β-галактозидаза
| β-галактозидаза | |||
|---|---|---|---|
 β-галактозидаза из Penicillium sp. | |||
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 3.2.1.23 | ||
| Номер CAS. | 9031-11-2 | ||
| 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 | ||
| |||
| галактозидаза, бета 1 | |||
|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||
| Символ | GLB1 | ||
| Альт. символы | ЭЛНР1 | ||
| ген NCBI | 2720 | ||
| HGNC | 4298 | ||
| МОЙ БОГ | 230500 | ||
| RefSeq | НМ_000404 | ||
| ЮниПрот | P16278 | ||
| Другие данные | |||
| Локус | Хр. 3 п22.3 | ||
| |||
β-галактозидаза (EC 3.2.1.23, бета-гал или β-гал ; систематическое название β- D -галактозидгалактогидролаза ) представляет собой гликозидгидролазу фермент , который катализирует гидролиз концевых невосстанавливающих остатков β- D -галактозы в β D- - галактозиды. (Этот фермент переваривает многие β-галактозиды, а не только лактозу. Иногда его условно называют лактазой , но это название обычно зарезервировано для пищеварительных ферментов млекопитающих, которые конкретно расщепляют лактозу.)
β-галактозиды включают углеводы, содержащие галактозу , где гликозидная связь находится над молекулой галактозы. Субстраты различных β-галактозидаз включают ганглиозид GM1, лактозилцерамиды, лактозу и различные гликопротеины . [1]
Функция
[ редактировать ]β-галактозидаза представляет собой экзогликозидазу , которая гидролизует β- гликозидную связь , образующуюся между галактозой и ее органической частью. Он также может расщеплять фукозиды и арабинозиды , но с гораздо меньшей скоростью. Это важный фермент в организме человека. Дефицит белка может привести к галактосиалидозу или синдрому Моркио B. В E. coli ген lacZ является структурным геном β-галактозидазы; который присутствует как часть lac- оперона индуцибельной системы , который активируется в присутствии лактозы при глюкозы низком уровне . Синтез β-галактозидазы прекращается, когда уровень глюкозы становится достаточным. [2]
β-галактозидаза имеет множество гомологов, основанных на схожих последовательностях. Некоторые из них выделяют β-галактозидазу (EBG), β-глюкозидазу , 6-фосфо-β-галактозидазу, β-маннозидазу и лактазо-флоризингидролазу. Хотя они могут быть структурно похожими, все они имеют разные функции. [3] Бета-гал ингибируется L- рибозой и конкурентными ингибиторами 2-фенилэтил-1-тио-β- D -галактопиранозидом (ПЭТГ), D -галактонолактоном, изопропилтио-β- D -галактозидом (ИПТГ) и галактозой. [4]
β-галактозидаза важна для организмов, поскольку она является ключевым поставщиком энергии и источником углерода за счет расщепления лактозы до галактозы и глюкозы. Это также важно для людей с непереносимостью лактозы , поскольку оно отвечает за производство безлактозного молока и других молочных продуктов. У многих взрослых людей отсутствует фермент лактаза , который выполняет ту же функцию, что и β-галактозидаза, поэтому они не могут правильно переваривать молочные продукты. β-галактоза используется в таких молочных продуктах, как йогурт, сметана и некоторые сыры, которые обрабатываются ферментом для расщепления лактозы перед употреблением в пищу человеком. В последние годы β-галактозидаза исследовалась как потенциальное средство лечения непереносимости лактозы посредством заместительной генной терапии, где ее можно было бы поместить в ДНК человека, чтобы люди могли расщеплять лактозу самостоятельно. [5] [6]
Структура
[ редактировать ]1023 аминокислоты были β-галактозидазы E. coli секвенированы в 1983 году. [7] и его структура была определена одиннадцать лет спустя, в 1994 году. Белок массой 464 кДа представляет собой гомотетрамер с 2,2,2-точечной симметрией . [8] Каждая единица β-галактозидазы состоит из пяти доменов ; типа желейного рулона домен 1 представляет собой β-цилиндр , домены 2 и 4 представляют собой стволы, подобные фибронектину типа III , домен 5 представляет собой новый β-сэндвич, а центральный домен 3 представляет собой искаженный ствол типа TIM , лишенный пятой спирали с искажение в шестой нити. [8]
Третий домен содержит активный сайт. [9] Активный центр состоит из элементов двух субъединиц тетрамера, а диссоциация тетрамера на димеры удаляет критические элементы активного центра. Аминоконцевая последовательность β-галактозидазы, α-пептида, участвующего в α-комплементации, участвует в интерфейсе субъединиц. Его остатки 22–31 помогают стабилизировать четырехспиральный пучок, который образует основную часть этого интерфейса, а остатки 13 и 15 также вносят вклад в активирующий интерфейс. [ нужна ссылка ] Эти структурные особенности служат объяснением явления α-комплементации, при котором удаление аминоконцевого сегмента приводит к образованию неактивного димера.
