Энолаза - Enolase

фосфопируватгидратаза
Энолаза 2ONE wpmp.png
Димер дрожжевой енолазы.[1]
Идентификаторы
Номер ЕС4.2.1.11
Количество CAS9014-08-8
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO
Энолаза, N-концевой домен
PDB 1pdz EBI.jpg
Рентгеновская структура и каталитический механизм энолазы омаров
Идентификаторы
СимволЭнолаза_N
PfamPF03952
Pfam кланCL0227
ИнтерПроIPR020811
PROSITEPDOC00148
SCOP21элс / Объем / СУПФАМ
Энолаза
2XSX.pdb.png
Кристаллическая структура димерной бета-энолазы человека ENO3.[2]
Идентификаторы
СимволЭнолаза
PfamPF00113
ИнтерПроIPR000941
PROSITEPDOC00148

Энолаза, также известный как фосфопируватгидратаза, это металлофермент отвечает за катализ превращения 2-фосфоглицерат (2-PG) на фосфоенолпируват (PEP), девятый и предпоследний этап гликолиз. В химическая реакция Катализируется енолазой:

2-фосфо-D-глицерат фосфоенолпируват + H2О

Энолаза принадлежит к семейству лиасы особенно гидролазы, которые расщепляют углерод-кислородные связи. Систематическое название этого фермента 2-фосфо-D-глицерат гидролаза (образующая фосфоенолпируват).

Реакция обратима, в зависимости от концентрации субстратов в окружающей среде.[3] Оптимальный pH для человеческого фермента - 6,5.[4] Энолаза присутствует во всех тканях и организмах, способных к гликолизу или ферментация. Фермент был открыт Ломаном и Мейерхоф в 1934 г.,[5] и с тех пор был изолирован из различных источников, включая человеческие мышцы и эритроциты.[4] В людях, дефицит ENO1 связано с наследственным гемолитическая анемия, а дефицит ENO3 связан с болезнь накопления гликогена тип X.

Изоферменты

У человека есть три субъединицы енолазы, α, β, и γ, каждый из которых кодируется отдельным геном, который может объединяться, образуя пять различных изоферменты: αα, αβ, αγ, ββ и γγ.[3][6] Три из этих изоферментов (все гомодимеры) чаще встречаются в клетках взрослого человека, чем другие:

  • αα или ненейрональная енолаза (NNE). Также известный как энолаза 1. Обнаруживается во множестве тканей, включая печень, мозг, почки, селезенку, жировую ткань. На определенном уровне он присутствует во всех нормальных клетках человека.
  • ββ или мышечно-специфическая енолаза (MSE). Также известный как энолаза 3. Этот фермент в основном ограничен мышцами, где он присутствует в мышцах в очень высоких количествах.
  • γγ или нейрон-специфическая энолаза (NSE). Также известный как энолаза 2. Очень высокий уровень экспрессируется в нейронах и нервных тканях, где он может составлять до 3% от общего количества растворимого белка. Он экспрессируется на гораздо более низких уровнях в большинстве клеток млекопитающих.

Находясь в одной и той же клетке, разные изоферменты легко образуют гетеродимеры.[нужна цитата ]

Структура

Энолаза является членом большого надсемейство энолаз. Его молекулярная масса составляет 82000-100000 дальтон в зависимости от изоформы.[3][4] В человеческом альфа-энолаза, две субъединицы антипараллельный в ориентации так, чтобы Glu20 одной субъединицы образует ионную связь с Arg414 другой субъединицы.[3] Каждая субъединица имеет два отдельных домена. Меньший N-концевой домен состоит из трех α-спирали и четыре β-листы.[3][6] Более крупный С-концевой домен начинается с двух β-листов, за которыми следуют две α-спирали, и заканчивается бочкой, состоящей из чередующихся β-листов и α-спиралей, расположенных так, что β-бета-листы окружены α-спиралями.[3][6] Компактная глобулярная структура фермента является результатом значительных гидрофобных взаимодействий между этими двумя доменами.

