Пирролизин
 | |
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК Пирролизин [1] | |
| Систематическое название ИЮПАК Н 6 -{[(2R , 3R ) -3-метил-3,4-дигидро-2Н - пиррол-2-ил]карбонил} -L -лизин | |
| Другие имена (2S ) -2-амино-6-{[(2R , 3R ) -3-метил-3,4-дигидро- 2H -пиррол-2-карбонил]амино}гексановая кислота Н 6 -(4-метил-1,2-дидегидропирролидин-5-карбоксил)-L - лизин аддукт лизина, кофактор монометиламинметилтрансферазы | |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol ) | |
| ЧЭБИ | |
| ХимическийПаук | |
| КЕГГ | |
ПабХим CID | |
| НЕКОТОРЫЙ | |
Панель управления CompTox ( EPA ) | |
| Характеристики | |
| С 12 Н 21 Н 3 О 3 | |
| Молярная масса | 255.313 g/mol |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа). | |
Pyrrolysine (symbol Pyl or O ; [2] кодируется «янтарным» стоп-кодоном UAG ) — α-аминокислота , которая используется в биосинтезе белков у некоторых метаногенных архей и бактерий ; [3] [4] его нет у людей. Он содержит α-аминогруппу (которая находится в протонированной форме – NH +
3 образуется в биологических условиях ) и группу карбоновой кислоты (которая находится в депротонированном –COO − форму в биологических условиях). Его пирролиновая боковая цепь аналогична боковой цепи лизина , поскольку она является основной и положительно заряженной при нейтральном pH. [ нужна ссылка ]
Генетика
[ редактировать ]Почти все гены транслируются с использованием всего лишь 20 стандартных аминокислотных блоков. Две необычные генетически закодированные аминокислоты — это селеноцистеин и пирролизин. Пирролизин был обнаружен в 2002 году в активном центре фермента метилтрансферазы метанпродуцирующего археона Methanosarcina barkeri . [5] [6] Эта аминокислота кодируется UAG (обычно стоп-кодоном), а ее синтез и включение в белок опосредуется биологическим механизмом, кодируемым кластером pylTSBCD . генов [4]
Состав
[ редактировать ]По данным рентгеновской кристаллографии. [6] и MALDI масс-спектрометрии пирролизин состоит из 4-метилпирролина - 5- карбоксилата в амидной связи с е Н. лизина . [7]
Синтез
[ редактировать ]Пирролизин синтезируется in vivo путем соединения двух молекул L -лизина. Одна молекула лизина сначала превращается в (3R ) -3-метил- D -орнитин , который затем лигируется со вторым лизином. Группу NH 2 удаляют с последующей стадией циклизации и дегидратации с получением L -пирролизина. [8]
Каталитическая функция
[ редактировать ]Дополнительное пирролиновое кольцо включено в активный центр нескольких метилтрансфераз , где, как полагают, оно вращается относительно свободно. Считается, что кольцо участвует в позиционировании и отображении метильной группы метиламина для атаки корриноидным кофактором. Предлагаемая модель заключается в том, что близлежащий карбоновую кислоту остаток, несущий , глутамат , становится протонированным , и затем протон может быть перенесен на азот иминного кольца, подвергая соседний углерод кольца нуклеофильному присоединению метиламина. Положительно заряженный азот, созданный в результате этого взаимодействия, может затем взаимодействовать с депротонированным глутаматом, вызывая сдвиг ориентации кольца и подвергая метильную группу, полученную из метиламина, воздействию щели связывания, где она может взаимодействовать с корриноидом. Таким образом, чистый CH +
3 кофактора переносится на атом кобальта с изменением степени окисления с I на III. полученный из метиламина Затем выделяется аммиак, , восстанавливая исходный имин. [6]
Генетическое кодирование
[ редактировать ]В отличие от посттрансляционных модификаций лизина, таких как гидроксилизин , метиллизин и гипузин , пирролизин включается во время трансляции ( синтеза белка ) в соответствии с указаниями генетического кода , точно так же, как стандартные аминокислоты . Он кодируется в мРНК UAG кодоном , который у большинства организмов является «янтарным» стоп-кодоном . Для этого требуется только наличие гена pylT , который кодирует необычную транспортную РНК (тРНК) с антикодоном CUA, и гена pylS , который кодирует класса II аминоацил-тРНК-синтетазу , которая заряжает тРНК, полученную из pylT , пирролизином.
