глюкансахараза

Глюкансахараза (также известная как глюкозилтрансфераза ) представляет собой фермент семейства гликозидгидролаз GH70, используемый молочнокислыми бактериями для расщепления сахарозы и использования полученных глюкозы молекул для создания длинных липких цепей биопленок . Эти внеклеточные гомополисахариды называются α- глюканов полимерами .

Ферменты глюкансахаразы могут синтезировать различные глюканы с различной растворимостью , реологией и другими свойствами, изменяя тип гликозидной связи, степень разветвления, длину, массу и конформацию полимеров. Глюкансакразы классифицируются в зависимости от гликозидной связи, которую они катализируют. Это могут быть мутансахаразы, декстрансахаразы, альтернансахаразы или реутерансахаразы. ^{[ 1 ]} Эта универсальность сделала глюкансахаразу полезной для промышленного применения. ^{[ 2 ]} Роль глюкансакразы в кариесообразования представляет собой основной интерес. Полимеры глюкана прилипают к зубам во рту человека и вызывают кариес . ^{[ 3 ]}

Структура

Глюкансакразы представляют собой крупные внеклеточные белки со средней молекулярной массой около 160 000 дальтон . Поэтому кристаллографические исследования проводились только для фрагментов ферментов, а не для полных структур. Однако глюкансахараза очень похожа на α-амилазу , другой фермент, расщепляющий сахар. ^{[ 2 ]} Таким образом, глюкансахараза имеет многие из тех же структурных особенностей. Например, оба фермента имеют три домена в каталитическом ядре и _8- цилиндровый (β/α) ствол. ^{[ 4 ]}

Глюкансахараза имеет пять основных доменов: A, B, C, IV и V. Однако домены глюкансахаразы имеют другое расположение, чем домены α-амилазы. Характеристики сворачивания α-амилазы и глюкансахаразы по-прежнему очень схожи, но их домены переставлены местами. ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 3 ]} Домены A, B, IV и V построены из двух несмежных частей полипептидной цепи, в результате чего цепь принимает U-образную форму. ^{[ 1 ]} От N-конца к С-концу полипептидная цепь идет в следующем порядке: V, IV, B, A, C, A, B, IV, V (см. рисунок вверху справа). ^{[ 4 ]} Домен C — единственный, состоящий из непрерывной полипептидной последовательности.

Домен А содержит ствол (β/α) ₈ и каталитический сайт. В каталитическом сайте три остатка , в частности, играют важную роль в ферментативной активности: нуклеофильный аспартат , кислотно-основной глутамат и дополнительный аспартат для стабилизации переходного состояния . ^{[ 4 ]}^{[ 3 ]}

Домен B представляет собой скрученный антипараллельный β-лист . Некоторые петли в домене B помогают сформировать бороздку возле каталитического сайта. Кроме того, некоторые аминокислоты между доменами A и B образуют сайт связывания кальция рядом с нуклеофильным аспартатом. Калифорния ²⁺ ион необходим для активности фермента. ^{[ 4 ]}^{[ 3 ]}

Реакция и механизм

Реакция глюкансахаразы состоит из двух частей. Сначала он расщепляет гликозидную связь и расщепляет сахарозу. Продуктами реакции являются составляющие моносахариды глюкоза и фруктоза . Эта глюкоза добавляется к растущей цепи глюканов. Глюкансакраза использует энергию, выделяемую при расщеплении связей, для стимулирования синтеза глюканов. ^{[ 2 ]} И распад сахарозы, и синтез глюканов происходят в одном и том же активном центре. ^{[ 3 ]}

Первый этап осуществляется посредством механизма трансгликозилирования с участием промежуточного гликозил-фермента в субсайте-1. Глутамат, вероятно, является каталитической кислотой/основанием, аспартат - нуклеофилом, а еще один аспартат - стабилизатором переходного состояния. ^{[ 5 ]}^{[ 7 ]} Все эти три остатка высококонсервативны, и их мутация приводит к значительному снижению ферментативной активности. ^{[ 3 ]}

Механизм глюкансахаразы исторически вызывал споры в научной литературе. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]}^{[ 10 ]} Механизм предполагает два перемещения. Первый возникает в результате гликозидного расщепления субстрата сахарозы между субсайтами -1 и +1. При этом высвобождается фруктоза и образуется промежуточный продукт сахар-фермент, когда единица глюкозы присоединяется к нуклеофилу.

