Метилглиоксальсинтаза - Methylglyoxal synthase

метилглиоксальсинтаза
Идентификаторы
Номер ЕС4.2.3.3
Количество CAS37279-01-9
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

В энзимология, а метилглиоксальсинтаза (EC 4.2.3.3 ) является фермент который катализирует то химическая реакция

дигидроксиацетонфосфат метилглиоксаль + фосфат

Следовательно, у этого фермента есть один субстрат, DHAP, и два товары, метилглиоксаль и фосфат. Попытки наблюдать обратимость этой реакции были безуспешными.[1]

Этот фермент принадлежит к семейству лиасы особенно те углерод-кислородные лиазы, действующие на фосфаты. В систематическое название этого класса ферментов глицерон-фосфат-фосфат-лиаза (образующая метилглиоксаль). Другие широко используемые имена включают метилглиоксальсинтетаза, и глицерон-фосфат-фосфат-лиаза. Этот фермент участвует в метаболизм пирувата и выражается конститутивно.[1]

Структурные исследования

Кристаллическая структура (PDB ID: 1EGH) гомогексамера метилглиоксальсинтазы с выделенными остатками одного активного сайта. Внутри трех основных бороздок существуют три активных сайта. Изображение создано с помощью PyMOL.
Остатки активного сайта метилглиоксальсинтазы (Lys23, Thr45, Thr48, Gly66, His19, His98, Asp71). Изображение создано из кристаллической структуры (PDB ID: 1EGH) с помощью PyMOL.

На конец 2007 года 7 структуры были решены для этого класса ферментов, с PDB коды доступа 1B93, 1EGH, 1IK4, 1С89, 1С8А, 1VMD, и 1WO8.

Метилглиоксальсинтаза (MGS) представляет собой гомогексамер из 152 аминокислот, который имеет молекулярный вес примерно 67000 кДа.[2][3][4] Общая растворитель -доступная площадь поверхности гомогексамера MGS составляет 18 510 квадратных Ангстрем, примерно 40% от общей возможной площади поверхности, если подразделения Мы не живем вместе.[3] Каждый мономер состоит из пяти альфа спирали окружающие пять бета-листы. Из них два антипараллельный бета-листы и одна альфа-спираль расположены в субдомене, где N-конец и C-конец находятся в тесном соседстве.[3] Гомогексамер имеет ось третьего порядка, перпендикулярную оси второго порядка. Внутри широкой V-образной канавки находится двенадцать водородные связи и шесть соляные мосты между мономерами при наличии связывания фосфата. В отсутствие связывания фосфата десять водородных связей и два солевых мостика удерживают мономеры вместе. На границах пиков десять водородных связей и отсутствие солевых мостиков соединяют мономеры независимо от связывания фосфата.[3]

Гомогексамер MGS слегка асимметричен. Все три мономера в асимметричной области содержат форматировать молекулы в их соответствующих активных сайтах. Только один из мономеров в асимметричной области дополнительно связан с фосфатом.[3]

Активный сайт содержит много консервированный вычеты функции (Asp, His, Thr) и структуры (Gly, Pro). Неорганический фосфат взаимодействует с Lys23, Thr45, Thr47, Thr48 и Gly66. Формиат взаимодействует с His19, His98 и Asp71. Активный центр подвергается воздействию растворителя через перпендикулярный канал, который состоит из Arg150, Tyr146, Asp20, Pro67, His98 и His19.[3]

Хотя механически похож на триозофосфат изомераза (TIM), MGS содержит сильно различающиеся складки белков, которые препятствуют структурному выравниванию с TIM, что предполагает конвергентная эволюция их химических реакций. Однако Asp71 в MGS может действовать аналогично Glu165, каталитическому основанию в TIM. Кроме того, His19 и His98 могут выполнять роль электрофильного катализатора, подобного His95 в TIM. CheB метилэстераза имеет самый высокий структурное сходство с MGS.[3]