Эта новая пара тРНК-aaRS («ортогональная пара») не зависит от других синтетаз и тРНК в Escherichia coli и, кроме того, обладает некоторой гибкостью в диапазоне обрабатываемых аминокислот, что делает ее привлекательным инструментом, позволяющим размещать возможно широкий диапазон аминокислот. функциональных химических групп в произвольно определенных местах в модифицированных белках. [9] [10] Например, система обеспечивала один из двух флуорофоров , сайт-специфически включенных в кальмодулин , что позволяло исследовать изменения в белке в режиме реального времени с помощью FRET -спектроскопии. [11] и сайт-специфическое введение производного лизина с фотоклеткой . [12] (См. Расширенный генетический код )
Первоначально было высказано предположение, что специфическая последовательность «PYLIS» , образующая « стебель-петлю» в мРНК , вызывает включение пирролизина вместо завершения трансляции у метаногенных архей. Это было бы аналогично элементу SECIS для включения селеноцистеина. [13] Однако модель PYLIS потеряла популярность из-за отсутствия структурной гомологии между элементами PYLIS и отсутствия UAG-остановок у этих видов. [14]
Эволюция
[ редактировать ]Гены pylT (аа- тРНК тРНК) и pylS -синтаза) являются частью оперона Methanosarcina ( barkeri с гомологами у других секвенированных членов семейства Methanosarcinaceae : M. acetivorans , M. mazei и M. thermophila . Известно, что к пирролизинсодержащим белкам относятся монометиламинметилтрансфераза (mtmB), диметиламинметилтрансфераза (mtbB) и триметиламинметилтрансфераза (mttB). Гомологи pylS pylT и Methanosarcina также были обнаружены у антарктической археи barkeri и грамположительной бактерии Desulfitobacterium hafniense . [13] [15] Другие гены оперона Pyl опосредуют биосинтез пирролизина, что приводит к описанию оперона как «кассеты расширения естественного генетического кода». [16]
Для пирролизиновой системы был предложен ряд сценариев эволюции. Текущая точка зрения (2022 г.), учитывая доступные последовательности генов тРНК и Pyl-тРНК (PylRS)-синтазы, заключается в следующем: [17]
- тРНК(Pyl) разошлась с тРНК(Phe) в какой-то момент между расхождением трёх доменов (~ LUCA ) и расхождением архейных типов, но была потеряна в неархейных линиях; [17]
- PylRS произошел от общего предка всех архей . Известен ряд доменных организаций PylRS: сам pylS состоит из N-концевого тРНК-связывающего домена и С-концевого синтазного домена, но другие организации состоят из двух доменов в отдельных белках или белка, состоящего из одиночного С-концевого домена. терминальный домен. CTD, вероятно, возник из-за PheRS. NTD — это архейная инновация, не имеющая известных родственников. Предковый PylRS, вероятно, принял конфигурацию «два отдельных белка». [17]
- «Кассета расширения генетического кода» позже была перенесена в различные бактерии . PylRS этой кассеты имеет конфигурацию с разделенными доменами. [17]
Более ранние эволюционные сценарии были ограничены таксономическим диапазоном известных синтаз:
- В 2007 году, когда использование этой аминокислоты оказалось ограниченным Methanosarcinaceae , система была описана как «позднее архейное изобретение», посредством которого к генетическому коду была добавлена 21-я аминокислота. [18] Сейчас известно, что эти два гена есть у широкого круга прокариот. [17]
- В 2009 году сравнение структур показало, что PylRS, возможно, возник в LUCA , но сохранялся только в организмах, использующих метиламины в качестве источников энергии. [19] Сейчас известно, что некоторые неметаногены также имеют эти два гена, но их датировка не за горами. [17]
- В 2009 году было высказано предположение, что система могла мигрировать в бактерии путем горизонтального переноса генов . [20] Вероятно, это правда, если судить по исследованию 2022 года, хотя изначально в статье предполагалась связь с метаногенезом. [17]
Возможность альтернативного перевода.
