Изопептидная связь

Изопептидная связь — это тип амидной связи, образующейся между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. Изопептидная связь — это связь между амино- или карбоксильной группой боковой цепи одной аминокислоты с α-карбоксильной, α-аминогруппой или боковой цепью другой аминокислоты. В типичной пептидной связи , также известной как эупептидная связь, амидная связь всегда образуется между α-карбоксильной группой одной аминокислоты и α-аминогруппой второй аминокислоты. Изопептидные связи встречаются реже, чем обычные пептидные связи. [ 1 ] Изопептидные связи приводят к разветвлению первичной последовательности белка. Белки, образованные из нормальных пептидных связей, обычно имеют линейную первичную последовательность .
Амидные связи и, следовательно, изопептидные связи стабилизируются за счет резонанса ( делокализации электрона ) между карбонильным кислородом , карбонильным углеродом и атомом азота . Прочность изопептидной связи аналогична силе связи пептида из-за аналогичного типа связи. Прочность . пептидной связи составляет 2,3-3,6 ккал/моль [ 2 ]
Аминокислоты, такие как лизин , глутаминовая кислота , глутамин , аспарагиновая кислота и аспарагин , могут образовывать изопептидные связи, поскольку все они содержат амино- или карбоксильную группу в своей боковой цепи. Например, образование изопептидной связи между боковыми цепями лизина и глутамина происходит следующим образом:
- Gln-(C=O)NH 2 + Lys-NH 3 + → Gln-(C=O)NH-Lys + NH 4 +
ε-аминогруппа лизина также может реагировать с α-карбоксильной группой любой другой аминокислоты, как в следующей реакции:
- Иле-(C=O)O - + Лиз-NH 3 + → Ile-(C=O)NH-Lys + H 2 O
Образование изопептидной связи обычно катализируется ферментами . [ 3 ] Реакция между лизином и глютамином, как показано выше, катализируется трансглутаминазой . Другим примером катализируемого ферментами образования изопептидной связи является образование молекулы глутатиона . Глутатион, трипептид , содержит нормальную пептидную связь (между цистеином и глицином ) и изопептидную связь (между глутаматом и цистеином). Образование изопептидной связи между γ-карбоксильной группой глутамата и α-аминогруппой цистеина катализируется ферментом γ- глутамилцистеинсинтетазой . [ 3 ] Изопептидная связь образуется вместо эупептидной связи, поскольку внутриклеточные пептидазы [ 3 ] неспособны распознать эту связь и, следовательно, не гидролизуют связь. Изопептидная связь может образовываться спонтанно, что наблюдается при созревании бактериофага HK97 капсида . [ 4 ] В этом случае ε-аминогруппа лизина автокаталитически боковой цепи реагирует с карбоксамидной группой аспарагина . [ 4 ] Спонтанное образование изопептидной связи между лизином и аспарагином также происходит в грамположительных бактерий пилях . [ 5 ]
Функция
[ редактировать ]Генерируемые ферментами изопептидные связи имеют две основные биологические цели: передачу сигналов и структуру .