Реакция
[ редактировать ]
β-галактозидаза может катализировать три различные реакции в организмах. В одном из них он может пройти процесс, называемый трансгалактозилированием, с образованием аллолактозы , создавая петлю положительной обратной связи для производства β-галактозы. Аллолактоза также может расщепляться с образованием моносахаридов. Он также может гидролизовать лактозу до галактозы и глюкозы , которые переходят в гликолиз . [3] Активный центр β-галактозидазы катализирует гидролиз ее дисахаридного субстрата посредством «мелкого» (непродуктивный сайт) и «глубокого» (продуктивный сайт) связывания. Галактозиды, такие как PETG и IPTG, будут связываться в поверхностном участке, когда фермент находится в «открытой» конформации, тогда как аналоги переходного состояния, такие как L -рибоза и D -галактонолактон, будут связываться в глубоком участке, когда конформация «закрыта». [4]
Ферментативная реакция состоит из двух химических стадий: галактозилирования и дегалактозилирования. Галактозилирование — это первая химическая стадия реакции, в которой Glu461 отдает протон гликозидному кислороду, в результате чего галактоза ковалентно связывается с Glu537. На втором этапе, дегалактозилировании, ковалентная связь разрывается, когда Glu461 принимает протон, заменяя галактозу водой. два переходных состояния Во время реакции в глубоком участке фермента возникают , один раз после каждой стадии. При участии воды в реакции образуется галактоза, в противном случае, когда D -глюкоза, происходит трансгалактозилирование. акцептором на втором этапе выступает [4] Кинетически измерено, что отдельные тетрамеры белка катализируют реакции со скоростью 38 500 ± 900 реакций в минуту. [10] Одновалентные калия ионы (K + ), а также ионы двухвалентного магния (Mg 2+ ) необходимы для оптимальной активности фермента. β-связь субстрата расщепляется концевой карбоксильной группой боковой цепи глутаминовой кислоты .
в E. coli Считалось, что Glu-461 является нуклеофилом в реакции замещения . [11] Однако теперь известно, что Glu-461 является кислотным катализатором. Вместо этого настоящим нуклеофилом является Glu-537. [12] связывание с галактозильным промежуточным соединением. У человека нуклеофилом . реакции гидролиза является Glu-268 [13] Gly794 важен для активности β-галактозидазы. Он отвечает за перевод фермента в «закрытую», связанную с лигандом конформацию или «открытую» конформацию, действуя как «шарнир» для петли активного центра. Различные конформации гарантируют, что в активном сайте происходит только предпочтительное связывание. В присутствии медленного субстрата активность Gly794 возрастала, а также увеличивалось галактозилирование и снижалось дегалактозилирование. [4]
Приложения
[ редактировать ]Анализ β-галактозидазы часто используется в генетике , молекулярной биологии и других науках о жизни . [14] Активный фермент можно обнаружить с помощью искусственного хромогенного субстрата 5-бром-4-хлор-3-индолил-β- D -галактопиранозида X-gal . β-галактозидаза расщепляет гликозидную связь в X-гал и образует галактозу и 5-бром-4-хлор-3-гидроксииндол, которые димеризуются и окисляются до 5,5'-дибром-4,4'-дихлор-индиго, интенсивно синий продукт, который легко идентифицировать и количественно оценить. [15] Он используется, например, в сине-белом экране . [16] Его продукция может быть индуцирована негидролизуемым аналогом аллолактозы , который связывает и высвобождает lac-репрессор из lac - , IPTG оператора, тем самым позволяя продолжить инициацию транскрипции.
