Гликозидгидролаза

В биохимии , гликозидгидролазы называемые гликозидазами или гликозилгидролазами ) — класс ферментов катализирующих гидролиз гликозидных сахарах связей ( также в сложных . ^[1]^[2] Это чрезвычайно распространенные ферменты, роль которых в природе включает разложение биомассы , такой как целлюлоза ( целлюлаза ), гемицеллюлоза и крахмал ( амилаза ), в стратегиях антибактериальной защиты (например, лизоцим ), в патогенеза механизмах (например, вирусные нейраминидазы ). и в нормальной клеточной функции (например, обрезка маннозидаз, участвующих в N -связанных гликопротеинов биосинтезе ). Вместе с гликозилтрансферазами гликозидазы образуют основной каталитический механизм синтеза и разрыва гликозидных связей. ^[3]

Возникновение и важность

Гликозидгидролазы встречаются практически во всех сферах жизни. У прокариот они встречаются как внутриклеточные, так и внеклеточные ферменты, которые в значительной степени участвуют в усвоении питательных веществ. Одним из важных проявлений гликозидгидролаз у бактерий является фермент бета-галактозидаза (LacZ), который участвует в регуляции экспрессии lac- оперона в E. coli . У высших организмов гликозидгидролазы обнаруживаются в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи , где они участвуют в процессинге N-связанных гликопротеинов , а также в лизосомах в качестве ферментов, участвующих в деградации углеводных структур. Дефицит специфических лизосомальных гликозидгидролаз может привести к ряду лизосомальных нарушений накопления, которые приводят к проблемам развития или смерти. Гликозидгидролазы обнаруживаются в кишечном тракте и в слюне , где они расщепляют сложные углеводы, такие как лактоза , крахмал , сахароза и трегалоза . В кишечнике они обнаруживаются в виде гликозилфосфатидил-заякоренных ферментов на эндотелиальные клетки . Фермент лактаза необходим для расщепления лактозы молочного сахара и присутствует в больших количествах у младенцев, но в большинстве групп населения его уровень снижается после отъема от груди или в младенчестве, что потенциально может привести к непереносимости лактозы во взрослом возрасте. ^[4]^[5] Фермент O-GlcNAcase участвует в удалении групп N-ацетилглюкозамина из остатков серина и треонина в цитоплазме и ядре клетки. Гликозидгидролазы участвуют в биосинтезе и расщеплении гликогена в организме.

Классификация

Гликозидгидролазы классифицируются в ЕС 3.2.1 как ферменты, катализирующие гидролиз О- или S-гликозидов. Гликозидгидролазы также можно классифицировать в зависимости от стереохимического результата реакции гидролиза: таким образом, их можно классифицировать как удерживающие или инвертирующие ферменты. ^[6] Гликозидгидролазы также можно классифицировать как экзо- или эндодействующие, в зависимости от того, действуют ли они на (обычно невосстанавливающем) конце или в середине соответственно олиго/полисахаридной цепи. Гликозидгидролазы также можно классифицировать с помощью методов, основанных на последовательностях или структуре. ^[7]

Классификация на основе последовательностей

Классификации, основанные на последовательностях, являются одним из наиболее мощных прогностических методов, позволяющих предположить функцию недавно секвенированных ферментов, функция которых не была продемонстрирована биохимически. Система классификации гликозилгидролаз, основанная на сходстве последовательностей, привела к определению более 100 различных семейств. ^[8]^[9]^[10] Эта классификация доступна на веб-сайте CAZy (CArboгидрат-активные ферменты). ^[7]^[11] База данных содержит ряд регулярно обновляемых классификаций на основе последовательностей, которые позволяют надежно прогнозировать механизм (сохранение/инвертирование), остатки активного сайта и возможные субстраты. Онлайн-база данных поддерживается CAZypedia, онлайн-энциклопедией ферментов, активных в отношении углеводов. ^[12] На основании трехмерного структурного сходства семейства, основанные на последовательностях, были классифицированы в «кланы» родственной структуры. Недавний прогресс в анализе последовательностей гликозидаз и сравнении трехмерных структур позволил предложить расширенную иерархическую классификацию гликозидгидролаз. ^[13]^[14]

Механизмы

Инвертирующие гликозидгидролазы

Инвертирующие ферменты используют два ферментных остатка, обычно карбоксилатные остатки, которые действуют как кислота и основание соответственно, как показано ниже для β-глюкозидазы .Продукт реакции занимает аксиальное положение на С1, но могут проявляться некоторые спонтанные изменения конформации.