Второе замещение — это перенос глюкозильного фрагмента на акцептор, например, на растущую глюкановую цепь. В прошлом споры велись о том, присоединена ли глюкозильная группа к невосстанавливающему или восстанавливающему концу входящего акцептора. Дополнительные исследования указали на невосстанавливающий механизм с одним активным центром. ^{[ 1 ]}^{[ 2 ]}^{[ 11 ]}^{[ 3 ]}

Эволюция

Белки глюкансакразы, вероятно, произошли от предшественника фермента амилазы. ^{[ 3 ]} Оба фермента имеют схожие модели сворачивания и белковые домены. Фактически, прошлые попытки создать лекарства, нацеленные на глюкансахаразу, не увенчались успехом, поскольку эти лекарства также разрушали амилазу, которая необходима для расщепления крахмала . ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Это произошло потому, что активные центры двух ферментов практически одинаковы. Глюкансакраза, вероятно, сохранила высококонсервативный активный сайт, поскольку прошла другой путь эволюции.

Здоровье

Глюкансакраза позволяет бактериям полости рта Streptococcus mutans метаболизировать сахарозу в молочную кислоту. Эта молочная кислота снижает pH вокруг зубов и растворяет фосфат кальция в зубной эмали , что приводит к разрушению зубов. ^{[ 14 ]} Кроме того, синтез глюкана помогает S. mutans прикрепляться к поверхности зубов. ^{[ 15 ]}^{[ 16 ]} По мере накопления полимеров они помогают большему количеству кислотообразующих бактерий оставаться на зубах. Следовательно, глюкансахараза является такой привлекательной мишенью для предотвращения кариеса зубов. Если S. mutans больше не может расщеплять сахарозу и синтезировать глюкан, фосфат кальция не разлагается, и бактерии не могут так легко прикрепляться к зубам.

Промышленность

Бактерии с ферментами глюкансахаразы широко используются в промышленности для различных целей. Полимер декстран является ярким примером очень полезного полимера. Он производится в коммерческих масштабах для использования в ветеринарной медицине , технологии разделения, биотехнологии , пищевой промышленности для гелеобразования, загущения и эмульгирования, в медицине человека в качестве пребиотика , средства, снижающего уровень холестерина или расширителя плазмы крови , и т.д. ^{[ 4 ]}^{[ 8 ]}^{[ 17 ]}