Он обычно используется в молекулярной биологии в качестве репортерного маркера для мониторинга экспрессии генов. Он также демонстрирует явление, называемое α-комплементацией, которое лежит в основе сине-белого скрининга рекомбинантных клонов. Этот фермент можно разделить на два пептида, LacZα и LacZΩ , ни один из которых не активен сам по себе, но когда оба присутствуют вместе, они спонтанно собираются в функциональный фермент. Это свойство используется во многих векторах клонирования , где присутствие гена lacZα в плазмиде может комплементировать в транс другой мутантный ген, кодирующий LacZΩ в конкретных лабораторных штаммах E. coli . Однако когда фрагменты ДНК встраиваются в вектор, продукция LacZα нарушается, поэтому клетки не проявляют активности β-галактозидазы. Присутствие или отсутствие активной β-галактозидазы можно обнаружить с помощью X-gal , который при расщеплении β-галактозидазой дает характерный синий краситель, тем самым обеспечивая простой способ различения присутствия или отсутствия клонированного продукта в плазмиде. В исследованиях хромосомных транслокаций при лейкемии Добсон и его коллеги использовали слитый белок LacZ на мышах. [17] используя склонность β-галактозидазы к олигомеризации, чтобы предположить потенциальную роль олигомерности в функции слитого белка MLL. [18]
Недавнее исследование, проведенное в 2020–2021 годах, показало, что активность бета-галактозидазы коррелирует со старением клеток. Старение клеток можно интерпретировать как клетки, которые не делятся, но не умирают. Активность бета-галактозидазы может быть сверхвыраженной, что может привести к различным заболеваниям, поражающим широкий спектр систем организма. К этим системам относятся сердечно-сосудистая система, скелетная система и многие другие. Обнаружение стареющих клеток может быть достигнуто путем измерения активности лизосомальной бета-галактозидазы. [19]
Новая изоформа бета-галактозидазы с оптимальной активностью при pH 6,0 (бета-гал, связанная со старением или SA-бета-гал ). [20] что конкретно выражается в старении (необратимой остановке роста клеток). Для его обнаружения даже были разработаны специальные количественные анализы. [21] [15] [22] Однако сейчас известно, что это происходит из-за сверхэкспрессии и накопления лизосомальной эндогенной бета-галактозидазы. [23] и его экспрессия не требуется для старения. Тем не менее, он остается наиболее широко используемым биомаркером стареющих и стареющих клеток, поскольку он надежен и легко обнаруживается.
Эволюция
[ редактировать ]Некоторые виды бактерий, включая E. coli , имеют дополнительные гены β-галактозидазы. Второй ген, названный геном развитой β-галактозидазы ( ebgA ), был обнаружен, когда штаммы с удаленным геном lacZ (но все еще содержащими ген галактозидпермеазы, lacY ) были высеяны на среду, содержащую лактозу (или другие 3-галактозиды) в качестве единственного вещества. источник углерода. Через некоторое время некоторые колонии начали расти. Однако белок EbgA является неэффективной лактазой и не позволяет расти на лактозе. Два класса одноточечных мутаций резко улучшают активность фермента ebg по отношению к лактозе. [24] [25] и, в результате, мутантный фермент способен заменить lacZ β-галактозидазу. [26] EbgA и LacZ идентичны на уровне ДНК на 50% и на уровне аминокислот на 33%. [27] Активный фермент ebg представляет собой совокупность продуктов гена ebgA и гена ebgC в соотношении 1:1, при этом активная форма фермента ebg представляет собой α 4 β4. гетерооктамер [28]
Распространение видов
[ редактировать ]Большая часть работ, проделанных в области β-галактозидазы, получена из E. coli. Однако фермент можно найти во многих растениях (особенно во фруктах), млекопитающих, дрожжах, бактериях и грибах. [29] Гены β-галактозидазы могут различаться по длине кодирующей последовательности и длине белков, образованных аминокислотами. [30] Это разделяет β-галактозидазы на четыре семейства: GHF-1, GHF-2, GHF-35 и GHF-42. [31] E. Coli принадлежит к GHF-2, все растения — к GHF-35, а Thermus thermophilus — к GHF-42. [31] [30] Различные фрукты могут экспрессировать несколько генов β-галактозидазы. Существует по крайней мере семь генов β-галактозидазы, экспрессируемых в развитии плодов томата, аминокислотное сходство которых составляет от 33% до 79%. [32] Исследование, направленное на выявление размягчения плодов персиков, выявило 17 различных экспрессий генов β-галактозидаз. [30] Единственная другая известная кристаллическая структура β-галактозидазы принадлежит Thermus thermophilus . [31]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Иллюстрированный медицинский словарь Дорланда . Архивировано из оригинала 16 октября 2006 г. Проверено 22 октября 2006 г.
