Серингидроксиметилтрансфераза
Серингидроксиметилтрансфераза | |||
---|---|---|---|
![]() Серингидроксиметилтрансфераза 1 (цитозоль), гомотетрамер, человек | |||
Идентификаторы | |||
Номер ЕС. | 2.1.2.1 | ||
Номер CAS. | 9029-83-8 | ||
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 | ||
|

Серингидроксиметилтрансфераза (SHMT) представляет собой пиридоксальфосфат (PLP) (витамин B 6 ) -зависимый фермент ( EC 2.1.2.1 ), который играет важную роль в клеточных одноуглеродных путях, катализируя обратимые, одновременные превращения L - серина в глицин и тетрагидрофолат (ТГФ) в 5,10-метилентетрагидрофолат (5,10-СН 2 -ТГФ). [1] Эта реакция обеспечивает большую часть одноуглеродных единиц, доступных клетке. [2]
Структура
[ редактировать ]Структура мономера SHMT одинакова у прокариот и эукариот , но, хотя у прокариот активный фермент представляет собой димер, в эукариотических клетках фермент существует в виде тетрамера, хотя эволюционная основа этого различия в структуре неизвестна. [1] Однако эволюционный путь, пройденный SHMT от прокариотической димерной формы к эукариотической тетрамерной форме, можно легко рассматривать как своего рода событие удвоения. Другими словами, эукариотический тетрамер SHMT напоминает два прокариотических димера, которые упакованы вместе, образуя то, что было описано как «димер из димеров». [3] Было обнаружено, что взаимодействие между двумя мономерами внутри димерной субъединицы происходит на большей площади контакта и, следовательно, намного более тесное, чем взаимодействие между двумя димерами. [3] Сериновая гидроксиметилтрансфераза 2 человека (SHMT2) регулирует реакции переноса одного углерода, необходимые для метаболизма аминокислот и нуклеотидов, а также регулируемое переключение между димерными и тетрамерными формами SHMT2, которое индуцируется пиридоксальфосфатом . [4] недавно было показано, что он участвует в регуляции деубиквитилазного комплекса BRISC, связывая метаболизм с воспалением. Димер SHMT2, но не связанный с PLP тетрамер, является мощным ингибитором мультимерного комплекса BRISC, раскрывая потенциальный механизм регуляции воспаления SHMT2. [5]
Одиночный мономер SHMT можно разделить на три домена: «плечо» N-конца , «большой» домен и «маленький» домен. [3] N-концевое плечо, по-видимому, поддерживает тесное взаимодействие между двумя мономерами. Плечо, состоящее из двух альфа-спиралей и бета-листа , оборачивается вокруг другого мономера, когда он находится в олигомерной форме. [3] «Большой» домен содержит сайт связывания PLP , как это наблюдается в других PLP-зависимых белках, таких как аспартатаминотрансфераза . [3] Большой домен эукариотической формы также содержит гистидин, необходимый для стабильности тетрамера. [3] Все четыре гистидина этих остатков, по одному от каждого мономера, расположены в центре тетрамерного комплекса, где два гистидина из димерной субъединицы участвуют в штабелирующих взаимодействиях с гистидинами другой субъединицы. [3] Прокариотический SHMT имеет остаток пролина, а не гистидина в эквивалентном положении, что частично объясняет, почему прокариотический SHMT не образует тетрамеры. [6]
Структура активного центра высоко консервативна у эукариотических и прокариотических форм. PLP закрепляется с помощью лизина , который образует альдиминовую связь основания Шиффа PLP с альдегидом . [7] Была выдвинута гипотеза, что близлежащий тирозин действует как донор и акцептор протонов на стадии трансадиминирования, а также на стадии переноса формила , и что остаток аргинина вовлекает боковую цепь тирозина во взаимодействие катион-π , что помогает снизить рК а. тирозина, снижая барьер для переноса протонов. [7]
Механизм
[ редактировать ]Механизм, обычно приписываемый ферментативной активности SHMT, представляет собой трансамидирование с последующим отщеплением боковой цепи аминокислоты от основной цепи. [7] N-концевой амин серина осуществляет нуклеофильную атаку на альдимин между лизином SHMT (внутренний альдимин) и альдегидом PLP с образованием гем-диамина, а затем неподеленная пара N-концевого амина спускается, чтобы вытеснить лизин, образуя новый альдимин, на этот раз с серином (Внешний альдимин). [7] [8] Считается, что близлежащий тирозин отвечает за большую часть переносов протонов, происходящих во время трансальдиминирования. [7] [9] [10]