Механизм

Метилглиоксальсинтаза высокоспецифична для DHAP с Км 0,47 мМ при оптимальном pH из 7,5.[2][5] Вопреки ранним сообщениям очищенный фермент не реагирует с другими гликолитическими метаболитами, такими как глицеральдегид-3-фосфат или же фруктозо-1,6-дифосфат.[2][6] Механизм MGS аналогичен TIM; оба фермента реагируют с дигидроксиацетонфосфатом с образованием ен-диол фосфатный промежуточный продукт как первая ступень их реакционных путей.[3] Однако второй шаг включает устранение фосфата с образованием метилглиоксаля вместо репротонирования с образованием глицеральдегид-3-фосфата.[3] Общая реакция характеризуется как внутримолекулярное окисление-восстановление с последующим дефосфорилированием. C-3 DHAP окисляется до альдегид, а С-1, на котором фосфорный эфир, дефосфорилируется и восстанавливается до метильная группа.[7] MGS не требует использования ионов металлов или База Шиффа как часть катализа.[8]

Механизм толкания стрелы метилглиоксальсинтазы.[9]

Фермент сначала использует Asp71, чтобы специфически извлекать про-S-водород из C-3 DHAP с образованием промежуточного ен-диол (ат) -фермента, в отличие от извлечения C-3 про-R-водорода в TIM с помощью Glu165.[4][8][10] Вторая база депротонирует гидроксильная группа, что приводит к распаду эн-диола (ат) с образованием промежуточного 2-гидрокси 2-пропенальенола вместе с диссоциацией неорганического фосфата (-OPO3) через разрыв связи C-O, а не связи O-P.[4][6][7] Это депротонирование катализируется либо Asp71, либо Asp101.[4][10] Протонирование метиленовая группа енолят не-стереоспецифический.[3][8] Продукты реакции выделяются последовательно, а метилглиоксаль опережает неорганический фосфат.[7] MGS несет ответственность за рацемическая смесь из лактат в камерах; производство метилглиоксаля и его дальнейший метаболизм дает L - (+) - лактат и D - (-) - лактат, в то время как делеция гена MGS приводит к обнаружению оптически чистого D - (-) - лактата.[11]

Регулирование

Связывание фосфата с ферментом увеличивает его сотрудничество через структурные изменения, которые открывают три сайта связывания DHAP.[2] Однако при более высоких концентрациях фосфат действует как конкурентный аллостерический ингибитор для выключения ферментативной активности, предполагая, что переключение на производство метилглиоксаля происходит в условиях фосфатного голодания.[2][3][12] Считается, что это ингибирование вызвано связанным фосфатом и формиатом, имитирующим промежуточные продукты реакции (енолят и неорганический фосфат).[3] Кроме того, связывание фосфата вызывает вращение остатков треонина, закрывающих активный сайт.[3]

Ser55 в активном центре MGS отвечает за различение связывания неорганического фосфата от фосфатной группы субстрата (DHAP) за счет водородных связей и прохождения конформационное изменение места.[12] Установлено, что передача аллостерического сигнала проходит через Arg97 и Val101, потому что ни один из них не находится в активном сайте, но мутации в этих остатках сводят на нет любой ингибирующий эффект связывания фосфата. Pro82 необходим для передачи сигнала от одного субблока к Ar97 и Val101 другого субблока.[12] Индукция образования солевого мостика между Asp10 и Arg140 представляет собой дополнительный путь межсубъединичной передачи сигнала для организмов, которые сохраняют последние 10 аминокислот мономерного пептида.[13] Конечным акцептором этого аллостерического сигнала является каталитический Gly56 в активном центре.[12]

Неорганический пирофосфат обладает 95% способностью фосфата ингибировать MGS. 3-фосфоглицерат и фосфоенолпируват также имеют ингибирование 50% и 70% соответственно.[1] 2-фосфогликолят также действует как конкурентный ингибитор, имитируя промежуточный ендиолят.[4] АТФ было показано, что у некоторых штаммов бактерий наблюдается слабое ингибирование.[5] Продукт реакции, метилглиоксаль, не проявляет никаких подавление обратной связи на MGS.[1][6]

Биологическая функция

Метилглиоксальсинтаза представляет собой альтернативу катаболический путь для триозофосфатов, созданных в гликолиз.[2] Он имеет уровни активности, аналогичные уровню глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа от гликолиза, что предполагает взаимодействие между двумя ферментами в расщеплении триозофосфатов. Действительно, MGS сильно ингибируется концентрациями фосфата, близкими к Km фосфата, служащего субстратом для глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы, и, следовательно, неактивен в нормальных внутриклеточных условиях.[1][2] Катаболизм триозофосфата переключается на MGS, когда концентрация фосфата слишком низкая для активности глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы.