Энолаза - это высококонсервативный фермент с пятью остатками активного центра, которые особенно важны для активности. По сравнению с енолазой дикого типа мутантная енолаза, которая различается по Glu168, Glu211, Lys345, или Lys396 Остаток имеет уровень активности, который снижен в 105 раз.[3] Также изменения, влияющие на Его159 оставляют мутант только с 0,01% его каталитической активности.[3] Неотъемлемой частью енолазы являются два Mg2+ кофакторы в активном центре, которые служат для стабилизации отрицательных зарядов в субстрате.[3][6]

В последнее время совместные функции нескольких энолаз, такие как взаимодействие с плазминогеном, вызвали интерес к каталитическим петлям ферментов и их структурному разнообразию.[7][8]

  • Трехмерное изображение димера енолазы в антипараллельной ориентации. N-концевой Glu одного димера20 образует ионную связь с C-концом Arg другого414 для стабилизации четвертичной структуры фермента.

  • Активный сайт енолазы в середине ствола С-концевого домена. Изображены два Mg2+ кофакторы и пять высококонсервативных остатков, необходимых для правильной каталитической функции: His159, Glu168, Glu211, Lys345, Lys396.

Механизм

Механизм преобразования 2ПГ в ПЭП.

Предполагается, что с использованием изотопных зондов общий механизм превращения 2-PG в PEP Реакция элиминирования E1cB с участием карбанионного промежуточного звена.[9] Следующий подробный механизм основан на исследованиях кристаллической структуры и кинетика.[3][10][11][12][13][14][15] Когда субстрат, 2-фосфоглицерат, связывается с α-енолазой, его карбоксильная группа координируется с двумя кофакторами ионов магния в активном центре. Это стабилизирует отрицательный заряд депротонированного кислорода, увеличивая кислотность альфа-водорода. Лиз энолазы345 депротонирует альфа-водород, и результирующий отрицательный заряд стабилизируется за счет резонанса с кислородом карбоксилата и кофакторами ионов магния. После образования промежуточного карбаниона гидроксид на C3 удаляется в виде воды с помощью Glu211, и формируется PEP.

Кроме того, внутри фермента происходят конформационные изменения, которые помогают катализу. В человеческой α-енолазе субстрат поворачивается в нужное положение при связывании с ферментом из-за взаимодействия с двумя каталитическими ионами магния, Gln167, и Lys396. Движения петель Сер36 к его43, Сер158 к Gly162, и Жерех255 к Asn256 разрешить Ser39 согласовывать с Mg2+ и закройте активный сайт. Помимо координации с каталитическими ионами магния, pKa альфа-водорода субстрата также снижается из-за протонирования фосфорильной группы His159 и его близость к Арг374. Arg374 также вызывает Lys345 в активном центре, чтобы стать депротонированным, что приводит к активации Lys345 за его роль в механизме.

Диагностическое использование

В недавних медицинских экспериментах были взяты образцы концентраций енолазы в попытке диагностировать определенные состояния и их тяжесть. Например, более высокие концентрации енолазы в спинномозговая жидкость более сильно коррелирует с низкосортным астроцитома чем другие тестируемые ферменты (альдолаза, пируваткиназа, креатинкиназа, и лактатдегидрогеназа ).[16] То же исследование показало, что самая быстрая скорость роста опухоли наблюдалась у пациентов с самым высоким уровнем энолазы в спинномозговой жидкости. Повышенные уровни энолазы также были выявлены у пациентов, перенесших недавнюю инфаркт миокарда или же нарушение мозгового кровообращения. Было сделано заключение, что уровни нейрон-специфической энолазы ЦСЖ, сыворотка NSE и креатинкиназа (тип BB) являются показательными при прогностической оценке жертв остановки сердца.[17] Другие исследования были сосредоточены на прогностической ценности NSE у жертв цереброваскулярных нарушений.[18]

