Муконат-лактонизирующий фермент
| Муконат циклоизомераза | |||
|---|---|---|---|
 Октамер муконатциклоизомеразы, Thermotoga maritima | |||
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 5.5.1.1 | ||
| Номер CAS. | 9023-72-7 | ||
| 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 | ||
| |||
Муконат-лактонизирующие ферменты ( EC 5.5.1.1 , муконат-циклоизомераза I , цис,цис-муконат-лактонизирующий фермент , цис,цис-муконат-циклоизомераза , 4-карбоксиметил-4-гидроксиизокротонолактонлиаза (дециклизирующая) , CatB , MCI , MLE , 2,5-дигидро-5-оксофуран-2-ацетатлиаза (дециклизующая)) участвуют в расщеплении производных лигнина ароматических соединений, катехола и протокатехината до промежуточных продуктов цикла лимонной кислоты как часть β-кетоадипатного пути у почвенных микробов. . Некоторые виды бактерий также способны дегалогенировать хлорароматические соединения под действием ферментов, лактонизирующих хлормуконат . MLE состоят из нескольких цепей, которые имеют разные части, благоприятные для реакции, поэтому конфигурация цепей влияет на их способность принимать протоны. [ 1 ] Бактериальные MLEs принадлежат к суперсемейству енолаз , несколько структур которого известны. [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] MLE имеют идентифицирующую структуру, состоящую из двух белков и двух ионов магния, а также различных классов в зависимости от того, являются ли они бактериальными или эукариотическими. [ 5 ] [ 6 ] Механизм реакции, которому подвергаются MLE, является обратным бета-элиминированию, при котором енолят альфа-углерода протонируется. [ 7 ] MLE могут подвергаться мутациям, вызванным делецией структурных генов catB, что может привести к потере некоторыми бактериями своих функций, таких как способность к росту. [ 8 ] Дополнительные мутации MLE могут привести к изменению его структуры и функции, а также к изменению конформации, что делает его неактивным ферментом, который не может связывать свой субстрат. [ 1 ] Существует еще один фермент, называемый Mandelate Racemase, который очень похож на MLE по структурному признаку, а также оба они являются частью суперсемейства енолаз. Оба они имеют один и тот же конечный продукт, хотя для достижения конечного продукта они подвергаются разным химическим реакциям. [ 9 ] [ 10 ]
Структура
[ редактировать ]Структура лактонизирующих ферментов муконата (МЛЭ) представляет собой семилопастный бета-пропеллер с различными модификациями в зависимости от типа класса, к которому он принадлежит. Существует три класса MLE: бактериальные MLE, бактериальные CMLE и эукариотические MLE/CMLE. MLE бактерий состоят из ствола TIM и расположены в стереохимии Syn, тогда как бактериальные CMLE расположены в стереохимии Anti. Когда дело доходит до эукариотических MLE/CMLE, они устроены в стереохимии Syn. Эукариотические MLE/CMLE не имели сходства последовательностей с какими-либо другими семействами ферментов, но было обнаружено, что MLE бактерий сходны с суперсемейством енолаз, а бактериальные CMLE подобны фумаразам класса II. [ 6 ]
Сама структура состоит из двух белковых молекул, состоящих из цепочки аминокислот, и двух химических веществ, представляющих собой два иона магния. [ 5 ]
Функция
[ редактировать ]В больших масштабах MLE катализируют бактериальные пути β-кетоадипата путем катаболизма ароматического лигнина, обнаруженного в растениях, до промежуточных продуктов, обнаруженных в цикле Кребса. Некоторые MLE могут галогенироваться Cl и выполнять в микробах несколько иные функции. Галогенированные MLE могут удалять Cl из галогенированных ароматических соединений, что позволяет разложить 2,4-дихлорфеноксиацетат. Эта уникальная функция позволяет использовать эти микробы в биоремедиации, снижая токсичность почвы, зараженной гербицидами. [ 1 ] Более конкретно, MLE имеют несколько направлений. Согласно анализу квантовой/молекулярной механики (QM/MM), некоторые цепи содержат более благоприятные для реакции участки. Вторая цепь MLE содержит основной остаток, который обеспечивает принятие протона на Lys-162 или Lys-168, в зависимости от того, в какой конфигурации он находится: анти- или син-соответственно. Подтверждается, что основные остатки второй цепи используются в формировании энергетической поверхности по сравнению с шестой цепью. MLE, обнаруженные в Mycobacterium smegmatis, являются анти-MLE, что означает, что они производят антипродукт муконолактона (муконат-лактон), тогда как Pseudomonas fluorescens использует син-MLE для производства син-продукта. [ 11 ]