- ^ Гарретт Р. (2013). Биохимия . Бельмонт, Калифорния: Cengage Learning. п. 1001. ИСБН 978-1133106296 .
- ^ Jump up to: а б «Гликозидгидролаза, семейство 1, β-глюкозидаза (IPR017736) <InterPro <EMBL-EBI» . www.ebi.ac.uk. Проверено 11 декабря 2015 г.
- ^ Jump up to: а б с д Джуерс Д.Х., Хакда С., Мэтьюз Б.В., Хубер Р.Э. (ноябрь 2003 г.). «Структурная основа измененной активности вариантов Gly794 β-галактозидазы Escherichia coli ». Биохимия . 42 (46): 13505–11. дои : 10.1021/bi035506j . ПМИД 14621996 .
- ^ Салехи С., Экли Л., Сойер Г.Дж., Чжан X, Донг X, Фройнд Дж.Н., Фабр Дж.В. (январь 2009 г.). «Кишечная лактаза как аутологичный репортерный ген β-галактозидазы для исследований экспрессии генов in vivo». Генная терапия человека . 20 (1): 21–30. дои : 10.1089/hum.2008.101 . ПМИД 20377368 .
- ^ Исикава К., Катаока М., Янамото Т., Накабаяши М., Ватанабэ М., Исихара С., Ямагути С. (июль 2015 г.). «Кристаллическая структура β-галактозидазы из Bacillus circulans ATCC 31382 (BgaD) и конструирование термофильных мутантов» . Журнал ФЭБС . 282 (13): 2540–52. дои : 10.1111/февраль 13298 . ПМИД 25879162 . S2CID 33928719 .
- ^ Калниньш А., Отто К., Рютер У., Мюллер-Хилл Б. (1983). «Последовательность гена lacZ Escherichia coli» . Журнал ЭМБО . 2 (4): 593–7. дои : 10.1002/j.1460-2075.1983.tb01468.x . ПМК 555066 . ПМИД 6313347 .
- ^ Jump up to: а б Джейкобсон Р.Х., Чжан XJ, ДюБоз Р.Ф., Мэтьюз Б.В. (июнь 1994 г.). «Трехмерная структура β-галактозидазы E. coli ». Природа . 369 (6483): 761–6. Бибкод : 1994Natur.369..761J . дои : 10.1038/369761a0 . ПМИД 8008071 . S2CID 4241867 .
- ^ Мэтьюз BW (июнь 2005 г.). «Структура E. coli β-галактозидазы » . Comptes Rendus Biology . 328 (6): 549–56. дои : 10.1016/j.crvi.2005.03.006 . ПМИД 15950161 .
- ^ Джуерс Д.Х., Мэтьюз Б.В., Хубер Р.Э. (декабрь 2012 г.). «LacZ β-галактозидаза: структура и функция фермента исторического и молекулярно-биологического значения» . Белковая наука . 21 (12): 1792–807. дои : 10.1002/pro.2165 . ПМЦ 3575911 . ПМИД 23011886 .
