Цистатионин бета-лиаза - Википедия - Cystathionine beta-lyase

цистатионин бета-лиаза
4itx.jpg
Тетрамер цистатионин-бета-лиазы, E.Coli
Идентификаторы
Номер ЕС4.4.1.8
Количество CAS9055-05-4
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Цистатионин бета-лиаза (EC 4.4.1.8 ), также обычно называемый CBL или же β-цистатионаза, является фермент что в первую очередь катализирует следующее α, β-исключение реакция[1]

Реакция, катализируемая цистатионин-бета-лиазой

Таким образом субстрат этого фермента L-цистатионин, а его 3 товары находятся гомоцистеин, пируват, и аммиак.[2][3][4]

Нашел в растения, бактерии, и дрожжи, цистатионин-бета-лиаза является важной частью метионин биосинтез путь поскольку гомоцистеин может быть напрямую преобразован в метионин путем метионинсинтаза.[3][5][6] Фермент принадлежит к гамма-семейству PLP-зависимых ферментов из-за использования в нем пиридоксаль-5'-фосфат (PLP) кофактор расщеплять цистатионин.[7] Фермент также принадлежит к семейству лиасы, в частности, класс сероуглеродных лиаз. В систематическое название этого класса ферментов L-цистатионин L-гомоцистеин-лиаза (дезаминирующая; пируват-образующая). Этот фермент участвует в 5 метаболические пути: метаболизм метионина, метаболизм цистеина, метаболизм сеноаминовой кислоты, метаболизм азота, и обмен серы.

Структура

Цистатионин-бета-лиаза представляет собой тетрамер состоит из идентичных подразделения, и строится как димер димеров, каждый из которых связан с одним молекула PLP, привязанного к каталитический сайт по лизин остаток.[6][8] Димер образован двумя мономеры связаны через несколько электростатический, водородная связь, и гидрофобные взаимодействия, тогда как тетрамер стабилизируется за счет взаимодействия между N-концевой домены и ключ α-спирали.[3]

Большинство остатков каталитического сайта фермента законсервированы среди ферментов, участвующих в путь транссульфурации.[6] Другие участники включают цистатионин гамма-синтаза, цистатионин гамма-лиаза, и метионин гамма-лиаза.[9][10] Кроме того, эти структуры демонстрируют тип I фолд и принадлежат к аспартатаминотрансфераза (AAT) семейство, характеризующееся гомодимерами с двугранная симметрия и активные сайты, состоящие из остатков, принадлежащих соседним субъединицам.[11][12]

Димер цистатионин-бета-лиазы. N-концевой домен показан зеленым, PLP-связывающий домен показан красным, а C-концевой домен показан голубым. Запись PDB: 4ITX

Мономер

Мономер цистатионин-бета-лиазы состоит из трех функционально и структурно различных доменов:

N-концевой домен

Состоит из трех α-спиралей и одной бета-нить которые способствуют формированию четвертичная структура.[6][13] Этот домен содержит остатки, которые взаимодействуют с активным сайтом соседней субъединицы для облегчения связывания субстрата и кофактора.[4]

PLP-связывающий домен

Содержит большинство каталитически релевантных остатков фермента. Он состоит из α-спиралей и β-листов с четким параллельным семинитевым β-листом. Эти листы образуют изогнутую структуру вокруг спирали, связывающей PLP. PLP ковалентно присоединен к остатку лизина на C-конец листа.[3][4]

С-концевой домен

Наименьший домен фермента, который прикреплен к PLP-связывающему домену длинной изогнутой α-спиралью. Домен имеет четырехцепочечную структуру. антипараллельный β-лист с соседними спиралями.[4]

Каталитический сайт

Помимо связывания с остатком лизина, PLP фиксируется в сайте связывания субстрата фермента посредством различных взаимодействий с каталитическими остатками. Амин - и гидроксил -содержащие остатки расположены на расстоянии водородных связей от четырех фосфат кислород.[3] Считается, что эта фосфатная группа вносит основной вклад в защиту PLP в активном центре. Кроме того, остатки, соседствующие с пиридин азот в PLP помочь стабилизировать его положительный заряд, тем самым увеличивая электрофильный персонаж.[14]

