. гос. ун-та, 6 (143), 34 (2014).
  6. M. Deponte, Antioxid. Redox Signal., 27 (15), 1130 (2017).
  7. V. I. Kulinskii and L. S. Kolesnichenko, Biomed. Khim., 55 (3), 255 (2009).
  8. K. Chik, F. Flourie, K. Arab, et al., J. Chromatogr. B: Analyt. Technol. Biomed. Life Sci., 827 (1), 32 (2005).
  9. Y. Yang, E. D. Lenherr, R. Gromes, et al., Biochem. J., 476 (7), 1191 (2019).
  10. R. Njalsson, Cell Mol. Life Sci., 62 (17), 1938 (2005).
  11. H. Zhang and H. J. Forman, Semin. Cell Dev. Biol., 23 (7), 722 (2012).
  12. A. Dinescu, M. E. Anderson, and T. R. Cundari, Biochem. Biophys. Res.Commun., 353 (2), 450 (2007).
  13. M. Grant, F. H. MacIver, and I. W. Dawes, Mol. Biol. Cell., 8 (9), 1699 (1997).
  14. K. Bachhawat and S. Yadav, IUBMB Life, 70 (7), 585 (2018).
  15. V. I. Kulinskii and L. S. Kolesnichenko, Biomed. Khim., 55 (4), 365 (2009).
  16. A. Meister and M. E. Anderson, Annu. Rev. Biochem., 52, 711 (1983).
  17. T. W. Sedlak, B. D. Paul, G. M. Parker, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116 (7), 2701 (2019).
  18. О. А. Борисенок, М. И. Бушма, О. Н. Басалай и др., Мед. новости, 7 (298), 3 (2019).
  19. G. E. van Buskirk, J. E. Gander, and W. B. Rathbun, Eur. J. Biochem., 85 (2), 589 (1978).
  20. B. Yip and F. B.Rudolph, J. Biol. Chem., 251 (12), 3563 (1976).
  21. D. L. Brekken and M. A. Phillips, J. Biol. Chem., 273 (41), 26317 (1998).
  22. G. Mendoza-Cozatl and R. Moreno-Sanchez, J. Theor. Biol., 238 (4), 919 (2006).
  23. M. C. Reed, R. L. Thomas, J. Pavisic, et al., Theor. Biol. Med. Model., 5, 8 (2008).
  24. J. E. Raftos, S. Whillier, and P. W. Kuchel, J. Biol. Chem., 285 (31), 23557 (2010).
  25. J. M. Jez, R. E. Cahoon, and S. Chen, J. Biol. Chem., 279 (32), 33463 (2004).
  26. M. Orlowski and A. Meister, Biochemistry, 10 (3), 372 (1971).
  27. V. Y. Titova, S. E. Boronovskiy, J. P. Mazat, et al., J. Physics: Conf. Series, 1141, 012029 (2018).
  28. E. Mashkovtseva, S. Boronovsky, and Y. Nartsissov, Math. Biosci., 243 (1), 117 (2013).
  29. N. V. Kazmiruk, S. E. Boronovskiy, and Y. R. Nartsissov, Biophysics, 63 (3), 318 (2018).
  30. O. A. Zagubnaya, S. Boronovskiy, and Y. R. Nartsissov, J. Physics: Conf. Series, 1141, (2018).
  31. O. W. Griffith and R. T. Mulcahy, Adv. Enzymol. Relat. Areas Mol. Biol., 73, 209 (1999).
  32. R. Quintana-Cabrera, S. Fernandez-Fernandez, V. Bobo-Jimenez, et al., Nat.Commun., 3, 718 (2012).
  33. Z. Tu and M. W. Anders, Arch. Biochem. Biophys., 354 (2), 247 (1998).
  34. M. N. Willis, Y. Liu, E. I. Biterova, et al., Biochemistry, 50 (29), 6508 (2011).
  35. Y. Chen, H. G. Shertzer, S. N. Schneider, et al., J. Biol. Chem., 280 (40), 33766 (2005).
  36. O. W. Griffith, Free Radic. Biol. Med., 27 (9-10), 922 (1999).
  37. K. Kiessling, N. Roberts, J. S. Gibson, et al., Hematol. J., 1 (4), 243 (2000).
  38. D. Darmaun, S. D. Smith, S. Sweeten, et al., Diabetes, 54 (1), 190 (2005).
  39. E. Skotnicka, I. Baranowska-Bosiacka, W. Dudzinska, et al., Biology of Sport, 25 (1), 35 (2008).
  40. J. C. Divino Filho, S. J. Hazel, P. Furst, et al., J. Endocrinol., 156 (3), 519 (1998).
  41. Y. Xiong, Y. Xiong, Y. Wang, et al., Cell Physiol. Biochem., 51 (5), 2172 (2018).
  42. G. Noctor, A.-C. M. Arisi, L. Jouanin, et al., Physiol. Plantarum, 100 (2), 255 (1997).
  43. A. Kuster, I. Tea, S. Sweeten, et al., Anal. Bioanal. Chem., 390 (5), 1403 (2008).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2023 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».