См. также

Альтернансахараза

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с Ито К., Ито С., Симамура Т., Вейанд С., Каварасаки Ю., Мисака Т., Абэ К., Кобаяши Т., Кэмерон А.Д., Ивата С. (апрель 2011 г.). «Кристаллическая структура глюкансахаразы возбудителя кариеса Streptococcus mutans». Журнал молекулярной биологии . 408 (2): 177–86. дои : 10.1016/j.jmb.2011.02.028 . ПМИД 21354427 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ван Хиюм С.А., Краль С., Озимек Л.К., Дейхуйзен Л., ван Гил-Шуттен И.Г. (март 2006 г.). «Структурно-функциональные взаимоотношения ферментов глюкансахаразы и фруктансахаразы молочнокислых бактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 157–76. дои : 10.1128/MMBR.70.1.157-176.2006 . ПМЦ 1393251 . ПМИД 16524921 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час
Вуйчич-Загар А., Пейнинг Т., Краль С., Лопес К.А., Эувема В., Дейхуизен Л. и др. (декабрь 2010 г.). «Кристаллическая структура фрагмента глюкансахаразы массой 117 кДа дает представление об эволюции и специфичности продукта ферментов GH70» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (50): 21406–11. Бибкод : 2010PNAS..10721406V . дои : 10.1073/pnas.1007531107 . ПМК 3003066 . ПМИД 21118988 .
- Дункан Гир (07 декабря 2010 г.). «Фермент кариеса зубов идентифицирован и нацелен» . Проводной .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лимхейс Х., Пейнинг Т., Добруховска Дж.М., ван Леувен С.С., Краль С., Дейкстра Б.В., Дейкхуизен Л. (январь 2013 г.). «Глюкансакразы: трехмерные структуры, реакции, механизм, анализ α-глюканов и их значение в биотехнологии и пищевых продуктах». Журнал биотехнологии . 163 (2): 250–72. doi : 10.1016/j.jbiotec.2012.06.037 . ПМИД 22796091 .
^ Jump up to: ^а ^б «Глюкансахараза» . PDB101: Молекула месяца .
^ МакГрегор Э.А., Йесперсен Х.М., Свенссон Б. (январь 1996 г.). «Циркулярно перестановленная альфа-/бета-бочковая структура альфа-амилазного типа в глюкан-синтезирующих глюкозилтрансферазах». Письма ФЭБС . 378 (3): 263–6. дои : 10.1016/0014-5793(95)01428-4 . ПМИД 8557114 .
^ Цумори Х., Минами Т., Курамицу Х.К. (июнь 1997 г.). «Идентификация незаменимых аминокислот в глюкозилтрансферазах Streptococcus mutans» . Журнал бактериологии . 179 (11): 3391–6. дои : 10.1128/jb.179.11.3391-3396.1997 . ПМК 179127 . ПМИД 9171379 .
^ Jump up to: ^а ^б Моншуа В., Виллемот Р.М., Монсан П. (апрель 1999 г.). «Глюкансахаразы: механизм действия и структурно-функциональные связи» . Обзоры микробиологии FEMS . 23 (2): 131–51. дои : 10.1111/j.1574-6976.1999.tb00394.x . ПМИД 10234842 .
^ ван Хиюм С.А., Краль С., Озимек Л.К., Дейхуйзен Л., ван Гил-Шуттен И.Г. (март 2006 г.). «Структурно-функциональные взаимоотношения ферментов глюкансахаразы и фруктансахаразы молочнокислых бактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 157–76. дои : 10.1128/MMBR.70.1.157-176.2006 . ПМЦ 1393251 . ПМИД 16524921 .
^ Робит Дж. Ф., Юн Ш., Мукерджи Р. (декабрь 2008 г.). «Дектранссахараза и механизм биосинтеза декстрана». Исследование углеводов . 343 (18): 3039–48. дои : 10.1016/j.carres.2008.09.012 . ПМИД 18922515 .
^ Йенсен М.Х., Мирза О., Альбенн К., Ремо-Симеон М., Монсан П., Гайхеде М., Сков Л.К. (март 2004 г.). «Кристаллическая структура ковалентного промежуточного продукта амилосахаразы Neisseria polysaccharea». Биохимия . 43 (11): 3104–10. дои : 10.1021/bi0357762 . ПМИД 15023061 .
^ «Исследователи-стоматологи: бактерии во рту: не слишком привязывайтесь» . 08.12.2010. Архивировано из оригинала 14 декабря 2010 г. Проверено 28 февраля 2014 г.
^ «В поисках лекарства от кариеса» . 12 мая 2011 г.
^ Физерстоун JD (сентябрь 2008 г.). «Кариес зубов: динамический болезненный процесс». Австралийский стоматологический журнал . 53 (3): 286–91. дои : 10.1111/j.1834-7819.2008.00064.x . ПМИД 18782377 .
^ «Микробиология кариеса зубов и заболеваний пародонта» . Медицинская микробиология . Медицинский филиал Техасского университета в Галвестоне. 1996. ISBN 978-0-9631172-1-2 .
^ Колби С.М., Маклафлин Р.Э., Ферретти Дж.Дж., Рассел Р.Р. (февраль 1999 г.). «Влияние инактивации генов gtf на прикрепление Streptococcus downei». Оральная микробиология и иммунология . 14 (1): 27–32. дои : 10.1034/j.1399-302x.1999.140103.x . ПМИД 10204477 .
^ Соэтарт В., Швенгерс Д., Бухгольц К., Вандамм Э.Дж. (январь 1995 г.). «Широкий спектр модификаций углеводов одним микроорганизмом: leuconostoc mesenteroides». Прогресс в биотехнологии . Том. 10. Эльзевир. стр. 351–358. дои : 10.1016/S0921-0423(06)80116-4 . ISBN 978-0-444-82223-9 .

Внешние ссылки

Глюкансакраза: молекула месяца Дэвид Гудселл, Банк данных белков RCSB
Обзор всей структурной информации, доступной в PDB для UniProt : Q5SBN3 (глюкансакраза) в PDBe-KB .

[crystalcaries-1] Jump up to: ^а ^б ^с Ито К., Ито С., Симамура Т., Вейанд С., Каварасаки Ю., Мисака Т., Абэ К., Кобаяши Т., Кэмерон А.Д., Ивата С. (апрель 2011 г.). «Кристаллическая структура глюкансахаразы возбудителя кариеса Streptococcus mutans». Журнал молекулярной биологии . 408 (2): 177–86. дои : 10.1016/j.jmb.2011.02.028 . ПМИД 21354427 .

[structurefunction-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ван Хиюм С.А., Краль С., Озимек Л.К., Дейхуйзен Л., ван Гил-Шуттен И.Г. (март 2006 г.). «Структурно-функциональные взаимоотношения ферментов глюкансахаразы и фруктансахаразы молочнокислых бактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 157–76. дои : 10.1128/MMBR.70.1.157-176.2006 . ПМЦ 1393251 . ПМИД 16524921 .

[pmid21118988-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж ^г ^час Вуйчич-Загар А., Пейнинг Т., Краль С., Лопес К.А., Эувема В., Дейхуизен Л. и др. (декабрь 2010 г.). «Кристаллическая структура фрагмента глюкансахаразы массой 117 кДа дает представление об эволюции и специфичности продукта ферментов GH70» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (50): 21406–11. Бибкод : 2010PNAS..10721406V . дои : 10.1073/pnas.1007531107 . ПМК 3003066 . ПМИД 21118988 .
Дункан Гир (07 декабря 2010 г.). «Фермент кариеса зубов идентифицирован и нацелен» . Проводной .

