Экзополифосфатаза - Exopolyphosphatase

Экзополифосфатаза
Идентификаторы
Номер ЕС3.6.1.11
Количество CAS9024-85-5
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Экзополифосфатаза (PPX) - это фосфатаза фермент который катализирует гидролиз неорганических полифосфат, линейная молекула, состоящая из 1000 или более мономеров, связанных фосфо-ангидридными связями.[1] PPX - это процессивная экзофосфатаза, что означает, что она начинается на концах полифосфат цепь и расщепляет фосфо-ангидридные связи для высвобождения ортофосфат как движется по молекуле полифосфата.[1] PPX имеет несколько характеристик, которые отличают его от других известных полифосфатаз, а именно то, что он не действует на АТФ, имеет сильное предпочтение к длинноцепочечному полифосфату и имеет очень низкое сродство к молекулам полифосфата, содержащим менее 15 фосфатных мономеров.[2]

PPX играет важную роль в метаболизме фосфатов и энергии во всех живых организмах.[3] Это особенно важно для поддержания соответствующих уровней внутриклеточного полифосфат, который участвует во множестве клеточных функций, включая реакцию на стрессоры, такие как дефицит аминокислоты, ортофосфат, или же азот, изменения в pH, пониженное содержание питательных веществ и высокое содержание соли, а также в качестве неорганического молекулярного сопровождающий.[2][4]
PPX классифицируется как полифосфатаза, которая является частью большого семейства фосфоэстераз DHH.[5] Оба подсемейства в этом суперсемействе разделяют четыре N-конец мотивы, но разные C-конец части.[6]

Активность PPX определяется количественно путем измерения потерь радиоактивно меченых 32п полифосфат.[1] PPX смешивают с известным количеством меченого полифосфата, и реакцию гидролиза останавливают с помощью хлорная кислота (HClO4).[1] Количество оставшегося меченого полифосфата затем измеряется с помощью жидкостный сцинтилляционный счет.[1]

История

PPX был открыт лабораторией нобелевского лауреата Артур Корнберг в 1993 году и является частью полифосфат оперон вместе с полифосфаткиназа,[1] фермент, который синтезирует полифосфат. Лаборатория Корнберга очень интересовалась полифосфат и опубликовал серию статей, разъясняющих метаболизм и роль полифосфат in vivo. Их интерес к полифосфат позволили им идентифицировать и охарактеризовать полифосфатный оперон (который включает полифосфаткиназа [PPK] и PPX) и разработать широкий спектр анализов и методов для количественной оценки продукции и разложения полифосфатов, in vitro и in vivo. Результаты этих исследований полифосфат Лаборатория Корнберга подтолкнула Корнберга к предположению, что из-за высокого содержания энергии и фосфатов, а также из-за того, что он сохраняется у разных видов, полифосфат возможно, был предшественником РНК, ДНК, и белки.[2]

Структура

Структурная характеристика семейства белков Ppx: кристаллическая структура члена семейства Aquifex aeolicus. Активный центр обозначен связыванием хлоридов (зеленый) и иона кальция (фиолетовый). 1T6C[7]

Структура PPX характеризуется актин-подобной АТФаза домен, который является частью этого суперсемейства. В Aquifex aeolicus он содержит рибонуклеаза Н-образный мотив, состоящий из пятицепочечной SS-простынь со второй прядью антипараллельный остальным. Некоторые нити соединены спиральными сегментами, которые в С-концевом домене длиннее, чем в N-концевом домене. Пять альфа-спирали расположены в C-концевом домене, и только два из них расположены в N-концевом домене. Замкнутая конфигурация фермента называется структурой типа I. Эта конфигурация имеет сходные черты с другими членами этого суперсемейства, включая N-концевой и C-концевой домены, разделенные двумя альфа-спиралями с центром в структуре. Более открытое расположение доменов отображает вращательное движение двух доменов вокруг одной шарнирной области. Структурная гибкость была описана как «бабочкообразная» расщелина вокруг активный сайт.[8]

В Кишечная палочкаэкзополифосфатаза существует как димер, с каждым мономер состоящий из четырех доменов. Первые два домена состоят из трех бета-листов, за которыми следует складка альфа-бета-альфа-бета-альфа. Это отличается от ранее описанного Aquifex aeolicus гомолог, в котором отсутствуют третий и четвертый домены.[9] На сегодняшний день для этого класса ферментов решены 4 структуры, с Банк данных белков коды доступа 1T6C, 1T6D, 1U6Z, и 2FLO.