Как только серин связывается с PLP, PLP запускает α-элиминирование гидроксиметильной группы субстрата (серина). Эта группа высвобождается в виде молекулы формальдегида, поскольку находящийся поблизости глутамат отрывает протон от гидроксильной группы. После этого нуклеофильный амин на ТГФ атакует свободный промежуточный формальдегид с образованием промежуточного карбиноламина . [8] [12] Во втором случае нуклеофильные амины на ТГФ атакуют углерод сериновой боковой цепи, одновременно образуя промежуточный карбиноламин на ТГФ и хиноидный промежуточный продукт с PLP. [8] [13] Однако ТГФ не является обязательным субстратом для SHMT, а это означает, что расщепление серина и других β-гидроксиаминокислот (таких как треонин ) может происходить без присутствия ТГФ, и в этом случае механизмом является ретро-альдольное расщепление. [14] Кроме того, по-видимому, последующая дегидратация промежуточного карбиноламина с образованием метиленового мостика и полной циклизацией в 5,10-CH 2 -THF не катализируется ферментом, и эта реакция может происходить спонтанно . [8] Фактически, это преобразование может происходить вне фермента, но исследование показывает, что эта реакция протекает быстрее и термодинамически выгоднее, когда происходит внутри SHMT с помощью остатка Glu57. Более того, циклизация промежуточного карбиноламина с образованием 5,10-CH 2 -THF необходима для восстановления Glu57 своего протона, который используется для протонирования хиноноидного промежуточного продукта и завершения каталитического цикла. [12]
Клиническое значение
[ редактировать ]Метаболизм фолата уже был предметом химиотерапевтических SHMT стратегий, но ингибирование , хотя и исследовалось, на самом деле не использовалось в коммерческих противораковых препаратах. [15] Однако, поскольку фолаты, используемые метаболическими и фолат-зависимыми ферментами, очень похожи по структуре, а имитаторы фолата уже широко распространены в медицине, не составило труда найти потенциальные молекулярные структуры, которые могут ингибировать SHMT. [15] Например, пеметрексед уже используется в качестве антифолата для лечения мезотелиомы и оказался эффективным ингибитором SHMT. [15] и скрининг других антифолатов показал, что лометрексол является еще одним эффективным ингибитором SHMT. [16]
SHMT также подвергся исследованию как потенциальная мишень для противомалярийных препаратов . Исследования показывают, что среда активного центра SHMT плазмодия (PSHMT) отличается от среды цитозольного SHMT человека, что дает возможность избирательного ингибирования PSHMT и, таким образом, лечения малярийных инфекций. [17] В частности, было показано, что некоторые молекулы пиразолопирана обладают избирательной наномолярной эффективностью против PSHMT. Однако плохая фармакокинетика не позволяет этим пиразолопиранам быть эффективными на живых моделях. [18]
Изоформы
[ редактировать ]Такие бактерии, как Escherichia coli и Bacillus stearothermophilus, имеют версии этого фермента, и, по-видимому, у млекопитающих существуют две изоформы SHMT: одна в цитоплазме (cSHMT), а другая в митохондриях (mSHMT). [1] Растения могут иметь дополнительную изоформу SHMT в хлоропластах . [19]
У млекопитающих фермент представляет собой тетрамер из четырех идентичных субъединиц примерно по 50 000 дальтон каждая. Интактный холофермент имеет молекулярную массу примерно 200 000 дальтон и включает в себя четыре молекулы ПЛП в качестве кофермента . [20]
Другие реакции
[ редактировать ]Помимо своей основной роли в метаболизме фолатов, SHMT также катализирует другие реакции, которые могут быть биологически значимыми, включая превращение 5,10-метенилтетрагидрофолата в 10-формилтетрагидрофолат . [2] В сочетании с C 1 -тетрагидрофолатсинтазой и тетрагидроптероатом cSHMT также катализирует превращение формиата в серин. [2]
Роль в синдроме Смита-Магениса
[ редактировать ]Синдром Смита-Магениса (СМС) — редкое заболевание, которое проявляется сложным набором черт, включая аномалии лица, необычное поведение и задержку развития. [21] Это происходит в результате интерстициальной делеции хромосомы 17p11.2, включая ген cSHMT, и небольшое исследование показало, что активность SHMT у пациентов с СМС составляла ~ 50% от нормы. [21] Снижение SHMT приведет к уменьшению пула глицина, что может повлиять на нервную систему за счет снижения функционирования NMDA-рецепторов . Это может быть потенциальным механизмом объяснения SMS. [21]
Цифры
[ редактировать ]
а ) Взаимное превращение серина и глицина, катализируемое SHMT. ТГФ = тетрагидрофолат, CH2-ТГФ = N-5,N-10-метилентетрагидрофолат. Красной точкой выделен углерод, который переносится от сера к ТГФ.