Сохраняющие гликозидгидролазы

Сохранение гликозидаз действует по двухэтапному механизму, каждый из которых приводит к инверсии , что обеспечивает чистое сохранение стереохимии. Опять же, участвуют два остатка, которые обычно представляют собой карбоксилаты, переносимые ферментами . Один действует как нуклеофил , а другой как кислота/основание. На первом этапе нуклеофил атакует аномерный центр, что приводит к образованию промежуточного гликозильного фермента при кислой помощи со стороны кислого карбоксилата. На втором этапе депротонированный кислый карбоксилат действует как основание и помогает нуклеофильной воде гидролизовать промежуточный гликозильный фермент, давая гидролизованный продукт. Ниже показан механизм действия лизоцима белка куриного яйца . ^[15]

Может возникнуть альтернативный механизм гидролиза с сохранением стереохимии, который осуществляется за счет нуклеофильного остатка, который связан с субстратом, а не присоединяется к ферменту. Такие механизмы являются общими для некоторых N-ацетилгексозаминидаз, имеющих ацетамидную группу, способную к участию соседней группы с образованием промежуточного иона оксазолина или оксазолиния. Этот механизм осуществляется в два этапа посредством отдельных инверсий, что приводит к чистому сохранению конфигурации.

Для эндо-α-маннаназ был описан вариант механизма участия соседних групп, который включает участие 2-гидроксильной группы с образованием промежуточного эпоксида. Гидролиз эпоксида приводит к чистому сохранению конфигурации. ^[16]

Номенклатура и примеры

Гликозидгидролазы обычно называют по названию субстрата, на который они действуют. Таким образом, глюкозидазы катализируют гидролиз глюкозидов, а ксиланазы катализируют расщепление гомополимера ксилоза на основе ксилозы. Другие примеры включают лактазу , амилазу , хитиназу , сахаразу , мальтазу , нейраминидазу , инвертазу , гиалуронидазу и лизоцим .

Использование

Прогнозируется, что гликозидгидролазы будут играть все большую роль в качестве катализаторов в биопереработке.приложения в биоэкономике будущего. ^[17] Эти ферменты имеют множество применений, включая разложение растительных материалов (например, целлюлазы для разложения целлюлозы до глюкозы, которую можно использовать для производства этанола ), в пищевой промышленности ( инвертаза для производства инвертного сахара, амилаза для производства мальтодекстринов), и в бумажно-целлюлозной промышленности ( ксиланазы для удаления гемицеллюлозы из бумажной массы). Целлюлазы добавляются в моющие средства для стирки хлопчатобумажных тканей и способствуют сохранению цвета за счет удаления микроволокон, поднимающихся с поверхности ниток во время носки.

В органической химии гликозидгидролазы могут использоваться в качестве синтетических катализаторов для образования гликозидных связей посредством обратного гидролиза (кинетический подход), при котором положение равновесия меняется на противоположное; или путем трансгликозилирования (кинетический подход), при котором сохранение гликозидгидролаз может катализировать перенос гликозильного фрагмента от активированного гликозида к акцепторному спирту с образованием нового гликозида.

Были разработаны мутантные гликозидгидролазы, называемые гликосинтазами , которые могут обеспечить синтез гликозидов с высоким выходом из активированных доноров гликозилов, таких как гликозилфториды. Гликозинтазы обычно образуются в результате сохранения гликозидгидролаз путем направленного мутагенеза ферментативного нуклеофила в какую-либо другую, менее нуклеофильную группу, такую как аланин или глицин. Другая группа мутантных гликозидгидролаз, называемых тиогликолигазами, может быть образована путем направленного мутагенеза кислотно-основного остатка удерживающей гликозидгидролазы. Тиогликолигазы катализируют конденсацию активированных гликозидов и различных тиолсодержащих акцепторов.