Механизм и действие
[ редактировать ]Муконат-лактонизирующие ферменты (MLE) имеют механизм реакции, противоположный механизму реакции по сравнению с манделата-рацемазой (MR), который является обратным механизму бета-элиминирования. Следовательно, альфа-углерод енолята протонируется, а не депротонируется. Но это протонирование является термодинамически выгодной стадией реакции. Кроме того, как и в MR, в MLE образование енолятного промежуточного продукта по-прежнему является центральной каталитической проблемой, поэтому является стадией, ограничивающей скорость. Более того, MLE могут облегчать катализ, присоединяя субстрат и, следовательно, увеличивая нуклеофильность карбоксилата для получения лактона. [ 11 ]
Действие муконат-лактонизирующего фермента катализирует ту же реакцию присоединения-отщепления 1,2. Это можно сделать с металлическим кофактором или без него. В почвенных микробах цис-цисмуконаты (субстрат) превращаются в муконолактоны (продукт) под действием МЛЭ. Эта химическая реакция является частью β-кетоадипатного пути, аэробного катаболического пути, который расщепляет ароматические соединения, такие как лигнин, до промежуточного продукта в цикле лимонной кислоты. β-кетоадипатный путь имеет две основные ветви: 1) катехоловую ветвь и 2) протокатехиновую ветвь. Катехоловая ветвь состоит из цис-, цис-муконат-лактонизирующего фермента , тогда как протокатехоатная ветвь состоит из карбокси- цис-, цис-муконат-лактонизирующего фермента. Обе реакции образуют сукцинат + ацетил-КоА, что приводит к циклу лимонной кислоты. [ 6 ] С другой стороны, рацемаза Mandelate катализирует инверсию конфигурации альфа-углерода путем создания карбанионного промежуточного соединения. [ 12 ]
Мутация
[ редактировать ]Мутация лактонизирующего фермента Mucanote может быть вызвана делецией структурного гена catB и потерей плейотропной активности как гена catB , так и catC . [ 8 ] Микроорганизм под названием Pseudomona putida теряет способность к росту из-за делеции в catB гене фермента, лактонизирующего муконат. Pseudomona putida (холодочувствительный мутант) обычно растет при 30 градусах С, но в результате мутации цис-, цис-муконат-лактонизирующего фермента она теряет способность расти и при 15 градусах. мутантный фермент не теряет своей функции, а скорее структурный ген, кодирующий этот конкретный фермент, теряет способность экспрессировать свой ген при этой температуре. [ 13 ]
Кроме того, мутация также может привести к изменению структуры и функции фермента. Другая структура, возникающая в результате мутации фермента, лактонизирующего муконат, представляет собой фермент, лактонизирующий муконат Cl. Cl-муконат-лактонизирующий фермент имеет два типа конформации: открытую и закрытую. [ 1 ] Мутация приводит к переключению аминокислоты на Ser99 и ее водородной связи с Gly48. Получающаяся в результате структура имеет закрытый активный сайт. Следовательно, это изменение от фермента, лактонизирующего муконат, к ферменту, лактонизирующему муконат Cl, приводит к динамическим различиям в связывающей способности активного центра. Наконец, изменение связывающей способности не позволит реакции дегалогенирования протекать дальше. Следует отметить один важный аспект: не может быть конформационного изменения Gly48 на Thr52. Это связано с тем, что полипептид не сможет скручиваться, если заменить Gly48. Кроме того, Thr52 и Glu50 связаны между собой водородными связями. [ 7 ]
Дополнительное изменение конформации вследствие мутации фермента, лактонизирующего муконат, может привести к образованию петли 21-30. Это может привести к существенной разнице в активных центрах, поскольку показывает разницу в полярности аминокислоты. В Cl - муконат-лактонизирующем ферменте Ile19 и Met21 менее полярны по сравнению с His22 (то же положение, что и Ile19) для муконат-лактонизирующего фермента . Следовательно, это приводит к различию в структуре гидрофобного ядра в активном центре.
Ферменты очень специфичны по отношению к своим субстратам, и образование продукта зависит от активности фермента-субстрата. Точечная мутация, которая привела к появлению вариантов Ser271Ala и Ile54Val, для Cl-муконирующего фермента, показала значительное снижение активности дегалогенирования. [ 1 ] Одним из преимуществ мутации фермента, лактонизирующего муконат, с Asp на Asn или с Glu на Gln является то, что она может помочь понять влияние металлического лиганда на каталитический процесс и сайт связывания.