б ) Схематический обзор функции SHMT человека (hSHMT). MTHFD = метилентетрагидрофолатдегидрогеназа-циклогидролаза, CH2-THF = N-5,N-10-метилентетрагидрофолат, CH+-THF = 5,10-метенилтетрагидрофолат, CHO-THF = 10-формилтетрагидрофолат, НАДФ+ = никотинамидадениндинуклеотидфосфат, НАДФН = НАДФ+ восстановленный форма.
в ) SHMT, дигидрофолатредуктаза (ДГФР) и тимидилатсинтаза (ТС) в фолатном цикле. THF = тетрагидрофолат, CH2-THF = 5,10-метилентетрагидрофолат, DHF = дигидрофолат, FdUMP = фтордезоксиуридин-5'-монофосфат, dUMP = дезоксиуридинмонофосфат, dTMP = дезокситимидинмонофосфат.
Из Нонаки и др., 2019. [22]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Аппаджи Рао Н., Амбили М., Джала В.Р., Субраманья Х.С., Савитри Х.С. (апрель 2003 г.). «Структурно-функциональная взаимосвязь серингидроксиметилтрансферазы». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1647 (1–2): 24–29. дои : 10.1016/s1570-9639(03)00043-8 . ПМИД 12686103 .
- ^ Jump up to: а б с Стовер П., Ширх В. (август 1990 г.). «Серингидроксиметилтрансфераза катализирует гидролиз 5,10-метенилтетрагидрофолата до 5-формилтетрагидрофолата» . Журнал биологической химии . 265 (24): 14227–14233. дои : 10.1016/S0021-9258(18)77290-6 . ПМИД 2201683 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Ренвик С.Б., Снелл К., Бауманн У. (сентябрь 1998 г.). «Кристаллическая структура цитозольной серингидроксиметилтрансферазы человека: мишень для химиотерапии рака» . Структура . 6 (9): 1105–1116. дои : 10.1016/s0969-2126(98)00112-9 . ПМИД 9753690 .
- ^ Джардина Г., Брунотти П., Фиаскарелли А., Чикалини А., Коста М.Г., Бакл А.М. и др. (апрель 2015 г.). «Как пиридоксаль-5'-фосфат по-разному регулирует цитозольное и митохондриальное олигомерное состояние серин-гидроксиметилтрансферазы человека» . Журнал ФЭБС . 282 (7): 1225–1241. дои : 10.1111/февраль 13211 . ПМИД 25619277 . S2CID 11561274 .
- ^ Эйерс, Пенсильвания, Мерфи Дж. М. (ноябрь 2016 г.). «Эволюционирующий мир псевдоферментов: белки, предрассудки и зомби» . БМК Биология . 14 (1): 98. Бибкод : 2019Natur.570..194W . дои : 10.1038/s41586-019-1232-1 . ПМК 5106787 . ПМИД 27835992 .
- ^ Скарсдейл Дж.Н., Радаев С., Казанина Г., Ширч В., Райт Х.Т. (февраль 2000 г.). «Кристаллическая структура серингидроксиметилтрансферазы E. coli с разрешением 2,4 А в комплексе с глициновым субстратом и 5-формилтетрагидрофолатом». Журнал молекулярной биологии . 296 (1): 155–168. дои : 10.1006/jmbi.1999.3453 . PMID 10656824 .
- ^ Jump up to: а б с д и Флорио Р., ди Сальво М.Л., Виволи М., Контестабиле Р. (ноябрь 2011 г.). «Серингидроксиметилтрансфераза: модельный фермент для механистических, структурных и эволюционных исследований». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1814 (11): 1489–1496. дои : 10.1016/j.bbapap.2010.10.010 . ПМИД 21059411 .