В ситуациях, когда гликолиз ограничен фосфатным голоданием, переключение на MGS служит для высвобождения фосфата из гликолитических метаболитов глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназы и для производства метилглиоксаля, который превращается в пируват через лактат с разобщением Синтез АТФ.[2][8] Это взаимодействие между двумя ферментами позволяет клетке изменять катаболизм триозы между образованием 1,3-бисфосфоглицерат и метилглиоксаль на основе доступных фосфатов.

Другие приложения

Для топлива производство этанола, полный метаболизм сложных комбинаций сахаров в Кишечная палочка синтетическими биокатализаторами. Делеция гена метилглиоксальсинтазы в E. coli увеличивается. ферментация скорость этаногенной кишечной палочки путем стимулирования совместного метаболизма сахарных смесей, содержащих пять основных сахаров, обнаруженных в биомассе (глюкоза, ксилоза, арабиноза, галактоза, и манноза ).[14] Это говорит о том, что продукция метилглиоксаля в MGS играет роль в контроле экспрессии сахароспецифичных транспортеров и катаболических генов в нативной E.coli.

MGS также имеет промышленное значение в производстве лактата, гидроксиацетон (ацетол) и 1,2-пропандиол.[5][12][15] Введение гена MGS в бактерии, у которых изначально отсутствует MGS, увеличило полезную продукцию 1,2-пропандиола на 141%.[15]

Для биотехнологических и синтетических применений связывание фосфата помогает стабилизировать и защитить фермент от холода и тепла. денатурация.[7] His-His-взаимодействие посредством вставки одного остатка гистидина между Arg22 и His23, как также известно, обеспечивает большее термостойкость за счет увеличения период полураспада В 4,6 раза.[16]