Сравнение муконат-лактонизирующих ферментов и манделат-рацемазы
[ редактировать ]Mandelate Racemase имеет прочную связь с лактонизирующими ферментами муконата. Хотя муконат-лактонизирующий фермент и манделата-рацемаза катализируют различные химические реакции, необходимые Pseudomonas putida для катаболических процессов, структурно они очень похожи друг на друга. По данным Международного научного журнала Nature, оба фермента «на 26% идентичны по своей первичной структуре». По данным Международного научного журнала Nature, эта характеристика гомологичной структуры произошла от общего предка. Эта функция помогает изменить ферментативную активность метаболических путей. [ 9 ]
Согласно книге «Ферментативный механизм» Перри А. Фрея и Декстера Б. Нортропа , муконат-лактонизирующие ферменты и манделата-рацемаза являются членами суперсемейства енолаз. Несмотря на то, что оба фермента различаются по своим химическим реакциям, они оба имеют один и тот же конечный продукт, который приводит к извлечению протона из альфа-углерода в карбоксилат-ион. Одним из преимуществ сходства структуры этих двух ферментов является создание высококачественного структурного выравнивания, которое может помочь улучшить их состав и повысить скорость реакции. [ 10 ]
Следующая таблица помогает выявить некоторые сходства между обоими ферментами:
| Муконат-лактонизирующие ферменты | Манделата Рацема | |
|---|---|---|
| Форма октамеров | Да | Да |
| Мономер имеет 4 области вторичных структур:
1) Бета-меандр 2) Пучок Альфа-спирали. 3) Восьминитевая альфа/бета-бочка 4) С-концевой смешанный домен |
Да | Да |
| Требуется ион двухвалентного металла по адресу:
1) Сайт с высокой посещаемостью 2)Сайт с низкой посещаемостью |
Да | Да |
| Остатки | Е250 (аналог Е222) | Е222 (аналог Е250) |
| Тип остатков | Глютамин | Глютамин |
| Резиденция глутамина и его боковые цепи | Отклоняется от активного сайта | Отклоняется от активного сайта |
| Общие функции активного сайта | Для извлечения протона требуется каталитическое основание K169 (гомологичное K166) или K273 (гомологичное D270). | Для извлечения протона требуется каталитическое основание K166 (гомологичное K169) и D270 (гомологичное K273). |
| Катаболические основания расположены на одной из бета-цепей.
из них состоит бочка |
Да | Да |
| Требуется стабилизация переходного состояния (второе
карбоксилат кислорода) |
Короткая прочная водородная связь (низкобарьерная водородная связь) стабилизирует переходное состояние с помощью E327 (аналог E317). | Короткая прочная водородная связь (низкобарьерная водородная связь) стабилизирует переходное состояние с помощью E317 (аналог E327). |
Хотя сходства очень распространены, разница между этими двумя ферментами позволяет понять различия в упаковке фермента в кристаллической форме. Следующая таблица помогает выявить некоторые различия между обоими ферментами:
| Муконат-лактонизирующие ферменты | Манделата Рацема | |
|---|---|---|
| Среднеквадратичное отклонение | в позиции 171 сопоставленного альфа-углерода составляет 2,0 Å. | в положении 325 подобранных α-углеродов составляет 1,7 Å. |
| Вращение октамеров | различаются всего на 2% (136 Å против 139 Å) | связаны в 3 раза (265 Å против 84 Å) |
| Кристаллическая форма в пространственной группе | я4 | I422 |
| Контакты между октамерами в кристаллах | очень слабый | очень сильный |
| Количество субъединиц в кристаллической форме | Два | Три |
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Каяндер Т., Лехтиё Л., Шлёманн М., Гольдман А. (сентябрь 2003 г.). «Структура лактонизирующего фермента Cl-муконата Pseudomonas P51: совместная эволюция структуры и динамики с функцией дегалогенирования» . Белковая наука . 12 (9): 1855–64. дои : 10.1110/ps.0388503 . ПМК 2323983 . ПМИД 12930985 .
- ^ Орнстон Л.Н. (август 1966 г.). «Превращение катехола и протокатехината в бета-кетоадипат Pseudomonas putida. 3. Ферменты катехолового пути» . Журнал биологической химии . 241 (16): 3795–9. дои : 10.1016/S0021-9258(18)99841-8 . ПМИД 5330966 .