Различные гликозидгидролазы продемонстрировали эффективность в расщеплении матриксных полисахаридов во внеклеточном полимерном веществе (ЭПС) микробных биопленок . ^[18] С медицинской точки зрения биопленки дают инфекционным микроорганизмам ряд преимуществ перед их планктонными, свободно плавающими аналогами, включая значительно повышенную толерантность к противомикробным агентам и иммунной системе хозяина. Таким образом, разрушение биопленки может повысить эффективность антибиотиков, а также усилить иммунную функцию хозяина и способность к заживлению. Например, было показано, что комбинация альфа-амилазы и целлюлазы разрушает полимикробные бактериальные биопленки как из in vitro , так и in vivo источников , а также повышает эффективность антибиотиков против них. ^[19]

Ингибиторы

Известно множество соединений, которые могут ингибировать действие гликозидгидролазы. были обнаружены азотсодержащие гетероциклы в форме сахара В природе , в том числе дезоксиноджиримицин , свайнсонин , аустралин и кастаноспермин . На основе этих природных матриц были разработаны многие другие ингибиторы, включая изофагомин и дезоксигалактоноджиримицин , а также различные ненасыщенные соединения, такие как PUGNAc. К ингибиторам, находящимся в клинической практике, относятся антидиабетические препараты акарбоза и миглитол , а также противовирусные препараты осельтамивир и занамивир . Было обнаружено, что некоторые белки действуют как ингибиторы гликозидгидролазы.

См. также

Ссылки

^ Борн, Ив; Генрисса, Бернар (2001). «Гликозидгидролазы и гликозилтрансферазы: семейства и функциональные модули». Современное мнение в области структурной биологии . 11 (5): 593–600. дои : 10.1016/s0959-440x(00)00253-0 . ПМИД 11785761 .
^ Анрисса, Бернар; Дэвис, Гидеон (1997). «Структурная и последовательностная классификация гликозидгидролаз». Современное мнение в области структурной биологии . 7 (5): 637–644. дои : 10.1016/s0959-440x(97)80072-3 . ПМИД 9345621 .
^ Сильва, Роберто Насименто; Штейндорф, Андрей Стекка; Монтейро, Вальдирен Невес (2014), «Метаболическое разнообразие триходермы» , Биотехнология и биология триходермы , Elsevier, стр. 363–376, doi : 10.1016/b978-0-444-59576-8.00027-8 , ISBN 978-0-444-59576-8 , получено 4 июля 2024 г.
^ «Непереносимость лактозы» . Библиотека медицинских концепций Lecturio . Проверено 1 августа 2021 г.
^ «Непереносимость лактозы» . НИДДК . Июнь 2014. Архивировано из оригинала 25 октября 2016 года . Проверено 25 октября 2016 г.
^ Синнотт, Майкл Л. (1 ноября 1990 г.). «Каталитический механизм ферментативного переноса гликозила» . Химические обзоры . 90 (7): 1171–1202. дои : 10.1021/cr00105a006 . ISSN 0009-2665 .
^ Jump up to: ^а ^б «Семейство гликозидгидролаз CAZy» . Архивировано из оригинала 27 сентября 2013 г. Проверено 25 августа 2009 г.
^ Хенриссат Б., Каллебо И., Морнон Дж. П., Фабрега С., Лен П., Дэвис Г. (1995). «Консервативный каталитический механизм и предсказание общей складки для нескольких семейств гликозилгидролаз» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 92 (15): 7090–7094. Бибкод : 1995PNAS...92.7090H . дои : 10.1073/pnas.92.15.7090 . ПМК 41477 . ПМИД 7624375 .
^ Хенриссат Б., Дэвис Дж. (1995). «Структуры и механизмы действия гликозилгидролаз» . Структура . 3 (9): 853–859. дои : 10.1016/S0969-2126(01)00220-9 . ПМИД 8535779 .
^ «Байрох, А. «Классификация семейств гликозилгидролаз и индекс записей гликозилгидролаз в SWISS-PROT». 1999» . Архивировано из оригинала 25 мая 2011 г. Проверено 12 марта 2008 г.
^ Хенриссат, Б. и Коутиньо, П.М. «Сервер углеводно-активных ферментов». 1999.
^ CAZypedia, онлайн-энциклопедия углеводоактивных ферментов.
^ Наумов, Д.Г. (2006). «Разработка иерархической классификации гликозидгидролаз ТИМ-бочкового типа» (PDF) . Материалы Пятой международной конференции по биоинформатике регуляции и структуры генома . 1 : 294–298.
^ Наумов, Д.Г. (2011). «Иерархическая классификация гликозидгидролаз». Биохимия (Москва) . 76 (6): 622–635. дои : 10.1134/S0006297911060022 . ПМИД 21639842 . S2CID 206838603 .
^ Вокадло диджей; Дэвис Дж.Дж.; Лейн Р.; Уизерс С.Г. (2001). «Катализ лизоцимом куриного яичного белка протекает через ковалентное промежуточное соединение» (PDF) . Природа . 412 (6849): 835–8. Бибкод : 2001Natur.412..835V . дои : 10.1038/35090602 . ПМИД 11518970 . S2CID 205020153 .
^ Собала, Лукаш Ф.; Спешале, Гаэтано; Чжу, Ша; Райх, Луис; Санникова Наталья; Томпсон, Эндрю Дж.; Хакки, Залихе; Лу, Дэн; Шамси Казем Абади, Саида; Льюис, Эндрю Р.; Рохас-Сервеллера, Виктор; Бернардо-Сейседос, Ганеко; Чжан, Юнмин; Милле, Оскар; Хименес-Барберо, Хесус; Беннетт, Эндрю Дж.; Соллогуб, Мэтью; Ровира, Карме; Дэвис, Гидеон Дж.; Уильямс, Спенсер Дж. (16 апреля 2020 г.). «Эпоксидный промежуточный продукт в гликозидазном катализе» . Центральная научная служба ACS . 6 (5): 760–770. doi : 10.1021/accentsci.0c00111 . ПМЦ 7256955 . ПМИД 32490192 .
^ Линарес-Пастен, Ж.А.; Андерссон, М; Нордберг Карлссон, Э (2014). «Термостабильные гликозидгидролазы в технологиях биопереработки» . Современная биотехнология . 3 (1): 26–44. дои : 10.2174/22115501113026660041 .
^ Флеминг, Дерек; Рамбо, Кендра П. (01 апреля 2017 г.). «Подходы к диспергированию медицинских биопленок» . Микроорганизмы . 5 (2): 15. doi : 10.3390/microorganisms5020015 . ПМК 5488086 . ПМИД 28368320 .
^ Флеминг, Дерек; Чахин, Лаура; Рамбо, Кендра (февраль 2017 г.). «Гликозидгидролазы разрушают полимикробные бактериальные биопленки в ранах» . Антимикробные средства и химиотерапия . 61 (2): AAC.01998–16. дои : 10.1128/AAC.01998-16 . ISSN 1098-6596 . ПМЦ 5278739 . ПМИД 27872074 .