[4] Дункан Гир (07 декабря 2010 г.). «Фермент кариеса зубов идентифицирован и нацелен» . Проводной .

[pmid22796091-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и Лимхейс Х., Пейнинг Т., Добруховска Дж.М., ван Леувен С.С., Краль С., Дейкстра Б.В., Дейкхуизен Л. (январь 2013 г.). «Глюкансакразы: трехмерные структуры, реакции, механизм, анализ α-глюканов и их значение в биотехнологии и пищевых продуктах». Журнал биотехнологии . 163 (2): 250–72. doi : 10.1016/j.jbiotec.2012.06.037 . ПМИД 22796091 .

[pdb-5] Jump up to: ^а ^б «Глюкансахараза» . PDB101: Молекула месяца .

[6] МакГрегор Э.А., Йесперсен Х.М., Свенссон Б. (январь 1996 г.). «Циркулярно перестановленная альфа-/бета-бочковая структура альфа-амилазного типа в глюкан-синтезирующих глюкозилтрансферазах». Письма ФЭБС . 378 (3): 263–6. дои : 10.1016/0014-5793(95)01428-4 . ПМИД 8557114 .

[7] Цумори Х., Минами Т., Курамицу Х.К. (июнь 1997 г.). «Идентификация незаменимых аминокислот в глюкозилтрансферазах Streptococcus mutans» . Журнал бактериологии . 179 (11): 3391–6. дои : 10.1128/jb.179.11.3391-3396.1997 . ПМК 179127 . ПМИД 9171379 .

[Monchois_et_al_1999-8] Jump up to: ^а ^б Моншуа В., Виллемот Р.М., Монсан П. (апрель 1999 г.). «Глюкансахаразы: механизм действия и структурно-функциональные связи» . Обзоры микробиологии FEMS . 23 (2): 131–51. дои : 10.1111/j.1574-6976.1999.tb00394.x . ПМИД 10234842 .

[9] ван Хиюм С.А., Краль С., Озимек Л.К., Дейхуйзен Л., ван Гил-Шуттен И.Г. (март 2006 г.). «Структурно-функциональные взаимоотношения ферментов глюкансахаразы и фруктансахаразы молочнокислых бактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 157–76. дои : 10.1128/MMBR.70.1.157-176.2006 . ПМЦ 1393251 . ПМИД 16524921 .

[10] Робит Дж. Ф., Юн Ш., Мукерджи Р. (декабрь 2008 г.). «Дектранссахараза и механизм биосинтеза декстрана». Исследование углеводов . 343 (18): 3039–48. дои : 10.1016/j.carres.2008.09.012 . ПМИД 18922515 .

[11] Йенсен М.Х., Мирза О., Альбенн К., Ремо-Симеон М., Монсан П., Гайхеде М., Сков Л.К. (март 2004 г.). «Кристаллическая структура ковалентного промежуточного продукта амилосахаразы Neisseria polysaccharea». Биохимия . 43 (11): 3104–10. дои : 10.1021/bi0357762 . ПМИД 15023061 .

[12] «Исследователи-стоматологи: бактерии во рту: не слишком привязывайтесь» . 08.12.2010. Архивировано из оригинала 14 декабря 2010 г. Проверено 28 февраля 2014 г.

[13] «В поисках лекарства от кариеса» . 12 мая 2011 г.

[14] Физерстоун JD (сентябрь 2008 г.). «Кариес зубов: динамический болезненный процесс». Австралийский стоматологический журнал . 53 (3): 286–91. дои : 10.1111/j.1834-7819.2008.00064.x . ПМИД 18782377 .

[15] «Микробиология кариеса зубов и заболеваний пародонта» . Медицинская микробиология . Медицинский филиал Техасского университета в Галвестоне. 1996. ISBN 978-0-9631172-1-2 .

[16] Колби С.М., Маклафлин Р.Э., Ферретти Дж.Дж., Рассел Р.Р. (февраль 1999 г.). «Влияние инактивации генов gtf на прикрепление Streptococcus downei». Оральная микробиология и иммунология . 14 (1): 27–32. дои : 10.1034/j.1399-302x.1999.140103.x . ПМИД 10204477 .

[17] Соэтарт В., Швенгерс Д., Бухгольц К., Вандамм Э.Дж. (январь 1995 г.). «Широкий спектр модификаций углеводов одним микроорганизмом: leuconostoc mesenteroides». Прогресс в биотехнологии . Том. 10. Эльзевир. стр. 351–358. дои : 10.1016/S0921-0423(06)80116-4 . ISBN 978-0-444-82223-9 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]