Глутамат рацемаза
| Глутамат рацемаза | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 5.1.1.3 | ||
| Номер CAS. | 9024-08-2 | ||
| Базы данных | |||
| ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
| БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
| Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
| КЕГГ | КЕГГ запись | ||
| МетаЦик | метаболический путь | ||
| ПРЯМОЙ | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
| Генная онтология | АмиГО / QuickGO | ||
| |||
В энзимологии глутаматрацемаза ( MurI с большой буквы ) ( EC 5.1.1.3 ) — это фермент химическую , катализирующий реакцию .
- L-глутамат D-глутамат
Следовательно, этот фермент RacE имеет один субстрат — L-глутамат и один продукт — D-глутамат.
Этот фермент принадлежит к семейству изомераз , а именно к рацемазам и эпимеразам, действующим на аминокислоты и их производные, включая пролинрацемазу, аспартатрацемазу и диаминопимелатэпимеразу. [ 1 ] Этот фермент участвует в метаболизме глутамата , который необходим для клеточной стенки биосинтеза бактерий. [ 2 ] Глутаматрацемаза выполняет дополнительную функцию ингибирования гиразы , предотвращая связывание гиразы с ДНК. [ 3 ]
Глутаматрацемаза (MurI) выполняет две различные метаболические функции: во-первых, это критический фермент в биосинтезе клеточной стенки, [ 2 ] но также играет роль в ингибировании гиразы . [ 3 ] Способность глутаматрацемазы и других белков выполнять две различные функции известна как « подработка ».
Лунный фон
[ редактировать ]До открытия подрабатывающих белков ученые обычно считали, что фермент имеет только одну функцию, что привело к концепции «один ген, один фермент». Однако эта концепция больше не применяется в науке после открытия того, что некоторые белки выполняют как основные, так и второстепенные функции. Это привело к многочисленным исследованиям, пытающимся связать эти две функции друг с другом. Второстепенные функции этих уникальных ферментов называются «подработками», при которых белок может выполнять второстепенные функции, не зависящие от основной функции. Эти две функции подрабатывающего белка обнаружены в одной полипептидной цепи . Полифункциональные белки не включены из-за слияния генов, семейств гомологичных белков, вариантов сплайсинга или беспорядочной активности ферментов. Фермент глутаматрацемаза (MurI) является примером подрабатывающего белка, участвующего как в биосинтезе клеточной стенки бактерий , так и в ингибировании гиразы.
Структура
[ редактировать ]Размеры MurI составляют примерно 35 Å × 40 Å × 45 Å и состоят из двух компактных доменов α/β-структуры . [ 1 ] [ 4 ] Поскольку активный сайт находится между двумя доменами, N-концевой домен содержит остатки 1–97 и 207–264, а C-концевой домен включает остатки 98–206. [ 1 ] Это позволяет ферменту производить L-изомер из D-глутамата. Кроме того, N-домен состоит из пятинитевых β-листов по сравнению с четырехцепочечными β-листами C-домена. [ 1 ] Эти структурные характеристики не идентичны у MurI разных видов; S. pyogenes и B. subtilis на самом деле обладают наиболее структурно сходными ферментами MurI, которые когда-либо были обнаружены. Также нередко можно встретить МурИ в виде димера .