Внешние ссылки

Cazypedia, онлайн-энциклопедия CAZymes, углеводоактивных ферментов и связывающих белков, участвующих в синтезе и расщеплении сложных углеводов.
База данных углевод-активных ферментов
Классификация ExPASy. Архивировано 30 апреля 2011 г. на Wayback Machine.
Гликозид + гидролазы Национальной медицинской библиотеки США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)

[1] Борн, Ив; Генрисса, Бернар (2001). «Гликозидгидролазы и гликозилтрансферазы: семейства и функциональные модули». Современное мнение в области структурной биологии . 11 (5): 593–600. дои : 10.1016/s0959-440x(00)00253-0 . ПМИД 11785761 .

[2] Анрисса, Бернар; Дэвис, Гидеон (1997). «Структурная и последовательностная классификация гликозидгидролаз». Современное мнение в области структурной биологии . 7 (5): 637–644. дои : 10.1016/s0959-440x(97)80072-3 . ПМИД 9345621 .

[3] Сильва, Роберто Насименто; Штейндорф, Андрей Стекка; Монтейро, Вальдирен Невес (2014), «Метаболическое разнообразие триходермы» , Биотехнология и биология триходермы , Elsevier, стр. 363–376, doi : 10.1016/b978-0-444-59576-8.00027-8 , ISBN 978-0-444-59576-8 , получено 4 июля 2024 г.

[4] «Непереносимость лактозы» . Библиотека медицинских концепций Lecturio . Проверено 1 августа 2021 г.

[5] «Непереносимость лактозы» . НИДДК . Июнь 2014. Архивировано из оригинала 25 октября 2016 года . Проверено 25 октября 2016 г.

[6] Синнотт, Майкл Л. (1 ноября 1990 г.). «Каталитический механизм ферментативного переноса гликозила» . Химические обзоры . 90 (7): 1171–1202. дои : 10.1021/cr00105a006 . ISSN 0009-2665 .

[CAZy-7] Jump up to: ^а ^б «Семейство гликозидгидролаз CAZy» . Архивировано из оригинала 27 сентября 2013 г. Проверено 25 августа 2009 г.

[PUB00004870-8] Хенриссат Б., Каллебо И., Морнон Дж. П., Фабрега С., Лен П., Дэвис Г. (1995). «Консервативный каталитический механизм и предсказание общей складки для нескольких семейств гликозилгидролаз» . Учеб. Натл. акад. наук. США . 92 (15): 7090–7094. Бибкод : 1995PNAS...92.7090H . дои : 10.1073/pnas.92.15.7090 . ПМК 41477 . ПМИД 7624375 .