Структура экзополифосфатазы E. coli. 1U6Z[10]

Активный сайт

Активный центр экзополифосфатазы расположен в щелях между доменами I и II. В Кишечная палочка, эта область содержит петлю между нитями бета-1 и бета-2 с аминокислотами глутамат и аспартат (E121, D143 и E150). Эти остатки, наряду с K197, имеют решающее значение для связывания фосфатов и ионов, что обычно наблюдается среди других ASKHA (ацетат и сахарокиназы, Hsp70, актин ). В A. aeolicusактивный центр фермента находится в щели между двумя доменами. Видно, что каталитические карбоксильные группы в этой щели важны для активности ферментов, особенно Asp141 и Glu148. Предпочтение экзополифосфатазы связываться с полифосфатом, а не АТФ внесла вклад в конфликт, который мог бы происходить между рибозой и аденозином АТФ и боковыми цепями N21, C169 и R267.[9]

Механизм

Экзополифосфатаза отщепляет конечный фосфат от полифосфата через боковые цепи аминокислот глутамата и лизина. Глутамат активирует воду, позволяя ей действовать как нуклеофил и атаковать концевой фосфат. Кислород, который ранее соединял два атома фосфата, затем отводит водород от близлежащего остатка лизина.[9]

Экзофосфатазный механизм.png

Функция

Полифосфаты используются ферментами экзополифосфатазы, которые расщепляют части цепи фосфатов. Эти белки играть важную роль в метаболизм и содержание полифосфатов.[11] Полифосфат находится во всем цитозоль каждой ячейки и также присутствует в ячейке органеллы. Существует много классов экзополифосфатаз, каждый со своей уникальной локализацией и свойствами. Было высказано предположение, что после того, как полифосфаты расщепляются, они участвуют в сигнальных молекулах, действующих как вторичные посланники.[6][12] В Кишечная палочка, регуляция метаболизма полифосфатов изучена недостаточно.[13]

Полифосфат представляет собой линейную цепь фосфатов, связанных вместе фосфоангидридными связями. Полифосфат содержится во всех живых организмах и играет важную роль в выживании организмов. У бактерий полифосфат используется для хранения энергии, чтобы заменить аденозинтрифосфат. Также было показано, что он участвует в формировании и функционировании клеточных мембран, регуляции ферментов и контроле транскрипции генов. У млекопитающих полифосфаты участвуют в свертывании и воспалении крови, иммунном ответе, развитии костной ткани и функции мозга.[11]

Это было показано в дрожжи модель, что мутантные дрожжи, дефицитные по активности экзополифосфатазы, имеют проблемы с дыхательными функциями и метаболизмом неорганических полифосфатов.[14] Напротив, штаммы дрожжей, которые имеют более высокий уровень фермента экзополифосфатазы, не имеют явных дефектов роста в условиях дефицита фосфата или избытка фосфата, однако уровень полифосфата в дрожжах был намного ниже из-за повышенного количества ферментов, разрушающих полифосфатные цепи.[15]

Потенциальная клиническая / промышленная значимость

Кишечная палочка мутанты, которые не могут синтезировать полифосфат, погибают всего через несколько дней в стационарная фаза.[2] Поэтому стратегии ингибирования накопления полифосфатов в бактериях представляют интерес как потенциальные антибактериальные средства лечения.[2][16] Это может быть достигнуто посредством ингибирования полифосфаткиназы, повышения активности экзополифосфатазы или того и другого.