Активный центр, равномерно расположенный между N-доменом и C-доменом, также находится между двумя остатками цистеина . Он доступен растворителям, поскольку в активном центре находится несколько молекул воды, например W1. У некоторых видов активный центр также включает сульфат -ионы, образующие водородные связи на амидной основной цепи и боковых цепях . [ 1 ] [ 5 ]
Функция
[ редактировать ]Синтез бактериальной стенки
[ редактировать ]| Глутамат рацемаза | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Организм | |||
| Символ | позже | ||
| Входить | 948467 | ||
| RefSeq (защита) | НП_418402 | ||
| ЮниПрот | P22634 | ||
| Другие данные | |||
| Номер ЕС | 5.1.1.3 | ||
| хромосома | геном: 4,16 - 4,16 Мб | ||
| |||
Глутаматрацемаза — бактериальный фермент, кодируемый murI геном . Этот фермент наиболее известен как ответственный за синтез клеточных стенок бактерий. Экспериментально было обнаружено, что этот фермент способен строить клеточные стенки путем синтеза D-глутамата из L-глутамата посредством рацемизации . [ 4 ] D-глутамат — мономер пептидогликанового слоя клеточных стенок прокариот. Пептидогликан является важным структурным компонентом клеточной стенки бактерий. Слой пептидогликана также отвечает за жесткость клеточной стенки. [ 6 ] Этот процесс, в котором MurI помогает катализировать взаимное превращение энантиомеров глутамата, таких как L-глутамат, в незаменимый D-глутамат, также не зависит от кофакторов. Таким образом, она может протекать без необходимости в дополнительном источнике, который мог бы связываться с аллостерическим участком, изменяя форму фермента, чтобы способствовать катализу реакции. [ 7 ] Мурл включает двухэтапный процесс катализа энантиомеров глутамата до D-глутамата. Первым шагом является депротонирование субстрата с образованием аниона. [ 7 ] Впоследствии субстрат репротонируется. Как только глутамат оказывается в активном центре фермента, он претерпевает очень большие конформационные изменения своих доменов. Это изменение помогает наложить два каталитических остатка цистеина, Cys73 и Cys184, расположенные по обе стороны субстрата в равных положениях. Упомянутые ранее домены симметричны, и эта симметрия предполагает, что рацемазная активность белка могла возникнуть в результате дупликации генов. [ 5 ] Благодаря этой основной функции биосинтеза клеточных стенок бактерий, MurI стал использоваться в качестве антибактериального средства при разработке лекарств. [ 8 ]
Ингибирование гиразы
[ редактировать ]Наряду со своей основной функцией биосинтеза клеточной стенки, подрабатывающий белок глутамат рацемаза также функционирует независимо как ингибитор гиразы. [ 2 ] Присутствующий в некоторых формах бактерий, MurI снижает активность ДНК-гиразы, предотвращая связывание гиразы с ДНК. [ 2 ] Когда гираза связывается с ДНК, фермент уменьшает натяжение нитей ДНК по мере их раскручивания и заставляет нити становиться сверхскрученными. [ 9 ] Это критический этап репликации ДНК в этих клетках, который приводит к размножению бактериальных клеток. [ 10 ] Присутствие глутаматрацемазы в этом процессе препятствует эффективному связыванию гиразы с ДНК за счет деформации формы активного центра фермента. По сути, он не позволяет гиразе катализировать реакцию, которая раскручивает нити ДНК. [ 10 ]
Эта функция МурИ была обнаружена экспериментально. ДНК-гиразу инкубировали с ферментом MurI, а затем добавляли к образцу ДНК; Результаты этого эксперимента показали ингибирование активности суперспирализации в присутствии MurI. [ 2 ] Функция биосинтеза клеточной стенки MurI не связана напрямую с его подработкой. Способность MurI ингибировать связывание гиразы может действовать независимо от его основной функции. [ 2 ] Это означает, что ДНК-гираза, в свою очередь, не будет оказывать никакого влияния на рацемизацию MurI, что было подтверждено при исследовании рацемизации в присутствии ДНК-гиразы и без нее. [ 2 ] В ходе экспериментального анализа было установлено, что MurI использует два разных ферментативных активных центра для своих двух функций. Это было показано включением субстрата рацемазы L-глутамата в анализ с отделенным сайтом ингибирования гиразы. Ингибирование гиразы происходит как при сверхспиральной, так и при релаксирующей активности ДНК-гиразы, и исследование пришло к выводу, что ингибирующая активность может продолжаться без изменений в присутствии субстрата рацемазы. [ 10 ] Это означает, что обе функции могут выполняться независимо друг от друга, на непересекающихся сайтах, что делает MurI настоящим белком, работающим по совместительству. [ 2 ] В ходе исследования было доказано, что мутантные формы MurI, которые не способны проявлять свою рацемазную функцию, независимо от того, насколько нарушены их рацемазные способности, способны осуществлять ингибирование ДНК-гиразы с результатами, сравнимыми с немутантной формой MurI. [ 10 ]
Связь между основными и совместительными функциями
[ редактировать ]Глутаматрацемаза (MurI) обеспечивает множество функций бактериальных клеток. MurI — это фермент, который прежде всего известен своей ролью в синтезе клеточных стенок бактерий. Выполняя функцию синтеза клеточной стенки, MurI также действует как ингибитор гиразы, предотвращая связывание гиразы с ДНК. Было показано, что эти два процесса не связаны между собой. [ 2 ] Чтобы выяснить влияние ингибирования гиразы на синтез клеточной стенки, измеряли эффективность превращения D-глутамата в L-глутамат при варьировании концентрации ДНК-гиразы. И наоборот, влияние образования клеточной стенки на ингибирование гиразы было обнаружено путем изменения концентрации субстрата рацемизации. [ 2 ] Результаты этих экспериментов позволяют сделать вывод об отсутствии существенного влияния рацемизации на ингибирование гиразы или наоборот. [ 2 ] Две функции MurI действуют независимо друг от друга, подтверждая тот факт, что MurI является белком, работающим по совместительству.