- ^ Jump up to: а б с д и Ширх В., Себени Д.М. (октябрь 2005 г.). «Возвращение к серингидроксиметилтрансферазе». Современное мнение в области химической биологии . 9 (5): 482–487. дои : 10.1016/j.cbpa.2005.08.017 . ПМИД 16125438 .
- ^ Оливейра Э.Ф., Серкейра Н.М., Фернандес П.А., Рамос М.Дж. (октябрь 2011 г.). «Механизм образования внутреннего альдимина в пиридоксаль-5'-фосфатзависимых ферментах». Журнал Американского химического общества . 133 (39): 15496–15505. дои : 10.1021/ja204229m . ПМИД 21854048 .
- ^ Серкейра, Н.М., Фернандес, Пенсильвания, Рамос, М.Дж. (май 2011 г.). «Вычислительные механистические исследования, посвященные реакции трансиминации, присутствующей во всех ферментах, требующих пиридоксаль-5'-фосфат». Журнал химической теории и вычислений . 7 (5): 1356–1368. дои : 10.1021/ct1002219 . ПМИД 26610130 .
- ^ Триведи В., Гупта А., Джала В.Р., Сараванан П., Рао Г.С., Рао Н.А. и др. (май 2002 г.). «Кристаллическая структура бинарных и тройных комплексов серингидроксиметилтрансферазы из Bacillus stearothermophilus: понимание каталитического механизма» . Журнал биологической химии . 277 (19): 17161–17169. дои : 10.1074/jbc.M111976200 . ПМИД 11877399 .
- ^ Jump up to: а б с Фернандес Х.С., Рамос М.Ю., Серкейра, Н.М. (03.10.2018). «Каталитический механизм серингидроксиметилтрансферазы: вычислительное исследование ONIOM QM/MM». АКС-катализ . 8 (11): 10096–10110. дои : 10.1021/acscatal.8b02321 . ISSN 2155-5435 . S2CID 105838672 .
- ^ Себени Д.М., Мусаев Ф.Н., ди Сальво М.Л., Сафо М.К., Ширх В. (июнь 2004 г.). «Серингидроксиметилтрансфераза: роль glu75 и доказательства того, что серин расщепляется по ретроальдольному механизму» . Биохимия . 43 (22): 6865–6876. дои : 10.1021/bi049791y . ПМИД 15170323 .
- ^ Тиба Ю, Терада Т, Камея М, Симидзу К, Арай Х, Исии М, Игараси Ю (февраль 2012 г.). «Механизм фолат-независимой реакции альдолазы, катализируемой серингидроксиметилтрансферазой» . Журнал ФЭБС . 279 (3): 504–514. дои : 10.1111/j.1742-4658.2011.08443.x . ПМИД 22141341 .
- ^ Jump up to: а б с Дайдоне Ф., Флорио Р., Ринальдо С., Контестабиле Р., ди Сальво М.Л., Катруццола Ф. и др. (май 2011 г.). «Подтверждение серингидроксиметилтрансферазы in silico и in vitro как химиотерапевтической мишени антифолатного препарата пеметрексед». Европейский журнал медицинской химии . 46 (5): 1616–1621. дои : 10.1016/j.ejmech.2011.02.009 . ПМИД 21371789 .
- ^ Пайардини А., Фиаскарелли А., Ринальдо С., Дайдоне Ф., Джардина Г., Коес Д.Р. и др. (март 2015 г.). «Скрининг и тестирование in vitro антифолатных ингибиторов цитозольной серингидроксиметилтрансферазы человека» . ХимМедХим . 10 (3): 490–497. дои : 10.1002/cmdc.201500028 . ПМЦ 5438088 . ПМИД 25677305 .
- ^ Пинтхонг С., Маенпуэн С., Аморнватчарапонг В., Ютавонг Ю., Леартсакулпанич У., Чайен П. (июнь 2014 г.). «Отличные биохимические свойства серингидроксиметилтрансферазы человека по сравнению с ферментом Plasmodium: значение селективного ингибирования» . Журнал ФЭБС . 281 (11): 2570–2583. дои : 10.1111/февраль 12803 . ПМИД 24698160 .