Биосигнализация влияет на функцию белка, [ 6 ] конденсация хроматина, [ 7 ] и период полураспада белка. [ 8 ] Биоструктурная роль изопептидных связей включает свертывание крови . [ 9 ] (для заживления ран), внеклеточного матрикса , поддержания [ 10 ] путь апоптоза , [ 10 ] модификация микротрубочек , [ 11 ] и формирования патогенных пилей [ 12 ] у бактерий. Изопептидные связи способствуют патогенности холерного , вибриона поскольку домен поперечной сшивки актина (ACD) образует межмолекулярную связь между γ-карбоксильной группой глутамата и ε-аминогруппой лизина в актине . [ 13 ] Этот процесс останавливает полимеризацию актина в клетке-хозяине . [ 13 ]
Биосигнализация
[ редактировать ]Что касается изопептидных связей, связывающих один белок с другим с целью передачи сигнала, в литературе преобладают убиквитин и другие подобные белки. Убиквитин и родственные ему белки ( SUMO , Atg8 , Atg12 и т. д.) имеют тенденцию следовать относительно одному и тому же пути лигирования белков. [ 6 ]
Процесс лигирования белков убиквитином и убиквитиноподобными белками состоит из трех основных стадий. [ 6 ] На начальном этапе специфический активирующий белок (Е1 или Е1-подобный белок) активирует убиквитин путем аденилирования его с помощью АТФ . [ 6 ] Затем аденилированный убиквитин можно перенести на консервативный цистеин с помощью тиоэфирной связи, которая находится между карбоксильной группой C-концевого глицина убиквитина и серой цистеина E1. [ 6 ] [ 14 ] [ 15 ] Затем активирующий фермент E1 связывается с убиквитином и переносит его на следующий уровень, фермент E2, который принимает белок и снова образует тиоэфир с консервативной связью. E2 действует в определенной степени как посредник, который затем связывается с ферментной лигазой E3 на последнем уровне, что приводит к конечному переносу убиквитина или родственного убиквитину белка к лизиновому участку на целевом белке или, чаще, к убиквитину, на сам убиквитин образует цепи указанного белка. [ 14 ]
Однако на последнем уровне также существует расхождение: в зависимости от типа лигазы E3 она может на самом деле не вызывать конъюгацию. Так же существуют лигазы E3, содержащие домены HECT, в которых они продолжают эту «цепочку переноса», снова принимая убиквитин через другой консервативный цистеин, а затем нацеливая его и перенося к желаемой мишени. Тем не менее, в случае домена RING-пальца, который использует координационные связи с ионами цинка для стабилизации своих структур, они действуют больше, направляя реакцию. Под этим подразумевается, что как только лигаза Е3 из RING-пальца связывается с Е2, содержащим убиквитин, она просто действует как нацеливающее устройство, которое направляет Е2 на прямое лигирование целевого белка в лизиновом сайте. [ 14 ] [ 16 ]
Хотя в этом случае убиквитин действительно хорошо представляет другие родственные ему белки, каждый белок, очевидно, будет иметь свои собственные недостатки, такие как SUMO, который, как правило, представляет собой лигазу домена RING-пальца, где E3 просто действует как нацеливающее устройство, направляя лигирование с помощью E2, и фактически не выполняет саму реакцию, например, лигазы убиквитин E3-HECT. [ 15 ] Таким образом, хотя внутренние механизмы различаются, например, участие белков в цепи переноса, общие химические аспекты, такие как использование тиоэфиров и специфических лигаз для нацеливания, остаются прежними.
Биоструктурный
[ редактировать ]Ферментативная химия, участвующая в образовании изопептидов структурного назначения, отличается от случая убиквитина и родственных убиквитину белков. При этом вместо последовательных шагов, включающих несколько ферментов для активации, конъюгации и нацеливания на субстрат. [ 17 ] Катализ осуществляется одним ферментом, и единственной стадией предшественника, если она есть, обычно является расщепление с целью активации его из зимогена. Однако единообразие, существующее в случае убиквитина, здесь не так, поскольку существует множество различных ферментов, каждый из которых выполняет реакцию образования изопептидной связи.