Связь с активным сайтом
[ редактировать ]
Известно, что глутаматрацемаза использует свой активный центр для рацемизации и участия в пути биосинтеза клеточной стенки бактерий. [ 2 ] На основании гомологии с другими рацемазами и эпимеразами считается, что глутаматрацемаза использует два цистеиновых остатка в активном центре в качестве кислотно-основных катализаторов. [ 7 ] Однако неожиданно замена любого из двух остатков серином существенно не изменила скорость реакции; значение kcat оставалось в пределах от 0,3% до 3% по сравнению с ферментом дикого типа . [ 7 ] Судя по предыдущим исследованиям, наиболее вероятно, что активный центр MurI, который осуществляет рацемизацию, не является тем же активным сайтом, который подвергается ингибированию гиразы. Чтобы выяснить влияние ингибирования гиразы на синтез клеточной стенки, измеряли эффективность превращения D-глутамата в L-глутамат при варьировании концентрации ДНК-гиразы. И наоборот, влияние образования клеточной стенки на ингибирование гиразы было обнаружено путем изменения концентрации субстрата рацемизации. Было показано, что эти две функции нейтральны друг к другу. [ 2 ] Другими словами, субстраты рацемизации нейтральны к ингибированию гиразы, а ДНК-гираза не влияет на рацемизацию. Это объясняет, почему глутаматрацемаза в некоторых бактериях, таких как Glr из B. subtilis , не ингибирует гиразу; [ 12 ] если бы один активный сайт выполнял обе функции, такая независимость была бы невозможна. Следовательно, во взаимодействии с гиразой участвует другой сайт MurI, удаленный от его активного сайта. [ 2 ]
Регуляция ферментов
[ редактировать ]Этот белок может использовать морфеиновую модель аллостерической регуляции . [ 13 ]
Приложение
[ редактировать ]Глутаматрацемаза стала потенциальной антибактериальной мишенью, поскольку продукт этого фермента, D-глутамат, является важным компонентом бактериальных стенок. Ингибирование фермента предотвратит образование бактериальной стенки и в конечном итоге приведет к лизису бактериальной клетки под действием осмотического давления. Кроме того, глутаматрацемаза не экспрессируется и не является продуктом этого фермента. D-глутамат обычно обнаруживается у млекопитающих, поэтому ингибирование этого фермента не должно приводить к токсичности для организма-млекопитающего-хозяина. [ 5 ] Возможные ингибиторы MurI включают азиридиноглутамат, который алкилирует каталитические цистеины; N-гидроксиглутамат, который, имитируя Wat2 (молекулу связанной воды, которая взаимодействует с аминогруппой глутамата), предотвращает связывание субстрата; [ 5 ] или аналоги 4-замещенной D-глутаминовой кислоты, несущие арильные, гетероарил-, циннамил- или биарилметильные заместители, которые также предотвращают связывание субстрата. [ 5 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Перейти обратно: а б с д и Ким К.Х., Бонг Ю.Дж., Пак Дж.К., Шин К.Дж., Хван К.Ю., Ким Э.Э. (сентябрь 2007 г.). «Структурная основа ингибирования глутаматрацемазы». Дж. Мол. Биол . 372 (2): 434–43. дои : 10.1016/j.jmb.2007.05.003 . ПМИД 17658548 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я дж к л м н Сенгупта С., Гош С., Нагараджа В. (сентябрь 2008 г.). «Подрабатывающая функция глутаматрацемазы микобактерии туберкулеза: рацемизация и ингибирование ДНК-гиразы являются двумя независимыми видами деятельности фермента» . Микробиология . 154 (Часть 9): 2796–803. дои : 10.1099/mic.0.2008/020933-0 . ПМИД 18757813 .