- ^ Орнстон, Л.Н. (1970). «Превращение катехола и протокатехината в β-кетоадипат (Pseudomonas putida)». Метаболизм аминокислот и аминов . Часть А. Методы энзимологии. Том. 17А. стр. 529–549. дои : 10.1016/0076-6879(71)17237-0 . ISBN 9780121818746 .
- ^ Систром В.Р., Станье Р.Ю. (октябрь 1954 г.). «Механизм образования бета-кетоадипиновой кислоты бактериями» . Журнал биологической химии . 210 (2): 821–36. дои : 10.1016/S0021-9258(18)65409-2 . ПМИД 13211620 .
- ^ Jump up to: а б NCBI/CBB/Структурная группа. «3DG3: Кристаллическая структура муконат-лактонизирующего фермента из Mucobacterium Smegmatis» . www.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 27 ноября 2018 г.
- ^ Jump up to: а б с Каяндер, Томми; Меркель, Майкл К.; Томпсон, Эндрю; Дикон, Эшли М.; Мазур, Пол; Козарич, Джон В.; Гольдман, Адриан (1 апреля 2002 г.). «Структура лактонизирующего фермента 3-карбокси-цис, цис-муконат Neurospora crassa, β-пропеллера циклоизомеразы» . Структура . 10 (4): 483–492. дои : 10.1016/S0969-2126(02)00744-X . ISSN 0969-2126 . ПМИД 11937053 .
- ^ Jump up to: а б Томми К. (2003). Структурная эволюция функции и стабильности ферментов, лактонизирующих муконаты . Университет Хельсинки. ISBN 978-9521003387 . OCLC 58354177 .
- ^ Jump up to: а б Уилис М.Л., Орнстон Л.Н. Генетический контроль индукции фермента в β-кетоадипатном пути Pseudomonas putida: делеционное картирование мутаций кошек . OCLC 678549695 .
- ^ Jump up to: а б Нейдхарт Д.Д., Кеньон Г.Л., Герлт Дж.А., Пецко Г.А. (октябрь 1990 г.). «Манделатарацемаза и муконатлактонизирующий фермент механически различны и структурно гомологичны». Природа . 347 (6294): 692–4. Бибкод : 1990Natur.347..692N . дои : 10.1038/347692a0 . ПМИД 2215699 . S2CID 4350795 .
- ^ Jump up to: а б Фрей П.А., Northrop DB (1999). Ферментативные механизмы . Амстердам: IOS Press. ISBN 978-9051994322 . OCLC 40851146 .
- ^ Jump up to: а б Сомбун Т., Глисон, член парламента, Ханнонгбуа С. (февраль 2012 г.). «Понимание механизма реакции цис, цис-муконатных лактонизирующих ферментов: исследование DFT QM/MM». Журнал молекулярного моделирования . 18 (2): 525–31. дои : 10.1007/s00894-011-1088-2 . ПМИД 21541743 . S2CID 38893825 .
- ^ Болдуин Т.О., Раушел Ф.М., Скотт А.И. (11 ноября 2013 г.). Химические аспекты ферментной биотехнологии: основы . Нью-Йорк, ISBN штата Нью-Йорк 9781475796377 . OCLC 887170610 .
{{cite book}}: CS1 maint: отсутствует местоположение издателя ( ссылка ) - ^ Кондон С., Ингрэм Дж.Л. (декабрь 1967 г.). «Холодочувствительная мутация Pseudomonas putida, влияющая на синтез ферментов при низкой температуре» . Журнал бактериологии . 94 (6): 1970–81. дои : 10.1128/jb.94.6.1970-1981.1967 . ПМК 276929 . ПМИД 6074402 .
- ^ Jump up to: а б Хэссон М.С., Шлихтинг И., Мулаи Дж., Тейлор К., Барретт В., Кеньон Г.Л., Бэббит П.С., Герлт Дж.А., Пецко Г.А., Ринге Д. (сентябрь 1998 г.). «Эволюция активного центра фермента: структура новой кристаллической формы лактонизирующего фермента муконата по сравнению с манделатарацемазой и енолазой» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 95 (18): 10396–401. Бибкод : 1998PNAS...9510396H . дои : 10.1073/pnas.95.18.10396 . ПМК 27905 . ПМИД 9724714 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- цис, цис-муконат + лактонизирующий + фермент в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