[PUB00005266-9] Хенриссат Б., Дэвис Дж. (1995). «Структуры и механизмы действия гликозилгидролаз» . Структура . 3 (9): 853–859. дои : 10.1016/S0969-2126(01)00220-9 . ПМИД 8535779 .

[10] «Байрох, А. «Классификация семейств гликозилгидролаз и индекс записей гликозилгидролаз в SWISS-PROT». 1999» . Архивировано из оригинала 25 мая 2011 г. Проверено 12 марта 2008 г.

[11] Хенриссат, Б. и Коутиньо, П.М. «Сервер углеводно-активных ферментов». 1999.

[12] CAZypedia, онлайн-энциклопедия углеводоактивных ферментов.

[13] Наумов, Д.Г. (2006). «Разработка иерархической классификации гликозидгидролаз ТИМ-бочкового типа» (PDF) . Материалы Пятой международной конференции по биоинформатике регуляции и структуры генома . 1 : 294–298.

[14] Наумов, Д.Г. (2011). «Иерархическая классификация гликозидгидролаз». Биохимия (Москва) . 76 (6): 622–635. дои : 10.1134/S0006297911060022 . ПМИД 21639842 . S2CID 206838603 .

[15] Вокадло диджей; Дэвис Дж.Дж.; Лейн Р.; Уизерс С.Г. (2001). «Катализ лизоцимом куриного яичного белка протекает через ковалентное промежуточное соединение» (PDF) . Природа . 412 (6849): 835–8. Бибкод : 2001Natur.412..835V . дои : 10.1038/35090602 . ПМИД 11518970 . S2CID 205020153 .

[16] Собала, Лукаш Ф.; Спешале, Гаэтано; Чжу, Ша; Райх, Луис; Санникова Наталья; Томпсон, Эндрю Дж.; Хакки, Залихе; Лу, Дэн; Шамси Казем Абади, Саида; Льюис, Эндрю Р.; Рохас-Сервеллера, Виктор; Бернардо-Сейседос, Ганеко; Чжан, Юнмин; Милле, Оскар; Хименес-Барберо, Хесус; Беннетт, Эндрю Дж.; Соллогуб, Мэтью; Ровира, Карме; Дэвис, Гидеон Дж.; Уильямс, Спенсер Дж. (16 апреля 2020 г.). «Эпоксидный промежуточный продукт в гликозидазном катализе» . Центральная научная служба ACS . 6 (5): 760–770. doi : 10.1021/accentsci.0c00111 . ПМЦ 7256955 . ПМИД 32490192 .

[17] Линарес-Пастен, Ж.А.; Андерссон, М; Нордберг Карлссон, Э (2014). «Термостабильные гликозидгидролазы в технологиях биопереработки» . Современная биотехнология . 3 (1): 26–44. дои : 10.2174/22115501113026660041 .

[18] Флеминг, Дерек; Рамбо, Кендра П. (01 апреля 2017 г.). «Подходы к диспергированию медицинских биопленок» . Микроорганизмы . 5 (2): 15. doi : 10.3390/microorganisms5020015 . ПМК 5488086 . ПМИД 28368320 .

[19] Флеминг, Дерек; Чахин, Лаура; Рамбо, Кендра (февраль 2017 г.). «Гликозидгидролазы разрушают полимикробные бактериальные биопленки в ранах» . Антимикробные средства и химиотерапия . 61 (2): AAC.01998–16. дои : 10.1128/AAC.01998-16 . ISSN 1098-6596 . ПМЦ 5278739 . ПМИД 27872074 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

v т и Ферменты
Activity	Active site Binding site Catalytic triad Oxyanion hole Enzyme promiscuity Diffusion-limited enzyme Cofactor Enzyme catalysis
Regulation	Allosteric regulation Cooperativity Enzyme inhibitor Enzyme activator
Classification	EC number Enzyme superfamily Enzyme family List of enzymes
Kinetics	Enzyme kinetics Eadie–Hofstee diagram Hanes–Woolf plot Lineweaver–Burk plot Michaelis–Menten kinetics
Types	EC1 Oxidoreductases (list) EC2 Transferases (list) EC3 Hydrolases (list) EC4 Lyases (list) EC5 Isomerases (list) EC6 Ligases (list) EC7 Translocases (list)