[ редактировать ]ТРНК (CUA) может быть заряжена лизином in vitro за счет согласованного действия синтетаз лизил-тРНК класса I и класса II M. barkeri , которые не распознают пирролизин. Первоначально предполагалось, что зарядка тРНК (CUA) лизином является первым шагом в трансляции янтарных кодонов UAG в пирролизин, механизм, аналогичный тому, который используется для селеноцистеина . Более поздние данные говорят в пользу прямой зарядки пирролизина тРНК(CUA) белковым продуктом гена pylS , что приводит к предположению, что комплекс LysRS1:LysRS2 может участвовать в параллельном пути, предназначенном для обеспечения того, чтобы белки, содержащие кодон UAG, могли полностью транслироваться с использованием лизина в качестве замены аминокислоты в случае дефицита пирролизина. [21] Дальнейшие исследования показали, что гены, кодирующие LysRS1 и LysRS2, не необходимы для нормального роста на метаноле и метиламинах с нормальным уровнем метилтрансферазы, и они не могут заменить pylS в рекомбинантной системе для подавления янтарного стоп-кодона UAG. [22]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Международный союз теоретической и прикладной химии (2014). Номенклатура органической химии: Рекомендации ИЮПАК и предпочтительные названия 2013 . Королевское химическое общество . п. 1392. дои : 10.1039/9781849733069 . ISBN 978-0-85404-182-4 .
- ^ «Номенклатура и символика аминокислот и пептидов» . Совместная комиссия IUPAC-IUB по биохимической номенклатуре. 1983. Архивировано из оригинала 9 октября 2008 года . Проверено 5 марта 2018 г.
- ^ Ричард Каммак, изд. (2009). «Вестник 2009» . Комитет по биохимической номенклатуре ИЮПАК и NC-IUBMB. Пирролизин. Архивировано из оригинала 12 сентября 2017 г. Проверено 16 апреля 2012 г.
- ^ Перейти обратно: а б Ротер, Майкл; Кшицкий, Джозеф А. (1 января 2010 г.). «Селеноцистеин, пирролизин и уникальный энергетический метаболизм метаногенных архей» . Архея . 2010 : 1–14. дои : 10.1155/2010/453642 . ISSN 1472-3646 . ПМЦ 2933860 . ПМИД 20847933 .
- ^ Шринивасан, Г; Джеймс, CM; Кшицкий, Ю.А. (24 мая 2002 г.). «Пирролизин, кодируемый UAG в архее: зарядка специализированной тРНК, декодирующей UAG». Наука . 296 (5572): 1459–1462. Бибкод : 2002Sci...296.1459S . дои : 10.1126/science.1069588 . ПМИД 12029131 . S2CID 28593085 .
- ^ Перейти обратно: а б с Хао, Бинг; Гонг; Фергюсон; Джеймс; Кшицкий; Чан (24 мая 2002 г.). «Новый UAG-кодируемый остаток в структуре метаногенметилтрансферазы». Наука . 296 (5572): 1462–1466. Бибкод : 2002Sci...296.1462H . дои : 10.1126/science.1069556 . ПМИД 12029132 . S2CID 35519996 .