В ароматическое кольцо в PLP фиксируется почти копланарный тирозин остаток. Считается, что такая конфигурация увеличивает электрон понижающий характер кофактора. Эти стековые взаимодействия между PLP и ароматическими боковые цепи может быть обнаружен в большинстве PLP-зависимых ферментов, поскольку он играет важную роль в катализе реакции, облегчая трансальдиминирование.[15]

Остатки ключевых связывающих доменов, взаимодействующие с PLP. Остатки, принадлежащие соседней субъединице CBL Arabidopsis, показаны синим цветом. Запись в PDB: 1IBJ

Механизм

Как показано в механизм ниже, цистатионин-бета-лиаза способствует S-C связь расщепление цистатионина с использованием кофактора PLP, связанного с каталитическим остатком лизина.[3][4] Первоначально депротонированный аминогруппа необходима для проведения реакции трансальдиминирования.[13] Учитывая, что pH оптимум для фермента составляет от 8,0 до 9,0, остаток тирозина в каталитическом кармане существует как фенолят, который отрывает протон от α-аминогруппы субстрата.[5][6] На следующем этапе депротонированный амин подвергается нуклеофильный атакуют и вытесняют лизин с образованием База Шиффа, образуя внутренний альдимин.

Освободившийся лизин теперь может отвлекать протон от Cα и образуют хиноид средний, чему способствует делокализация отрицательного заряда над конъюгированными PLP p-система.[14] В дальнейшем протонирование Sγ индуцирует Cβ-Sγ разрыв связи с высвобождением гомоцистеина[3][13]

Внешний альдимин замещается нуклеофильной атакой лизина, регенерируя каталитически активный внутренний альдимин и высвобождая дегидроаланин.[4] Наконец, енамин таутомеризуется в я добываю что проходит гидролитический дезаминирование с образованием пирувата и аммиака.[16]

Механизм катализируется цистатионин-бета-лиазой. Кофактор и каталитические остатки показаны синим цветом.

Торможение

Растительные и бактериальные цистатионин-бета-лиазы ингибируются противомикробный аминокислота, L-аминоэтоксибинилглицин (AVG) и антибактериальный аминокислота, ризобитоксин.[3]

Растения

Цистатионин-бета-лиаза в растениях демонстрирует двухэтапный процесс инактивации механизма с помощью AVG, в котором обратимый комплекс фермент-ингибитор образуется до необратимой инактивации фермента:

Растение CBL Inhibition.png

Избыточное добавление цистатионина предотвращало инактивацию фермента, предполагая, что AVG действует как конкурентный ингибитор по отношению к цистатионину.[5] Кроме того, было показано, что фермент чувствителен к тиол -блокирующие ингибиторы, такие как N-этилмалеимид и идоацетамид.[8][17]

Бактерии

В отличие от растений, цистатионин-бета-лиаза у бактерий проявляет одноступенчатый механизм ингибирования:

Бактериальное ингибирование CBL.png

Через кинетические методы и Рентгеновская кристаллография наблюдали зависящее от времени ингибирование медленного связывания. Считается, что ингибитор связывается с ферментом так же, как и субстрат; однако после отрыва α-протона реакция продолжается с образованием неактивного производного PLP кетимина.[18]

AVG связывается с каталитическим PLP в сайте связывания субстрата CBL E. coli. Запись PDB: 1CL2

Эволюция

Арабидопсис цистатионин-бета-лиаза составляет 22% гомология с этими кишечная палочка аналог и даже более высокая гомология (от 28% до 36%) с цистатионин-λ-синтазой из растительных и бактериальных источников и цистатионин-λ-лиазой из Saccharomyces cerevisiae.[19] Все эти ферменты участвуют в Путь биосинтеза Cys / Met и принадлежат к тому же классу PLP-зависимых ферментов, что позволяет предположить, что эти ферменты произошли от общего предка.[6][20]

Промышленное значение

Цистатионин-бета-лиаза катализирует производство гомоцистеина, прямого предшественника метионина. Метионин - незаменимая аминокислота для бактерий, необходимая для синтеза белка и синтеза S-аденозилметионин; таким образом, аминокислота напрямую связана с ДНК репликация. Из-за необходимости в репликации ДНК ингибирование цистатионин-бета-лиазы является привлекательной мишенью для антибиотиков.[21] Кроме того, фермент отсутствует у человека, что снижает вероятность вредных и нежелательных побочные эффекты.[22]