Накопление полифосфатов также представляет интерес для различных промышленных применений, включая удаление Pя из водной среды через усиленное биологическое удаление фосфора и за его роль в качестве молекулярного шаперона в экспрессии рекомбинантных белок. Из-за активности полифосфата как молекулярного шаперона,[4] штаммы Кишечная палочка которые накапливают полифосфат, можно использовать для увеличения выхода растворимых рекомбинантных белок.[17]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е ж Акияма, М. Крук, E; Корнберг, А (1993). «Экзополифосфатаза E. coli: фермент и его ген ppx в полифосфатном опероне». Журнал биологической химии. 268 (1): 633–639.
  2. ^ а б c d е Корнберг, А; Рао, штат Нью-Йорк; Олт-Риче, Д. (1999). «Неорганический полифосфат: молекула, выполняющая множество функций». Ежегодный обзор биохимии. 68: 89–125. Дои:10.1146 / annurev.biochem.68.1.89. PMID  10872445.
  3. ^ Браун, Майкл Р.У .; Корнберг, Артур (июнь 2008 г.). «Краткое и короткое - полифосфат, ППК и выживаемость бактерий». Тенденции в биохимических науках. 33 (6): 284–290. Дои:10.1016 / j.tibs.2008.04.005. PMID  18487048.
  4. ^ а б Грей, MJ; Wholey, WY; Вагнер, НЕТ; Cremers, CM; Мюллер-Шикерт, А; Скакательный сустав, NT; Krieger, AG; Смит, EM; Бендер, РА; Bardwell, JC; Якоб, У (6 марта 2014 г.). «Полифосфат - изначальный шаперон». Молекулярная клетка. 53 (5): 689–99. Дои:10.1016 / j.molcel.2014.01.012. ЧВК  3996911. PMID  24560923.
  5. ^ Аравинд, L; Кунин, Е.В. (январь 1998 г.). «Новое семейство предсказанных фосфоэстераз включает белок чернослива дрозофилы и бактериальную экзонуклеазу RecJ». Тенденции в биохимических науках. 23 (1): 17–9. Дои:10.1016 / s0968-0004 (97) 01162-6. PMID  9478130.
  6. ^ а б Luginbuehl E, Kunz S, Wentzinger L, Freimoser F, Seebeck T (январь 2011 г.). «Экзополифосфатаза TbrPPX1 Trypanosoma brucei». BMC Microbiology. 11: 4. Дои:10.1186/1471-2180-11-4. ЧВК  3022644. PMID  21208463.
  7. ^ Kristensen, O .; Лаурберг, М .; Liljas, A .; Kastrup, J.S .; Гайхеде, М. (2004). «1T6C». Биохимия. 43: 8894–8900. Дои:10.2210 / pdb1t6c / pdb.
  8. ^ Кристенсен, Оле; Лаурберг, Мартин; Лиляс, Андерс; Kastrup, Jette S .; Гайхеде, Майкл (2004). «Структурная характеристика семейства белков экзополифосфата / гуанозинпентафосфатфосфогидролазы, связанного со строгим ответом». Биохимия. 43 (28): 8894–8900. Дои:10.1021 / bi049083c. PMID  15248747.
  9. ^ а б c Альварадо, Джонджефф; Гош, Анита; Яновиц, Тайлер; Хореги, Эндрю; Hasson, Miriam S .; Сандерс, Дэвид А. (2006). «Структура экзополифосфатазы (PPX) из Escherichia coli O157: H7 предлагает способ связывания для длинных полифосфатных цепей». Журнал молекулярной биологии. 359 (5): 1249–1260. Дои:10.1016 / j.jmb.2006.04.031. PMID  16678853.
  10. ^ Hasson, M.S .; Alvarado, J .; Sanders, D.A .; Яновиц, Т .; Ghosh, A .; Альварадо, Дж. (2005). «1У6З». Структура. 14: 1263–1272. Дои:10.2210 / pdb1u6z / pdb.
  11. ^ а б Докампо Морено. «Полифосфатные (Poly P) функции, синтез и разложение». Получено 1 февраля 2015.
  12. ^ Кулаева (2005). «Особенности метаболизма и функции высокомолекулярных неорганических полифосфатов у дрожжей как представителей низших эукариот». Молекулярная биология. 39 (4): 482–494. Дои:10.1007 / s11008-005-0065-1.
  13. ^ Шарфштейн (2006). «Метаболизм полифосфатов в Escherichia coli». Летопись Нью-Йоркской академии наук. 745: 77–91. Дои:10.1111 / j.1749-6632.1994.tb44365.x. PMID  7832534.
  14. ^ Пестов Н.А., Кулаковская Т.В., Кулаев И.С. (июнь 2005 г.). «Влияние инактивации гена PPN1 на экзополифосфатазы, неорганические полифосфаты и функцию митохондрий дрожжей Saccharomyces cerevisiae». FEMS дрожжевые исследования. 5 (9): 823–8. Дои:10.1016 / j.femsyr.2005.03.002. PMID  15925310.
  15. ^ Андреева Н, Трилисенко Л, Кулаковская Т, Думина М, Эльдаров М (январь 2015). «Очистка и свойства рекомбинантной экзополифосфатазы PPN1 и эффекты ее сверхэкспрессии на полифосфат в Saccharomyces cerevisiae». Журнал биологии и биоинженерии. 119 (1): 52–6. Дои:10.1016 / j.jbiosc.2014.06.006. PMID  25034634.
  16. ^ Thayil, Seema M .; Моррисон, Норман; Шехтер, Норман; Рубин, Харви; Каракусис, Петрос К. (2011). «Роль новой экзополифосфатазы MT0516 в устойчивости и устойчивости микобактерий туберкулеза». PLoS ONE. 6 (11): e28076. Дои:10.1371 / journal.pone.0028076. ЧВК  3221697. PMID  22132215.
  17. ^ Кокс, Дэвид Л. Нельсон, Майкл М. (2013). Принципы биохимии Ленингера (6-е изд.). Нью-Йорк: W.H. Фримен. ISBN  9781429234146.