Аутоантитела к альфа-енолазе связаны с редким синдромом, называемым Энцефалопатия Хашимото.[19]

Ингибиторы

Низкомолекулярные ингибиторы енолазы были синтезированы как химические зонды (субстраты-аналоги) каталитического механизма фермента, а в последнее время были исследованы в качестве потенциальных средств лечения рака и инфекционных заболеваний.[20][21] Большинство ингибиторов обладают хелатирующими свойствами металлов и связываются с ферментом за счет взаимодействия со структурным атомом магния Mg (A).[22][23] Самый мощный из них - фосфоноацетогидроксамат,[23] который в своей непротонированной форме имеет сродство к ферменту pM. Он имеет структурное сходство с предполагаемым промежуточным каталитическим соединением между PEP и 2-PG. Были предприняты попытки использовать этот ингибитор в качестве препарата против трипаносом,[24] а в последнее время как противораковое средство, в частности, в глиобластома с недостаточностью энолазы из-за гомозиготной делеции ENO1 ген как часть локуса опухолевого супрессора 1p36 (синтетическая летальность ).[25] Натуральный продукт фосфонат антибиотик, SF2312 (CAS 107729-45-3), который активен против грамположительных и отрицательных бактерий, особенно в анаэробных условиях,[26] является высокоэффективным ингибитором энолазы 4zcw связывается аналогично фосфоноацетогидроксамату 4za0.[27] Аллостерическое связующее, ENOblock [21] первоначально был описан как ингибитор энолазы, но впоследствии было показано, что он фактически не ингибирует фермент, а, скорее, мешает ферментативному анализу энолазы in vitro. [28] Было обнаружено, что ENOblock изменяет клеточную локализацию енолазы, влияя на ее вторичные, негликолитические функции, такие как регуляция транскрипции.[29] Последующий анализ с использованием коммерческого анализа также показал, что ENOblock может ингибировать активность енолазы в биологических условиях, таких как клетки и ткани животных.[29] Метилглиоксаль также был описан как ингибитор энолазы человека. [30]

Фторид является известным конкурентом субстрата енолазы 2-PG. Фторид может образовывать комплекс с магнием и фосфатом, который связывается в активном центре вместо 2-PG.[4] Одно исследование показало, что фторид может ингибировать бактериальную энолазу. in vitro[31]