- ^ Перейти обратно: а б Рис Р.Дж., Максвелл А. (1991). «ДНК-гираза: строение и функции». Крит. Преподобный Биохим. Мол. Биол . 26 (3–4): 335–75. дои : 10.3109/10409239109114072 . ПМИД 1657531 .
- ^ Перейти обратно: а б Хван К.Ю., Чо К.С., Ким С.С., Сунг Х.К., Ю Ю.Г., Чо Ю. (май 1999 г.). «Структура и механизм глутаматрацемазы Aquifexyrophilus». Нат. Структура. Биол . 6 (5): 422–6. дои : 10.1038/8223 . ПМИД 10331867 . S2CID 10925922 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и Ружейников С.Н., Таал М.А., Седельникова С.Е., Бейкер П.Дж., Райс Д.В. (ноябрь 2005 г.). «Вызванные субстратом конформационные изменения глутаматрацемазы Bacillus subtilis и их значение для открытия лекарств» . Структура . 13 (11): 1707–13. дои : 10.1016/j.str.2005.07.024 . ПМИД 16271894 .
- ^ Шлейфер К.Х., Кандлер О. (декабрь 1972 г.). «Типы пептидогликана клеточных стенок бактерий и их таксономическое значение» . Бактериол Рев . 36 (4): 407–77. дои : 10.1128/MMBR.36.4.407-477.1972 . ПМК 408328 . ПМИД 4568761 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Главас С., Таннер М.Е. (май 2001 г.). «Остатки активного центра глутаматрацемазы». Биохимия . 40 (21): 6199–204. дои : 10.1021/bi002703z . ПМИД 11371180 .
- ^ Лундквист Т., Фишер С.Л., Керн Г., Фолмер Р.Х., Сюэ Ю, Ньютон Д.Т., Китинг Т.А., Алм Р.А., де Йонге Б.Л. (июнь 2007 г.). «Использование структурного и регуляторного разнообразия глутаматрацемаз». Природа . 447 (7146): 817–22. Бибкод : 2007Natur.447..817L . дои : 10.1038/nature05689 . ПМИД 17568739 . S2CID 4408683 .
- ^ Сенгупта С., Шах М., Нагараджа В. (2006). «Глутаматрацемаза Mycobacterium Tuberculosis ингибирует ДНК-гиразу, влияя на ее связывание с ДНК» . Нуклеиновые кислоты Рез . 34 (19): 5567–76. дои : 10.1093/nar/gkl704 . ПМЦ 1635304 . ПМИД 17020913 .
- ^ Перейти обратно: а б с д Сенгупта С., Нагараджа В. (февраль 2008 г.). «Ингибирование активности ДНК-гиразы Mycobacterium smegmatis MurI» . ФЭМС Микробиол. Летт . 279 (1): 40–7. дои : 10.1111/j.1574-6968.2007.01005.x . ПМИД 18177305 .
- ^ PDB : 2OHV ; Ким К.Х., Бонг Ю.Дж., Пак Дж.К., Шин К.Дж., Хван К.Ю., Ким Э.Э. (сентябрь 2007 г.). «Структурная основа ингибирования глутаматрацемазы». Дж. Мол. Биол . 372 (2): 434–43. дои : 10.1016/j.jmb.2007.05.003 . ПМИД 17658548 .
- ^ Ашиучи М., Кувана Э., Комацу К., Сода К., Мисоно Х. (июнь 2003 г.). «Различия во влиянии на активность ДНК-гиразы между двумя глутаматрацемазами Bacillus subtilis, ферментом Glr, связывающим синтез полигамма-глутамата, и изоферментом YrpC (MurI)» . ФЭМС Микробиол. Летт . 223 (2): 221–5. дои : 10.1016/s0378-1097(03)00381-1 . ПМИД 12829290 .
- ^ Т. Селвуд; ЭК Яффе. (2011). «Динамическая диссоциация гомоолигомеров и контроль функции белка» . Арх. Биохим. Биофиз . 519 (2): 131–43. дои : 10.1016/j.abb.2011.11.020 . ПМЦ 3298769 . ПМИД 22182754 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Глейзер Л. (1960). «Рацемаза глутаминовой кислоты из Lactobacillus arabinosus» . Ж. Биол. Хим . 235 (7): 2095–8. дои : 10.1016/S0021-9258(18)69369-X . ПМИД 13828348 .