- ^ Геблер Дж. К., Эберсольд Р., Уизерс С. Г. (июнь 1992 г.). «Glu-537, а не Glu-461, является нуклеофилом в активном центре (lac Z) β-галактозидазы из Escherichia coli » . Журнал биологической химии . 267 (16): 11126–30. дои : 10.1016/S0021-9258(19)49884-0 . ПМИД 1350782 .
- ^ Юань Дж., Мартинес-Бильбао М., Хубер Р.Э. (апрель 1994 г.). «Замены Glu-537 в β-галактозидазы из Escherichia coli вызывают значительное снижение каталитической активности» . Биохимический журнал . 299 (Часть 2): 527–31. дои : 10.1042/bj2990527 . ПМЦ 1138303 . ПМИД 7909660 .
- ^ Маккартер Дж.Д., Бургойн Д.Л., Мяо С., Чжан С., Каллахан Дж.В., Уизерс С.Г. (январь 1997 г.). «Идентификация Glu-268 как каталитического нуклеофила предшественника лизосомальной β-галактозидазы человека методом масс-спектрометрии» (PDF) . Журнал биологической химии . 272 (1): 396–400. дои : 10.1074/jbc.272.1.396 . ПМИД 8995274 . S2CID 35101194 .
- ^ Нинфа Эй Джей, Баллоу ДП (2009). Фундаментальные лабораторные подходы к биохимии и биотехнологии . ISBN 978-0-470-47131-9 .
- ^ Jump up to: а б Гэри РК, Кинделл С.М. (август 2005 г.). «Количественный анализ активности бета-галактозидазы, связанной со старением, в экстрактах клеток млекопитающих». Аналитическая биохимия . 343 (2): 329–34. дои : 10.1016/j.ab.2005.06.003 . ПМИД 16004951 .
- ^ Анализ β-галактозидазы (лучший Миллер) - OpenWetWare
- ^ Добсон К.Л., Уоррен А.Дж., Паннелл Р., Форстер А., Рэббиттс TH (март 2000 г.). «Онкогенез у мышей при слиянии онкогена лейкемии Mll и бактериального гена lacZ» . Журнал ЭМБО . 19 (5): 843–51. дои : 10.1093/emboj/19.5.843 . ПМК 305624 . ПМИД 10698926 .
- ^ Кривцов А.В., Армстронг С.А. (ноябрь 2007 г.). «Транслокации MLL, модификации гистонов и развитие стволовых клеток лейкемии». Обзоры природы. Рак . 7 (11): 823–33. дои : 10.1038/nrc2253 . ПМИД 17957188 . S2CID 9183717 .
- ^ Лозано-Торрес, Беатрис; Бландез, Хуан Ф.; Сансенон, Феликс; Мартинес-Маньес, Рамон (апрель 2021 г.). «Хромофлуорогенные зонды для обнаружения β-галактозидазы» . Аналитическая и биоаналитическая химия . 413 (9): 2361–2388. дои : 10.1007/s00216-020-03111-8 . hdl : 10251/180327 . ISSN 1618-2642 . ПМИД 33606064 . S2CID 231957317 .
- ^ Димри Г.П., Ли Х., Базиль Г., Акоста М., Скотт Г., Роскелли С. и др. (сентябрь 1995 г.). «Биомаркер, который идентифицирует стареющие клетки человека в культуре и в стареющей коже in vivo» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 92 (20): 9363–7. Бибкод : 1995PNAS...92.9363D . дои : 10.1073/pnas.92.20.9363 . ПМК 40985 . ПМИД 7568133 .
- ^ Бассанезе В., Миякава А.А., Кригер Дж.Э. (январь 2008 г.). «Количественный хемилюминесцентный метод изучения репликативного и стресс-индуцированного преждевременного старения в клеточных культурах». Аналитическая биохимия . 372 (2): 198–203. дои : 10.1016/j.ab.2007.08.016 . ПМИД 17920029 .