- ^ Соарес, Ж.А.; Чжан, Л; Питч, РЛ; Кляйнхольц, Нью-Мексико; Джонс, РБ; Вольф, Джей-Джей; Амстер, Дж; Зеленая Церковь, КБ; Кшицкий, Ю.А. (4 ноября 2005 г.). «Остаточная масса L -пирролизина в трех различных метиламинметилтрансферазах» . Журнал биологической химии . 280 (44): 36962–36969. дои : 10.1074/jbc.M506402200 . ПМИД 16096277 .
- ^ Гастон, Марша А.; Чжан; Зеленая Церковь; Кшицкий (31 марта 2011 г.). «Полный биосинтез генетически кодируемой аминокислоты пирролизина из лизина» . Природа . 471 (7340): 647–50. Бибкод : 2011Natur.471..647G . дои : 10.1038/nature09918 . ПМК 3070376 . ПМИД 21455182 .
- ^ Хао, Б; Чжао, Г; Канг, ПТ; Соарес, Ж.А.; Фергюсон, ТК; Галлуччи, Дж; Кржицкий, Дж. А.; Чан, МК (сентябрь 2004 г.). «Реакционная способность и химический синтез L -пирролизина – 22-й генетически кодируемой аминокислоты» . Химия и биология . 11 (9): 1317–24. doi : 10.1016/j.chembiol.2004.07.011 . ПМИД 15380192 .
- ^ Ли, WT; Махапатра, А; Лонгстафф, генеральный директор; Бектель, Дж; Чжао, Г; Канг, ПТ; Чан, МК; Кшицкий, Я.А. (январь 2009 г.). «Специфичность пирролизил-тРНК-синтетазы к пирролизину и аналогам пирролизина». Журнал молекулярной биологии . 385 (4): 1156–64. дои : 10.1016/j.jmb.2008.11.032 . ПМИД 19063902 .
- ^ Фекнер, Т; Ли, Х; Ли, ММ; Чан, МК (2009). «Аналог пирролизина для химии белковых кликов». Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 48 (9): 1633–5. дои : 10.1002/anie.200805420 . ПМИД 19156778 .
- ^ Чен, PR; Грофф, Д; Го, Дж; Оу, В; Челлити, С; Гейерстангер, Британская Колумбия; Шульц, П.Г. (2009). «Простая система кодирования неприродных аминокислот в клетках млекопитающих» . Angewandte Chemie International Edition на английском языке . 48 (22): 4052–5. дои : 10.1002/anie.200900683 . ПМЦ 2873846 . ПМИД 19378306 .
- ^ Перейти обратно: а б Рассмотрено в Чжан, Ю; Баранов П.В.; Аткинс, Дж. Ф.; Гладышев В.Н. (27 мая 2005 г.). «Пирролизин и селеноцистеин используют разные стратегии декодирования» . Журнал биологической химии . 280 (21): 20740–20751. дои : 10.1074/jbc.M501458200 . ПМИД 15788401 .
- ^ Нэми, Оливье; Чжоу, Ю; Гундллапалли, Сарат; Поликарпо, Карла Р.; Дениз, Ален; Руссе, Жан-Пьер; Зёлль, Дитер; Амброджелли, Александр (ноябрь 2007 г.). «Добавление пирролизина в генетический код Escherichia coli » . Письма ФЭБС . 581 (27): 5282–5288. дои : 10.1016/j.febslet.2007.10.022 . ПМИД 17967457 .
- ^ Чжан, Ю; Гладышев В.Н. (2007). «Высокое содержание белков, содержащих 21-ю и 22-ю аминокислоты, селеноцистеин и пирролизин, в симбиотической дельтапротеобактерии бескишечного червя Olavius algarvensis» . Исследования нуклеиновых кислот . 35 (15): 4952–4963. дои : 10.1093/нар/gkm514 . ЧВК 1976440 . ПМИД 17626042 .