Рекомендации

  1. ^ PDB: 2ONE​; Чжан Э., Брюэр Дж. М., Минор В., Каррейра Л. А., Лебиода Л. (октябрь 1997 г.). «Механизм енолазы: кристаллическая структура асимметричного димера енолаза-2-фосфо-D-глицерат / енолаза-фосфоенолпируват при разрешении 2,0 А». Биохимия. 36 (41): 12526–34. Дои:10.1021 / bi9712450. PMID  9376357.
  2. ^ PDB: 2XSX​; Vollmar M, Krysztofinska E, Chaikuad A, Krojer T, Cocking R, Vondelft F, Bountra C, Arrowsmith CH, Weigelt J, Edwards A, Yue WW, Oppermann U (2010). «Кристаллическая структура человеческой бета-энолазы ENOB». Будут опубликованы.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j Панчоли V (июнь 2001 г.). «Многофункциональная альфа-енолаза: ее роль при заболеваниях». Клеточные и молекулярные науки о жизни. 58 (7): 902–20. Дои:10.1007 / PL00000910. PMID  11497239. Архивировано из оригинал 5 января 2013 г.
  4. ^ а б c d Хорн Р.К., Фликверт Дж. П., Стаал Г.Е. (1974). «Очистка и свойства енолазы эритроктанов человека». Int J Biochem. 5 (11–12): 845–52. Дои:10.1016 / 0020-711X (74) 90119-0. HDL:1874/18158.
  5. ^ Ломан К. и Мейерхоф О. (1934) «Ферментативное превращение фосфоглицериновой кислоты в пировиноградную и фосфорную кислоту» (ферментативное превращение фосфоглицериновой кислоты в пировиноградную и фосфорную кислоты). Biochem Z 273, 60–72.
  6. ^ а б c d Пешавария М., День ВО (апрель 1991 г.). «Молекулярная структура гена мышечной специфической энолазы человека (ENO3)». Биохимический журнал. 275 (Pt 2): 427–33. Дои:10.1042 / bj2750427. ЧВК  1150071. PMID  1840492.
  7. ^ Эхингер С., Шуберт В.Д., Бергманн С., Хаммершмидт С., Хайнц Д.В. (октябрь 2004 г.). «Связывающая плазмин (оген) альфа-енолаза из Streptococcus pneumoniae: кристаллическая структура и оценка сайтов связывания плазмин (оген)». Журнал молекулярной биологии. 343 (4): 997–1005. Дои:10.1016 / j.jmb.2004.08.088. PMID  15476816.
  8. ^ Рагхунатан К., Харрис П. Т., Спербек Р. Р., Арвидсон К. Г., Арвидсон Д. Н. (июнь 2014 г.). «Кристаллическая структура эффективного ингибитора гонококковой адгезии: энолаза из Lactobacillus gasseri». Письма FEBS. 588 (14): 2212–6. Дои:10.1016 / j.febslet.2014.05.020. PMID  24859038.
  9. ^ Диново EC, Boyer PD (1971). «Изотопные зонды механизма реакции енолазы». J Biol Chem. 240: 4586–93.
  10. ^ Пойнер Р. Р., Лафлин Л. Т., Сова Г. А., Рид Г. Х. (февраль 1996 г.). «К идентификации кислотно-основных катализаторов в активном центре енолазы: сравнение свойств вариантов K345A, E168Q и E211Q». Биохимия. 35 (5): 1692–9. Дои:10.1021 / bi952186y. PMID  8634301.
  11. ^ Рид Г. Х., Пойнер Р. Р., Ларсен Т. М., Ведекинд Дж. Э., Реймент I (декабрь 1996 г.). «Структурные и механистические исследования энолазы». Текущее мнение в структурной биологии. 6 (6): 736–43. Дои:10.1016 / S0959-440X (96) 80002-9. PMID  8994873.
  12. ^ Ведекинд Дж. Э., Рид Г. Х., Реймент I. (апрель 1995 г.). «Октаэдрическая координация на участке металла с высоким сродством в енолазе: кристаллографический анализ комплекса MgII - фермент из дрожжей с разрешением 1,9 A». Биохимия. 34 (13): 4325–30. Дои:10.1021 / bi00013a022. PMID  7703246.