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Хоппер DJ, Купер Р.А. (март 1971 г.). «Регулирование метилглиоксальсинтазы Escherichia coli; новый сайт контроля гликолиза?». Письма FEBS. 13 (4): 213–216. Дои:10.1016/0014-5793(71)80538-0. PMID  11945670. S2CID  7075947.
  2. ^ а б c d е ж грамм час Хоппер DJ, Купер Р.А. (июнь 1972 г.). «Очистка и свойства метилглиоксальсинтазы Escherichia coli». Биохимический журнал. 128 (2): 321–9. Дои:10.1042 / bj1280321. ЧВК  1173767. PMID  4563643.
  3. ^ а б c d е ж грамм час я j k л м Саадат Д., Харрисон Д.Х. (март 1999 г.). «Кристаллическая структура метилглиоксальсинтазы из Escherichia coli». Структура. 7 (3): 309–17. Дои:10.1016 / s0969-2126 (99) 80041-0. PMID  10368300.
  4. ^ а б c d е Саадат Д., Харрисон Д.Х. (июль 1998 г.). «Идентификация каталитических оснований в активном центре метилглиоксальсинтазы Escherichia coli: клонирование, экспрессия и функциональная характеристика консервативных остатков аспарагиновой кислоты». Биохимия. 37 (28): 10074–86. Дои:10.1021 / bi980409p. PMID  9665712.
  5. ^ а б c Хуанг К., Рудольф Ф. Б., Беннетт Г. Н. (июль 1999 г.). «Характеристика метилглиоксальсинтазы из Clostridium acetobutylicum ATCC 824 и ее использование в образовании 1,2-пропандиола». Прикладная и экологическая микробиология. 65 (7): 3244–7. Дои:10.1128 / AEM.65.7.3244-3247.1999. ЧВК  91483. PMID  10388730.
  6. ^ а б c Айенгар Р., Роуз И.А. (март 1981 г.). «Освобождение промежуточного продукта реакции триозофосфат-изомеразы и его улавливание изомеразой, дрожжевой альдолазой и метилглиоксальсинтазой». Биохимия. 20 (5): 1229–35. Дои:10.1021 / bi00508a027. PMID  7013791.
  7. ^ а б c d Юань П.М., Грейси Р.В. (сентябрь 1977 г.). «Превращение дигидроксиацетонфосфата в метилглиоксаль и неорганический фосфат с помощью метилглиоксальсинтазы». Архивы биохимии и биофизики. 183 (1): 1–6. Дои:10.1016/0003-9861(77)90411-8. PMID  334078.
  8. ^ а б c d Саммерс М.С., Роуз И.А. (июнь 1977 г.). «Реакции переноса протона метилглиоксальсинтазы». Журнал Американского химического общества. 99 (13): 4475–8. Дои:10.1021 / ja00455a044. PMID  325056.
  9. ^ Саадат Д., Харрисон Д.Х. (март 1999 г.). «Кристаллическая структура метилглиоксальсинтазы из Escherichia coli». Структура. 7 (3): 309–17. Дои:10.1016 / s0969-2126 (99) 80041-0. PMID  10368300.
  10. ^ а б Marks GT, Harris TK, Massiah MA, Mildvan AS, Harrison DH (июнь 2001 г.). «Механистические последствия образования комплекса метилглиоксальсинтазы с фосфогликолегидроксамовой кислотой, наблюдаемые с помощью рентгеновской кристаллографии и ЯМР-спектроскопии». Биохимия. 40 (23): 6805–18. Дои:10.1021 / bi0028237. PMID  11389594.
  11. ^ Грабар Т.Б., Чжоу С., Шанмугам К.Т., Йомано Л.П., Инграм Л.О. (октябрь 2006 г.). «Метилглиоксальный шунт, идентифицированный как источник хирального загрязнения при ферментации l (+) и d (-) - лактата рекомбинантной Escherichia coli». Письма о биотехнологии. 28 (19): 1527–35. Дои:10.1007 / s10529-006-9122-7. PMID  16868860. S2CID  34290202.
  12. ^ а б c d е Фалахати Х., Пажанг М., Зареян С., Гэми Н., Рофугаран Р., Хофер А., Резайе А. Р., Хадже К. (июль 2013 г.). «Передача аллостерического сигнала в метилглиоксальсинтазе». Белковая инженерия, дизайн и выбор. 26 (7): 445–52. Дои:10.1093 / белок / gzt014. PMID  23592737.
  13. ^ Зареян С., Хадже К., Пажанг М., Ранджбар Б. (декабрь 2012 г.). «Рационализация аллостерического пути в метилглиоксальсинтазе Thermus sp. GH5». BMB отчеты. 45 (12): 748–53. Дои:10.5483 / bmbrep.2012.45.12.11-138. ЧВК  4133812. PMID  23261063.
  14. ^ Yomano LP, York SW, Shanmugam KT, Ingram LO (сентябрь 2009 г.). «Делеция гена метилглиоксальсинтазы (mgsA) увеличивала совместный метаболизм сахара в Escherichia coli, продуцирующей этанол». Письма о биотехнологии. 31 (9): 1389–98. Дои:10.1007 / s10529-009-0011-8. ЧВК  2721133. PMID  19458924.
  15. ^ а б Чон Джи, Юн Х.С., Ли Джей, О МК (август 2011 г.). «Производство 1,2-пропандиола из глицерина в Saccharomyces cerevisiae». Журнал микробиологии и биотехнологии. 21 (8): 846–53. Дои:10.4014 / jmb.1103.03009. PMID  21876375.
  16. ^ Мохаммади М., Каши М.А., Зареян С., Миршахи М., Хадже К. (январь 2014 г.). «Заметное улучшение термостабильности метилглиоксальсинтазы за счет His-His взаимодействия». Прикладная биохимия и биотехнология. 172 (1): 157–67. Дои:10.1007 / s12010-013-0404-y. PMID  24057302. S2CID  33386135.

дальнейшее чтение

  • Купер Р.А., Андерсон А. (декабрь 1970 г.). «Образование и катаболизм метилглиоксаля при гликолизе в Escherichia coli». Письма FEBS. 11 (4): 273–276. Дои:10.1016/0014-5793(70)80546-4. PMID  11945504. S2CID  29741913.
  • Хоппер DJ, Купер Р.А. (март 1971 г.). «Регулирование метилглиоксальсинтазы Escherichia coli; новый сайт контроля гликолиза?». Письма FEBS. 13 (4): 213–216. Дои:10.1016/0014-5793(71)80538-0. PMID  11945670. S2CID  7075947.
  • Рэй С., Рэй М. (июнь 1981 г.). «Выделение метилглиоксальсинтазы из печени коз». Журнал биологической химии. 256 (12): 6230–3. PMID  7240200.