- ^ Лонгстафф, генеральный директор; Ларю, Колорадо; Фауст, Дж. Э.; Махапатра, А; Чжан, Л; Зеленая Церковь, КБ; Кшицкий, Ю.А. (16 января 2007 г.). «Кассета расширения естественного генетического кода обеспечивает трансмиссивный биосинтез и генетическое кодирование пирролизина» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (3): 1021–6. Бибкод : 2007PNAS..104.1021L . дои : 10.1073/pnas.0610294104 . ПМЦ 1783357 . ПМИД 17204561 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Го, LT; Амикура, К; Цзян, Гонконг; Мукаи, Т; Фу, Х; Ван, Ю.С.; О'Донохью, П; Зёлль, Д; Тарп, Дж. М. (ноябрь 2022 г.). «Предковые археи расширили генетический код пирролизином» . Журнал биологической химии . 298 (11): 102521. doi : 10.1016/j.jbc.2022.102521 . ПМК 9630628 . ПМИД 36152750 .
- ^ Амброгелли, А; Гундллапалли, С; Сельдь, С; Поликарпо, К; Фрауэр, К; Зёлль, Д. (27 февраля 2007 г.). «Пирролизин не предназначен для котрансляционной вставки в кодоны UAG» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 104 (9): 3141–3146. Бибкод : 2007PNAS..104.3141A . дои : 10.1073/pnas.0611634104 . ПМК 1805618 . ПМИД 17360621 .
- ^ Нодзава, К; О'Донохью, П; Гундллапалли, С; Арайсо, Ю; Ишитани, Р; Умехара, Т; Зёлль, Д; Нуреки, О (26 февраля 2009 г.). «Пирролизил-тРНК-синтетаза: структура тРНКПила раскрывает молекулярную основу ортогональности» . Природа . 457 (7233): 1163–1167. Бибкод : 2009Natur.457.1163N . дои : 10.1038/nature07611 . ПМЦ 2648862 . ПМИД 19118381 .
- ^ Фурнье, Дж. (2009). «Горизонтальный перенос генов и эволюция метаногенных путей». Горизонтальный перенос генов . Методы молекулярной биологии. Том. 532. стр. 163–79. дои : 10.1007/978-1-60327-853-9_9 . ISBN 978-1-60327-852-2 . ПМИД 19271184 .
- ^ Поликарпо, К; Амброгелли, А; Берубе, А; Винбуш, С.М.; Макклоски, Дж.А.; Крейн, П.Ф.; Вуд, Дж.Л.; Зёлль, Д. (24 августа 2004 г.). «Аминоацил-тРНК-синтетаза, специфически активирующая пирролизин» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 101 (34): 12450–12454. Бибкод : 2004PNAS..10112450P . дои : 10.1073/pnas.0405362101 . ПМК 515082 . ПМИД 15314242 .
- ^ Махапатра, А; Шринивасан, Г; Рихтер, КБ; Мейер, А; Линард, Т; Чжан, Дж. К.; Чжао, Г; Канг, ПТ; Чан, М; Готшальк, Г; Меткалф, WW; Кшицкий, Ю.А. (июнь 2007 г.). «Мутанты лизил-тРНК-синтетазы класса I и класса II и генетическое кодирование пирролизина в Methanosarcina spp». Молекулярная микробиология . 64 (5): 1306–18. дои : 10.1111/j.1365-2958.2007.05740.x . ПМИД 17542922 . S2CID 26445329 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Аткинс, Дж. Ф.; Гестеланд, Р. (2002). «22-я аминокислота». Наука . 296 (5572): 1409–1410. дои : 10.1126/science.1073339 . ПМИД 12029118 . S2CID 82054110 .
- Кшицкий, Ю.А. (2005). «Прямое генетическое кодирование пирролизина». Современное мнение в микробиологии . 8 (6): 706–712. дои : 10.1016/j.mib.2005.10.009 . ПМИД 16256420 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Ярнелл, Аманда (27 мая 2002 г.). «Идентифицирована 22-я аминокислота» . Новости химии и техники . 80 (21): 13. doi : 10.1021/cen-v080n021.p013 . ISSN 0009-2347 .