Первый случай — это сортазы, семейство ферментов, которое распространено среди многочисленных грамположительных бактерий. Было показано, что он является важным фактором патогенности и вирулентности. Общая реакция, выполняемая сортазами, включает использование собственной разновидности «каталитической триады», то есть использование гистидина, аргинина и цистеина для реактивного механизма. Его и Arg помогают создать реактивную среду, а Cys снова действует как реакционный центр, используя тиоэфир, помогая удерживать карбоксильную группу до тех пор, пока амин лизина не сможет совершить нуклеофильную атаку для переноса белка и образования изопептидной связи. Ионом, который иногда может играть важную, хотя и косвенную роль в ферментативной реакции, является кальций, который связывается сортазой. Он играет важную роль в поддержании структуры фермента в оптимальной для катализа конформации. Однако есть случаи, когда было показано, что кальций не является необходимым для осуществления катализа. [ 18 ]
Другой аспект, который отличает сортазы в целом, заключается в том, что они имеют очень специфическое нацеливание на свой субстрат, поскольку сортазы обычно выполняют две функции: первая - это слияние белков с клеточной стенкой бактерий, а вторая - полимеризация пилина. Для процесса локализации белков на клеточной стенке существует тройное требование: белок должен содержать гидрофобный домен, положительно заряженную хвостовую область и конечную специфическую последовательность, используемую для распознавания. [ 19 ] Наиболее изученным из этих сигналов является LPXTG, который действует как точка расщепления, где сортаза атакует пространство между Thr и Gly, конъюгируя с карбоксильной группой Thr. [ 18 ] Затем тиоэфир разделяется путем переноса пептида на первичный амин, и это обычно имеет очень высокую специфичность, что видно на примере B. cereus, где фермент сортаза D помогает полимеризовать белок BcpA посредством двух сигналов распознавания. LPXTG как точка расщепления и образования тиоэфира, а также сайт YPKN, который действует как сигнал узнавания и определяет, где будет образовываться изопептид. [ 20 ] Хотя детали могут различаться у разных бактерий, основы ферментативной химии сортазы остаются неизменными.
Следующий случай — это трансглутаминазы (ТГазы), которые действуют в основном внутри эукариот, соединяя различные белки по разным причинам, например, для заживления ран или прикрепления белков к липидным мембранам. [ 21 ] [ 22 ] Сами ТГазы также содержат свою собственную «каталитическую триаду» с гистидином, аспартатом и цистеином. Роль этих остатков аналогична или такая же, как у ранее описанных сортаз, в том смысле, что His и Asp играют вспомогательную роль во взаимодействии с целевым остатком, тогда как Cys образует тиоэфир с карбоксильной группой для последующей нуклеофильной атаки первичным остатком. амин, в данном случае из-за интереса лизина. Хотя на этом сходство с сортазой в каталитическом отношении заканчивается, поскольку фермент и его семейство зависят от кальция, который играет решающую структурную роль в поддержании плотной конформации фермента. TGases также обладают совершенно разной субстратной специфичностью, поскольку они нацелены конкретно на средний Gln в последовательности «Gln-Gln-Val». Общая субстратная специфичность, т.е. специфический белок, обусловлена общей структурой различных ТГаз, которая нацеливает их на субстрат. [ 23 ]
У ТГаз была отмечена специфичность, заключающаяся в том, что разные ТГазы будут реагировать с разными Gln на одном и том же белке, что означает, что ферменты имеют очень специфическое первоначальное нацеливание. [ 24 ] Также было показано, что он обладает некоторой специфичностью в отношении того, к какой мишени лизина он переносит белок, как в случае с фактором XIII, где остаток, соседний с Lys, решает, произойдет ли реакция. [ 22 ] Таким образом, хотя на первый взгляд ТГазы могут показаться эукариотической сортазой, на самом деле они представляют собой отдельный набор ферментов.
Другим примером изопептид-связывающего фермента для структурных целей является актиновый домен поперечной сшивки (ACD) токсинного белка MARTX, вырабатываемого V. cholerae. Хотя было показано, что ACD при осуществлении катализа использует магний и АТФ для образования поперечных связей, особенности механизма неясны. Хотя интересный аспект поперечной связи, образующейся в этом случае, заключается в том, что она использует неконцевой Glu для лигирования с неконцевым Lys, что, по-видимому, редко встречается в процессе образования изопептидной связи. [ 25 ] Хотя химия ACD еще не выяснена, она показывает, что образование изопептидных связей не зависит просто от Asp/Asn для неконцевых изопептидных связей между белками.