  13. ^ Ведекинд Дж. Э., Пойнер Р. Р., Рид Г. Х., Реймент I. (август 1994 г.). «Хелатирование серина 39 в Mg2 + защелкивает ворота в активном центре енолазы: структура бис (Mg2 +) комплекса дрожжевой енолазы и промежуточного аналога фосфоноацетогидроксамата с разрешением 2,1-A». Биохимия. 33 (31): 9333–42. Дои:10.1021 / bi00197a038. PMID  8049235.
  14. ^ Ларсен TM, Ведекинд Дж. Э., Реймент I, Рид Г. Х. (апрель 1996 г.). «Карбоксилатный кислород субстрата связывает ионы магния в активном центре енолазы: структура дрожжевого фермента в комплексе с равновесной смесью 2-фосфоглицерата и фосфоенолпирувата с разрешением 1,8 A». Биохимия. 35 (14): 4349–58. Дои:10.1021 / bi952859c. PMID  8605183.
  15. ^ Duquerroy S, Camus C, Janin J (октябрь 1995 г.). «Рентгеновская структура и каталитический механизм энолазы омаров». Биохимия. 34 (39): 12513–23. Дои:10.1021 / bi00039a005. PMID  7547999.
  16. ^ Ройдс Дж. А., Тимперли В. Р., Тейлор С. Б. (декабрь 1981 г.). «Уровни энолазы и других ферментов в спинномозговой жидкости как показатели патологического изменения». Журнал неврологии, нейрохирургии и психиатрии. 44 (12): 1129–35. Дои:10.1136 / jnnp.44.12.1129. ЧВК  491233. PMID  7334408.
  17. ^ Ройн Р.О., Сомер Х., Касте М., Виникка Л., Каронен С.Л. (июль 1989 г.). «Неврологический исход после остановки сердца вне больницы. Прогноз на основе анализа ферментов спинномозговой жидкости». Архив неврологии. 46 (7): 753–6. Дои:10.1001 / archneur.1989.00520430047015. PMID  2742544.
  18. ^ Хэй Э., Ройдс Дж. А., Дэвис-Джонс Г. А., Льютас Н. А., Тимперли В. Р., Тейлор С. Б. (июль 1984 г.). «Энолаза цереброспинальной жидкости при инсульте». Журнал неврологии, нейрохирургии и психиатрии. 47 (7): 724–9. Дои:10.1136 / jnnp.47.7.724. ЧВК  1027902. PMID  6747647.
  19. ^ Fujii A, Yoneda M, Ito T, Yamamura O, Satomi S, Higa H, Kimura A, Suzuki M, Yamashita M, Yuasa T., Suzuki H, Kuriyama M (май 2005 г.). «Аутоантитела против аминного конца альфа-енолазы - полезный диагностический маркер энцефалопатии Хашимото». Журнал нейроиммунологии. 162 (1–2): 130–6. Дои:10.1016 / j.jneuroim.2005.02.004. PMID  15833368.
  20. ^ Андерсон В.Э., Вайс П.М., Клеланд В.В. (июнь 1984 г.). «Реакция промежуточных аналогов енолазы». Биохимия. 23 (12): 2779–86. Дои:10.1021 / bi00307a038. PMID  6380574.
  21. ^ а б Jung DW, Kim WH, Park SH, Lee J, Kim J, Su D, Ha HH, Chang YT, Williams DR. (2 апреля 2013 г.). «Уникальный низкомолекулярный ингибитор энолазы проясняет его роль в фундаментальных биологических процессах». ACS Химическая биология. 8 (6): 1271–1282. Дои:10.1021 / cb300687k. PMID  23547795.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  22. ^ Пойнер Р. Р., Рид Г. Х. (август 1992 г.). «Структура комплекса двухвалентного катиона с фосфоноацетогидроксаматом в активном центре енолазы». Биохимия. 31 (31): 7166–73. Дои:10.1021 / bi00146a020. PMID  1322695.
  23. ^ а б Чжан Э., Хатада М., Брюэр Дж. М., Лебиода Л. (май 1994 г.). «Каталитическое связывание ионов металла в енолазе: кристаллическая структура комплекса енолаза-Mn2 + -фосфоноацетогидроксамат при разрешении 2,4-А». Биохимия. 33 (20): 6295–300. Дои:10.1021 / bi00186a032. PMID  8193144.