Исследования связали противогрибковую активность некоторых противогрибковых агентов с ингибированием цистатионин-бета-лиазы; однако другие исследования не наблюдали ингибирования ими ферментов. Необходимы дальнейшие исследования, чтобы охарактеризовать полную степень ингибирования цистатионин-бета-лиазы на рост микробов и грибов.[21]

Рекомендации

  1. ^ Двиведи К.М., Рагин Р.К., Урен-младший (июнь 1982 г.). «Клонирование, очистка и характеристика бета-цистатионазы из Escherichia coli». Биохимия. 21 (13): 3064–9. Дои:10.1021 / bi00256a005. PMID  7049234.
  2. ^ Flavin M, Slaughter C (июль 1964 г.). "Цистатиониновые ферменты расщепления нейроспоры". Журнал биологической химии. 239: 2212–9. PMID  14209950.
  3. ^ а б c d е ж грамм час Брайтингер У., Клаузен Т., Элерт С., Хубер Р., Лабер Б., Шмидт Ф., Поль Э, Мессершмидт А. (июнь 2001 г.). «Трехмерная структура цистатионин-бета-лиазы из Arabidopsis и ее субстратная специфичность». Физиология растений. 126 (2): 631–42. Дои:10.1104 / стр. 126.2.631. ЧВК  111155. PMID  11402193.
  4. ^ а б c d е ж Клаузен Т., Лабер Б., Мессершмидт А. (1997-03-01). «Механизм действия цистатионин-бета-лиазы». Биологическая химия. 378 (3–4): 321–6. PMID  9165088.
  5. ^ а б c Дру М., Раванель С., Дус Р. (январь 1995 г.). «Биосинтез метионина у высших растений. II. Очистка и характеристика цистатионин-бета-лиазы из хлоропластов шпината». Архивы биохимии и биофизики. 316 (1): 585–95. Дои:10.1006 / abbi.1995.1078. PMID  7840670.
  6. ^ а б c d е ж Мессершмидт А., Ворбс М., Стигборн С., Валь М.С., Хубер Р., Лабер Б., Клаузен Т. (март 2003 г.). «Детерминанты ферментативной специфичности в семействе PLP-зависимых ферментов метаболизма Cys-Met: сравнение кристаллической структуры цистатионин гамма-лиазы из дрожжей и внутризнакомой структуры». Биологическая химия. 384 (3): 373–86. Дои:10.1515 / BC.2003.043. PMID  12715888. S2CID  24552794.
  7. ^ Александр Ф.В., Сандмайер Э, Мехта П.К., Кристен П. (февраль 1994 г.). «Эволюционные отношения между пиридоксаль-5'-фосфат-зависимыми ферментами. Регио-специфические альфа, бета и гамма семейства». Европейский журнал биохимии. 219 (3): 953–60. Дои:10.1111 / j.1432-1033.1994.tb18577.x. PMID  8112347.
  8. ^ а б Раванель С., Джоб Д., Дус Р. (декабрь 1996 г.). «Очистка и свойства цистатионин-бета-лиазы из Arabidopsis thaliana, сверхэкспрессируемой в Escherichia coli». Биохимический журнал. 320 (Pt 2) (2): 383–92. Дои:10.1042 / bj3200383. ЧВК  1217943. PMID  8973544.
  9. ^ Холбрук Е.Л., Грин Р.С., Крюгер Дж. Х. (январь 1990 г.). «Очистка и свойства цистатионин гамма-синтазы из сверхпродуцирующих штаммов Escherichia coli». Биохимия. 29 (2): 435–42. Дои:10.1021 / bi00454a019. PMID  2405903.
  10. ^ Kreft BD, Townsend A, Pohlenz HD, Laber B (апрель 1994 г.). «Очистка и свойства цистатионин [гамма] -синтазы из пшеницы (Triticum aestivum L.)». Физиология растений. 104 (4): 1215–1220. Дои:10.1104 / pp.104.4.1215. ЧВК  159283. PMID  12232160.
  11. ^ Гришин Н.В., Филлипс М.А., Голдсмит Э.Дж. (июль 1995 г.). «Моделирование пространственной структуры орнитиндекарбоксилаз эукариот». Белковая наука. 4 (7): 1291–304. Дои:10.1002 / pro.5560040705. ЧВК  2143167. PMID  7670372.