Последний случай, который следует рассмотреть, — это любопытный случай посттрансляционных модификаций микротубилина (МТ). MT содержит широкий спектр посттрансляционных модификаций; однако наиболее интересными являются полиглутамилирование и полиглицилирование. Обе модификации схожи в том смысле, что они представляют собой повторяющиеся участки одной и той же аминокислоты, слитые с карбоксильной группой боковой цепи глутамата в С-концевой области МТ. Ферментативные механизмы не полностью выяснены, поскольку о полигликирующем ферменте известно немного. В случае полиглутамилирования точный механизм также неизвестен, но, по-видимому, он зависит от АТФ. [ 26 ] Хотя снова отсутствует ясность в отношении ферментативной химии, все еще существует ценная информация об образовании изопептидных связей с использованием карбоксила R-группы Glu в сочетании с N-концевой аминомодифицирующими пептидами.
Приложения
[ редактировать ]Спонтанное образование изопептидных связей было использовано при разработке пептидной метки под названием SpyTag . SpyTag может спонтанно и необратимо реагировать со своим партнером по связыванию (белком SpyCatcher) через ковалентную изопептидную связь. [ 27 ] Этот молекулярный инструмент может найти применение для нацеливания на белки in vivo , флуоресцентной микроскопии и необратимого прикрепления белковых микрочипов . После этого были разработаны другие системы Tag/Catcher, такие как SnoopTag/SnoopCatcher. [ 28 ] и SdyTag/SdyCatcher [ 29 ] которые дополняют SpyTag/SpyCatcher.
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Изопептидная связь – Определение и примеры» . Биологический онлайн-словарь . 07.10.2019 . Проверено 17 апреля 2023 г.
- ^ Мартин Р.Б. (декабрь 1998 г.). «Свободные энергии и равновесия гидролиза и образования пептидных связей». Биополимеры . 45 (5): 351–353. doi : 10.1002/(SICI)1097-0282(19980415)45:5<351::AID-BIP3>3.0.CO;2-K .
- ^ Jump up to: а б с Ву Дж., Фанг Ю.З., Ян С., Луптон-младший, Тернер Н.Д. (март 2004 г.). «Метаболизм глутатиона и его значение для здоровья» . Журнал питания . 134 (3): 489–492. дои : 10.1093/jn/134.3.489 . ПМИД 14988435 .
- ^ Jump up to: а б Викофф В.Р., Лильяс Л., Дуда Р.Л., Цурута Х., Хендрикс Р.В., Джонсон Дж.Е. (сентябрь 2000 г.). «Топологически связанные белковые кольца в капсиде бактериофага HK97». Наука . 289 (5487): 2129–2133. Бибкод : 2000Sci...289.2129W . дои : 10.1126/science.289.5487.2129 . ПМИД 11000116 .
- ^ Канг Х.Дж., Кулибали Ф., Клоу Ф., Профт Т., Бейкер Э.Н. (декабрь 2007 г.). «Стабилизация изопептидных связей, выявленных в структуре пилуса грамположительных бактерий». Наука . 318 (5856): 1625–1628. Бибкод : 2007Sci...318.1625K . дои : 10.1126/science.1145806 . ПМИД 18063798 . S2CID 5627277 .
- ^ Jump up to: а б с д и Кершер О., Фельбербаум Р., Хохштрассер М. (01.11.2006). «Модификация белков убиквитином и убиквитиноподобными белками». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 22 (1): 159–180. doi : 10.1146/annurev.cellbio.22.010605.093503 . ПМИД 16753028 .
- ^ Тернер Б.М. (ноябрь 2002 г.). «Клеточная память и код гистонов» . Клетка . 111 (3): 285–291. дои : 10.1016/S0092-8674(02)01080-2 . ПМИД 12419240 . S2CID 11787517 .
- ^ Гилл Дж. (сентябрь 2004 г.). «СУМО и убиквитин в ядре: разные функции, схожие механизмы?» . Гены и развитие . 18 (17): 2046–2059. дои : 10.1101/gad.1214604 . ПМИД 15342487 .