  24. ^ de A S Navarro MV, Gomes Dias SM, Mello LV, da Silva Giotto MT, Gavalda S, Blonski C, Garratt RC, Rigden DJ (октябрь 2007 г.). «Структурная гибкость енолазы Trypanosoma brucei обнаружена с помощью рентгеновской кристаллографии и молекулярной динамики». Журнал FEBS. 274 (19): 5077–89. Дои:10.1111 / j.1742-4658.2007.06027.x. PMID  17822439.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  25. ^ Muller FL, Colla S, Aquilanti E, Manzo VE, Genovese G, Lee J, Eisenson D, Narurkar R, Deng P, Nezi L, Lee MA, Hu B, Hu J, Sahin E, Ong D, Fletcher-Sananikone E, Хо Д., Квонг Л., Бреннан С., Ван Я., Чин Л., ДеПиньо Р. А. (август 2012 г.). «Удаление пассажиров создает терапевтическую уязвимость при раке». Природа. 488 (7411): 337–42. Дои:10.1038 / природа11331. ЧВК  3712624. PMID  22895339.
  26. ^ Ватанабэ Х., Йошида Дж., Танака Э., Ито М., Миядо С., Шомура Т. (1986). «Исследования нового антибиотика фосфоновой кислоты SF-2312». Научный представитель Мэйдзи Сейка Кайша. 25: 12–17.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  27. ^ Леонард П.Г., Сатани Н., Максвелл Д., Лин Й.Х., Хаммуди Н., Пенг З., Писанески Ф., Линк TM, Ли Г.Р., Сан Д., Прасад Б.А., Ди Франческо М.Э., Чако Б., Асара Дж. РА, Мюллер Флорида (декабрь 2016 г.). «SF2312 - природный фосфонатный ингибитор енолазы». Природа Химическая Биология. 12 (12): 1053–1058. Дои:10.1038 / nchembio.2195. ЧВК  5110371. PMID  27723749.
  28. ^ Satani N, Lin YH, Hammoudi N, Raghavan S, Georgiou DK, Muller FL. (28 декабря 2016 г.). «ENOblock не ингибирует активность гликолитической ферментной энолазы». PLOS ONE. 11 (12): e0168739. Дои:10.1371 / journal.pone.0168739. ЧВК  5193436. PMID  28030597.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  29. ^ а б Чо Х, Эм Дж., Ли Дж.Х., Ким У.Х., Кан В.С., Ким Ш., Ха ХХ, Ким Ю. (8 марта 2017 г.). «ENOblock, уникальный низкомолекулярный ингибитор негликолитических функций енолазы, облегчает симптомы диабета 2 типа». Научные отчеты. 7: 44186. Дои:10.1038 / srep44186. ЧВК  5341156. PMID  28272459.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  30. ^ Пьеткевич Дж., Гамиан А., Станишевска М., Данилевич Р. (29 апреля 2009 г.). «Ингибирование специфической для мышц енолазы человека метилглиоксалем и необратимое образование конечных продуктов гликирования». J Enzyme Inhib Med Chem. 24 (2): 356–364. Дои:10.1080/14756360802187679. PMID  18830874.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  31. ^ Hüther FJ, Psarros N, Duschner H (апрель 1990 г.). «Выделение, характеристика и кинетика ингибирования енолазы Streptococcus rattus FA-1». Инфекция и иммунитет. 58 (4): 1043–7. ЧВК  258580. PMID  2318530.

дальнейшее чтение

  • Холт А., Уолд Ф. (декабрь 1961 г.). «Выделение и характеристика энолазы мышц кролика». Журнал биологической химии. 236: 3227–31. PMID  13908561.
  • Бойер П.Д., Ларди Х. и Мирбек К. (ред.), Ферменты, 2-е изд., Т. 5, Academic Press, Нью-Йорк, 1961, стр. 471-494.
  • Westhead EW, Mclain G (август 1964). «Очистка енолазы пивных и пекарских дрожжей с получением одного активного компонента». Журнал биологической химии. 239: 2464–8. PMID  14235523.

внешняя ссылка


+

+
НАД++ Pя
НАДН + Н+
Обратимая стрелка реакции влево-вправо с второстепенным (ыми) прямым (ыми) субстратом (ами) сверху слева, второстепенным (ыми) прямым (ыми) продуктом (ами) вверху справа, второстепенным (ыми) обратным (ыми) субстратом (ами) снизу справа и второстепенным (ыми) обратным (ыми) продуктом (ами) внизу слева
НАД++ Pя
НАДН + Н+
2 ×  Pyruvat.svg