  12. ^ Янсониус, JN (Декабрь 1998 г.). «Структура, эволюция и действие витамин B6-зависимых ферментов». Текущее мнение в структурной биологии. 8 (6): 759–69. Дои:10.1016 / s0959-440x (98) 80096-1. PMID  9914259.
  13. ^ а б c Клаузен Т., Хубер Р., Лабер Б., Поленц HD, Мессершмидт А (сентябрь 1996 г.). «Кристаллическая структура пиридоксаль-5'-фосфат-зависимой цистатионин-бета-лиазы из Escherichia coli при 1,83 А». Журнал молекулярной биологии. 262 (2): 202–24. Дои:10.1006 / jmbi.1996.0508. PMID  8831789.
  14. ^ а б Джон Р.А. (апрель 1995 г.). «Пиридоксальфосфатзависимые ферменты». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура белка и молекулярная энзимология. 1248 (2): 81–96. Дои:10.1016 / 0167-4838 (95) 00025-п. PMID  7748903.
  15. ^ Эйткен С.М., Лодха П.Х., Морно DJ (ноябрь 2011 г.). «Ферменты путей транссульфурации: характеристики активного центра». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика. 1814 (11): 1511–7. Дои:10.1016 / j.bbapap.2011.03.006. PMID  21435402.
  16. ^ «ENZYME, запись 4.4.1.8». фермент.expasy.org. Получено 2017-03-09.
  17. ^ Джентри-Уикс CR, Спикс Дж., Томпсон Дж. (Март 1995 г.). «Бета-цистатионаза из Bordetella avium. Роль (и) лизина 214 и остатков цистеина в активности и цитотоксичности». Журнал биологической химии. 270 (13): 7695–702. Дои:10.1074 / jbc.270.13.7695. PMID  7706318.
  18. ^ Клаузен Т., Хубер Р., Мессершмидт А., Поленц HD, Лабер Б. (октябрь 1997 г.). «Медленное связывание ингибирования цистатионин-бета-лиазы Escherichia coli L-аминоэтоксивинилглицином: кинетические и рентгеновские исследования». Биохимия. 36 (41): 12633–43. Дои:10.1021 / bi970630m. PMID  9376370.
  19. ^ Раванель С., Гакиер Б., Джоб Д., Дус Р. (июнь 1998 г.). «Особенности биосинтеза и метаболизма метионина в растениях». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 95 (13): 7805–12. Bibcode:1998PNAS ... 95.7805R. Дои:10.1073 / пнас.95.13.7805. ЧВК  22764. PMID  9636232.
  20. ^ Белфаиза Дж., Парсо С., Мартель А., де ла Тур CB, Маргарита Д., Коэн Г. Н., Сен-Жирон I (февраль 1986 г.). «Эволюция биосинтетических путей: два фермента, катализирующие последовательные этапы биосинтеза метионина, происходят от общего предка и обладают схожей регуляторной областью». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 83 (4): 867–71. Bibcode:1986ПНАС ... 83..867Б. Дои:10.1073 / pnas.83.4.867. ЧВК  322971. PMID  3513164.
  21. ^ а б Ejim LJ, Blanchard JE, Koteva KP, Sumerfield R, Elowe NH, Chechetto JD, Brown ED, Junop MS, Wright GD (февраль 2007 г.). «Ингибиторы бактериальной цистатионин-бета-лиазы: ведет к новым антимикробным средствам и зондам структуры и функции ферментов». Журнал медицинской химии. 50 (4): 755–64. Дои:10.1021 / jm061132r. PMID  17300162.
  22. ^ Ястшембовская К., Габриэль I (февраль 2015 г.). «Ингибиторы биосинтеза аминокислот как противогрибковые средства». Аминокислоты. 47 (2): 227–49. Дои:10.1007 / s00726-014-1873-1. ЧВК  4302243. PMID  25408465.