- ^ Витшель М.К., Роттманн М., Шваб А., Леартсакулпанич У., Читнумсуб П., Сит М. и др. (апрель 2015 г.). «Ингибиторы плазмодиальной серингидроксиметилтрансферазы (SHMT): сокристаллические структуры пиразолопиранов с мощной активностью на стадиях крови и печени». Журнал медицинской химии . 58 (7): 3117–3130. дои : 10.1021/jm501987h . ПМИД 25785478 .
- ^ Бессон В., Наубургер М., Ребей Ф., Дус Р. (1995). «Доказательства существования трех серингидроксиметилтрансфераз в клетках зеленых листьев. Очистка и характеристика митохондриальных и хлоропластических изоформ». Физиол растений. Биохим . 33 (6): 665–673.
- ^ Мартинес-Кэррион М., Криц В., Квашнок Дж. (апрель 1972 г.). «Молекулярная масса и субъединицы серинтрансгидроксиметилазы». Биохимия . 11 (9): 1613–1615. дои : 10.1021/bi00759a011 . ПМИД 5028104 .
- ^ Jump up to: а б с Элси С.Х., Джуял Р.К., Джиралерспонг С., Финукейн Б.М., Пандольфо М., Гринберг Ф. и др. (декабрь 1995 г.). «Гаплонедостаточность цитозольной серингидроксиметилтрансферазы при синдроме Смита-Магениса» . Американский журнал генетики человека . 57 (6): 1342–1350. ПМК 1801426 . ПМИД 8533763 .
- ^ Нонака Х., Наканиси Ю., Куно С., Ота Т., Мочидоме К., Сайто Ю. и др. (февраль 2019 г.). «Стратегия разработки зондов серингидроксиметилтрансферазы на основе реакции ретро-альдольного типа» . Природные коммуникации . 10 (1): 876. doi : 10.1038/s41467-019-08833-7 . ПМК 6382819 . ПМИД 30787298 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Ахтар М., Эль-Обейд Х.А. (март 1972 г.). «Инактивация активности серинтрансгидроксиметилазы и треонинальдолазы». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Энзимология . 258 (3): 791–799. дои : 10.1016/0005-2744(72)90180-5 . ПМИД 5017703 .
- Блейкли Р.Л. (декабрь 1960 г.). «Спектрофотометрическое исследование реакции, катализируемой серинтрансгидроксиметилазой» . Биохимический журнал . 77 (3): 459–465. дои : 10.1042/bj0770459 . ПМК 1205057 . ПМИД 16748851 .
- Фудзиока М (1969). «Очистка и свойства серингидроксиметилазы из растворимой и митохондриальной фракций печени кролика». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Энзимология . 185 (2): 338–349. дои : 10.1016/0005-2744(69)90427-6 . ПМИД 5808700 .
- Кумагай Х., Нагате Т., Ёсида Х., Ямада Х. (март 1972 г.). «Треонинальдолаза из Candida humicola. II. Очистка, кристаллизация и свойства». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) - Энзимология . 258 (3): 779–790. дои : 10.1016/0005-2744(72)90179-9 . ПМИД 5017702 .
- Ширх Л., Гросс Т. (ноябрь 1968 г.). «Серин-трансгидроксиметилаза. Идентификация треонин- и аллотреонин-альдолазы» . Журнал биологической химии . 243 (21): 5651–5655. дои : 10.1016/S0021-9258(18)91916-2 . ПМИД 5699057 .
- Ширх Л., Квашнок Дж. (июнь 1981 г.). «Доказательства того, что тетрагидрофолат не связывается с серингидроксиметилтрансферазой с положительной гомотропной кооперативностью» . Журнал биологической химии . 256 (12): 6245–6249. дои : 10.1016/S0021-9258(19)69154-4 . ПМИД 6787050 .
- Куашнок Дж. М., Хлебовски Дж. Ф., Мартинес-Каррион М., Ширх Л. (январь 1983 г.). «Серингидроксиметилтрансфераза. Исследование ядерного магнитного резонанса 31P связанного с ферментом пиридоксаль-5'-фосфата» . Журнал биологической химии . 258 (1): 503–507. дои : 10.1016/S0021-9258(18)33284-8 . ПМИД 6848517 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Серин + гидроксиметилтрансфераза в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)