- ^ Ариенс Р.А., Лай Т.С., Вайзель Дж.В., Гринберг К.С., Грант П.Дж. (август 2002 г.). «Роль фактора XIII в образовании сгустков фибрина и эффекты генетического полиморфизма» . Кровь . 100 (3): 743–54. дои : 10.1182/blood.v100.3.743 . ПМИД 12130481 .
- ^ Jump up to: а б Гриффин М., Касадио Р., Бергамини С.М. (декабрь 2002 г.). «Трансглутаминазы: природные биологические клеи» . Биохимический журнал . 368 (Часть 2): 377–396. дои : 10.1042/bj20021234 . ПМК 1223021 . ПМИД 12366374 .
- ^ Вестерманн С., Вебер К. (декабрь 2003 г.). «Посттрансляционные модификации регулируют функцию микротрубочек». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 4 (12): 938–947. дои : 10.1038/nrm1260 . hdl : 11858/00-001M-0000-0012-EF93-5 . ПМИД 14685172 . S2CID 6933970 .
- ^ Марраффини Л.А., Дедент А.С., Шнеевинд О. (март 2006 г.). «Сортазы и искусство закрепления белков на оболочках грамположительных бактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 192–221. дои : 10.1128/MMBR.70.1.192-221.2006 . ПМЦ 1393253 . ПМИД 16524923 .
- ^ Jump up to: а б Кудряшов Д.С., Дюрер З.А., Иттерберг А.Ю., Савая М.Р., Пашков И., Прохазкова К. и др. (ноябрь 2008 г.). «Соединение мономеров актина изопептидной связью является механизмом токсичности токсина MARTX холерного вибриона» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (47): 18537–18542. Бибкод : 2008PNAS..10518537K . дои : 10.1073/pnas.0808082105 . ПМЦ 2587553 . ПМИД 19015515 .
- ^ Jump up to: а б с Кершер О., Фельбербаум Р., Хохштрассер М. (2006). «Модификация белков убиквитином и убиквитиноподобными белками». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 22 : 159–180. doi : 10.1146/annurev.cellbio.22.010605.093503 . ПМИД 16753028 .
- ^ Jump up to: а б Гилл Дж. (сентябрь 2004 г.). «СУМО и убиквитин в ядре: разные функции, схожие механизмы?» . Гены и развитие . 18 (17): 2046–2059. дои : 10.1101/gad.1214604 . ПМИД 15342487 .
- ^ Джексон П.К., Элдридж А.Г., Фрид Э., Фюрстенталь Л., Сюй Ю.И., Кайзер Б.К., Рейманн Дж.Д. (октябрь 2000 г.). «Знания о RING: распознавание субстратов и катализ убиквитинлигазами». Тенденции в клеточной биологии . 10 (10): 429–439. дои : 10.1016/S0962-8924(00)01834-1 . ПМИД 10998601 .
- ^ Граббе С., Дикич I (апрель 2009 г.). «Функциональные роли белков, содержащих убиквитин-подобный домен (ULD) и убиквитин-связывающий домен (UBD). Химические обзоры . 109 (4): 1481–1494. дои : 10.1021/cr800413p . ПМИД 19253967 .
- ^ Jump up to: а б Клэнси К.В., Мелвин Дж.А., Маккафферти Д.Г. (30 июня 2010 г.). «Сортаза-транспептидазы: понимание механизма, субстратной специфичности и ингибирования» . Биополимеры . 94 (4): 385–396. дои : 10.1002/bip.21472 . ПМЦ 4648256 . ПМИД 20593474 .
- ^ Марраффини Л.А., Дедент А.С., Шнеевинд О. (март 2006 г.). «Сортазы и искусство закрепления белков на оболочках грамположительных бактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 192–221. дои : 10.1128/MMBR.70.1.192-221.2006 . ПМЦ 1393253 . ПМИД 16524923 .