- ^ Итахана К., Камписи Дж., Димри Г.П. (2007). «Методы обнаружения биомаркеров клеточного старения» . Биологическое старение . Методы молекулярной биологии. Том. 371. Хумана Пресс. стр. 21–31 . дои : 10.1007/978-1-59745-361-5_3 . ISBN 978-1-58829-658-0 . ПМИД 17634571 .
- ^ Ли БАЙ, Хан Дж.А., Им Дж.С., Моррон А., Джохунг К., Гудвин Э.К. и др. (апрель 2006 г.). «β-галактозидаза, связанная со старением, представляет собой лизосомальную β-галактозидазу». Стареющая клетка . 5 (2): 187–95. дои : 10.1111/j.1474-9726.2006.00199.x . hdl : 2158/216175 . ПМИД 16626397 . S2CID 82432911 .
- ^ Холл Б.Г. (январь 1977 г.). «Количество мутаций, необходимых для развития новой функции лактазы в Escherichia coli » . Журнал бактериологии . 129 (1): 540–3. дои : 10.1128/JB.129.1.540-543.1977 . ПМК 234956 . ПМИД 318653 .
- ^ Холл Б.Г. (июль 1981 г.). «Изменения субстратных особенностей фермента при направленной эволюции новых функций». Биохимия . 20 (14): 4042–9. дои : 10.1021/bi00517a015 . ПМИД 6793063 .
- ^ Холл Б.Г. (октябрь 1976 г.). «Экспериментальная эволюция новой ферментативной функции. Кинетический анализ предков (ebg) и эволюционировавших (ebg) ферментов». Журнал молекулярной биологии . 107 (1): 71–84. дои : 10.1016/s0022-2836(76)80018-6 . ПМИД 794482 .
- ^ Стоукс Х.В., Беттс П.В., Холл Б.Г. (ноябрь 1985 г.). «Последовательность гена ebgA Escherichia coli : сравнение с геном lacZ» . Молекулярная биология и эволюция . 2 (6): 469–77. doi : 10.1093/oxfordjournals.molbev.a040372 . ПМИД 3939707 .
- ^ Эллиотт А.С., К.С., Синнотт М.Л., Смит П.Дж., Боммусвами Дж., Го З. и др. (февраль 1992 г.). «Каталитические последствия экспериментальной эволюции. Исследования субъединичной структуры второй (ebg) β-галактозидазы Escherichia coli , а также катализа ebgab, экспериментального эвольванта, содержащего две аминокислотные замены» . Биохимический журнал . 282 (Часть 1) (1): 155–64. дои : 10.1042/bj2820155 . ПМК 1130902 . ПМИД 1540130 .
- ^ Ричмонд М.Л., Грей Дж.И., Стайн С.М. (1981). «β-галактозидаза: обзор недавних исследований, связанных с технологическим применением, проблемами питания и иммобилизацией» . Журнал молочной науки . 64 (9): 1759–1771. doi : 10.3168/jds.s0022-0302(81)82764-6 . ISSN 0022-0302 .
- ^ Jump up to: а б с Го С, Сун Дж, Чжан Б, Цзян Х, Ма Р, Ю М (2018). «Полногеномная идентификация и анализ экспрессии членов семейства β-галактозидаз во время размягчения плодов персика [ Prunus persica (L.) Batsch]». Послеуборочная биология и технология . 136 : 111–123. doi : 10.1016/j.postharvbio.2017.10.005 .
- ^ Jump up to: а б с Рохас А.Л., Нагем Р.А., Неустроев К.Н., Аранд М., Адамска М., Енейская Е.В. и др. (ноябрь 2004 г.). «Кристаллические структуры β-галактозидазы Penicillium sp. и ее комплекса с галактозой». Журнал молекулярной биологии . 343 (5): 1281–92. дои : 10.1016/j.jmb.2004.09.012 . ПМИД 15491613 .
- ^ Смит Д.Л., Гросс К.К. (июль 2000 г.). «Семейство, состоящее как минимум из семи генов β-галактозидазы, экспрессируется во время развития плодов томата» . Физиология растений . 123 (3): 1173–83. дои : 10.1104/стр.123.3.1173 . ПМК 59080 . ПМИД 10889266 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- бета-галактозидаза в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