- ^ Будзик Дж.М., Марраффини Л.А., Суда П., Уайтлегге Дж.П., Фаулл К.Ф., Шнеевинд О. (июль 2008 г.). «Амидные связи соединяют пили на поверхности бацилл» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (29): 10215–10220. Бибкод : 2008PNAS..10510215B . дои : 10.1073/pnas.0803565105 . ПМЦ 2481347 . ПМИД 18621716 .
- ^ Ахвази Б., Штайнерт П.М. (август 2003 г.). «Модель механизма реакции фермента трансглутаминазы 3» . Экспериментальная и молекулярная медицина . 35 (4): 228–242. дои : 10.1038/emm.2003.31 . ПМИД 14508061 .
- ^ Jump up to: а б Ариенс Р.А., Лай Т.С., Вайзель Дж.В., Гринберг К.С., Грант П.Дж. (август 2002 г.). «Роль фактора XIII в образовании сгустков фибрина и эффекты генетического полиморфизма» . Кровь . 100 (3): 743–754. дои : 10.1182/blood.v100.3.743 . ПМИД 12130481 .
- ^ Ахвази Б., Штайнерт П.М. (август 2003 г.). «Модель механизма реакции фермента трансглутаминазы 3» . Экспериментальная и молекулярная медицина . 35 (4): 228–242. дои : 10.1038/emm.2003.31 . ПМИД 14508061 .
- ^ Гриффин М., Касадио Р., Бергамини С.М. (декабрь 2002 г.). «Трансглутаминазы: природные биологические клеи» . Биохимический журнал . 368 (Часть 2): 377–396. дои : 10.1042/BJ20021234 . ПМК 1223021 . ПМИД 12366374 .
- ^ Кудряшов Д.С., Дюрер З.А., Иттерберг А.Ю., Савая М.Р., Пашков И., Прохазкова К. и др. (ноябрь 2008 г.). «Соединение мономеров актина изопептидной связью является механизмом токсичности токсина MARTX холерного вибриона» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (47): 18537–18542. Бибкод : 2008PNAS..10518537K . дои : 10.1073/pnas.0808082105 . ПМЦ 2587553 . ПМИД 19015515 .
- ^ Вестерманн С., Вебер К. (декабрь 2003 г.). «Посттрансляционные модификации регулируют функцию микротрубочек». Обзоры природы. Молекулярно-клеточная биология . 4 (12): 938–947. дои : 10.1038/nrm1260 . hdl : 11858/00-001M-0000-0012-EF93-5 . ПМИД 14685172 . S2CID 6933970 .
- ^ Закери Б., Фирер Дж.О., Челик Э., Читток Э.К., Шварц-Линек У., Мой В.Т., Ховарт М. (март 2012 г.). «Пептидная метка, образующая быструю ковалентную связь с белком посредством создания бактериального адгезина» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (12): E690–E697. Бибкод : 2012PNAS..109E.690Z . дои : 10.1073/pnas.1115485109 . ПМК 3311370 . ПМИД 22366317 .
- ^ Веджиани Дж., Накамура Т., Бреннер М.Д., Гайет Р.В., Ян Дж., Робинсон К.В., Ховарт М. (февраль 2016 г.). «Программируемые полипротеамы, построенные с использованием двойных пептидных суперклеев» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 113 (5): 1202–1207. Бибкод : 2016ПНАС..113.1202В . дои : 10.1073/pnas.1519214113 . ПМЦ 4747704 . ПМИД 26787909 .
- ^ Тан Л.Л., Хун СС, Вонг Ф.Т. (26 октября 2016 г.). «Кинетические контролируемые взаимодействия меток-ловушек для направленной сборки ковалентного белка» . ПЛОС ОДИН . 11 (10): e0165074. Бибкод : 2016PLoSO..1165074T . дои : 10.1371/journal.pone.0165074 . ПМК 5082641 . ПМИД 27783674 .