Лактонизирующий фермент муконат - Muconate lactonizing enzyme

Муконат циклоизомераза
2zad.jpg
Октамер муконатциклоизомеразы, Thermotoga maritima
Идентификаторы
Номер ЕС5.5.1.1
Количество CAS9023-72-7
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum

Лактонизирующие ферменты муконат (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 (дециклизирующая)) участвуют в распаде лигнин производные ароматические углеводороды, катехол и протокатехуировать, к цикл лимонной кислоты промежуточные продукты как часть пути β-кетоадипата в почвенных микробах. Немного бактериальный виды также способны дегалогенирующий хлороароматические соединения действием хлормуконатные лактонизирующие ферменты. MLE состоят из нескольких нитей, которые имеют различные благоприятные для реакции части, поэтому конфигурация нитей влияет на их способность принимать протоны.[1] Бактериальные MLE относятся к надсемейство энолаз, несколько структур из которых известны.[2][3][4] MLE имеют идентифицирующую структуру, состоящую из двух белков и двух ионов магния, а также различных классов в зависимости от того, является ли он бактериальным или эукариотическим.[5][6] Механизм реакции, которому подвергаются MLE, является обратным бета-элиминированию, при котором енолятный альфа-углерод 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 вызывать изменение его структуры и функции и могут вызывать изменение конформации, что делает его неактивным ферментом, который не может связывать свой субстрат.[1] Существует еще один фермент, называемый манделат рацемаза, который очень похож на MLE по структуре, а также оба они являются частью суперсемейства енолаз. У них обоих один и тот же конечный продукт, хотя они претерпевают разные химические реакции, чтобы достичь конечного продукта.[9][10]

Структура

Структура Лактонизирующие ферменты муконат (MLEs) состоит из семилопастного винта бета-версии с различными модификациями в зависимости от того, к какому классу он принадлежит. Существует три класса MLE: бактериальные MLE, бактериальные CMLE и эукариотические MLE / CMLE. MLE бактерий состоят из цилиндра TIM и расположены в стереохимии Syn, тогда как CMLE бактерий расположены в стереохимии Anti. Когда дело доходит до эукариотических MLE / CMLE, они организованы в стереохимии Syn. Эукариотические MLE / CMLE не имели сходства последовательностей с какими-либо другими семействами ферментов, но было обнаружено, что бактерии MLE похожи на суперсемейство энолаз, а бактериальные CMLE похожи на фумаразы класса II.[6]

Сама структура состоит из двух белковых молекул, состоящих из цепочки аминокислот, и двух химических веществ, являющихся двумя ионами магния.[5]

Функция

В крупном масштабе MLE катализируют бактериальные пути β-кетоадипата путем катаболизма ароматического лигнина, обнаруженного в растениях, до промежуточных продуктов, обнаруженных в цикле Кребса. Некоторые MLE могут быть галогенированы Cl и выполнять в микробе несколько иные функции. Галогенированные MLE могут удалять Cl из галогенированных ароматических углеводородов, обеспечивая разложение 2,4-дихлорфеноксиацетата. Эта уникальная функция позволяет использовать эти микробы для биоремедиации, снижая токсичность почвы, зараженной гербицидами.[1] В частности, MLE имеют несколько нитей. Некоторые нити содержат более благоприятные для реакции части в соответствии с Квантовая механика / Молекулярная механика (QM / MM) анализ. Вторая цепь MLE содержит основной остаток, который позволяет акцептировать протон на Lys-162 или Lys-168 в зависимости от того, в какой конфигурации он находится, анти- или синхр. Соответственно. Предполагается, что основные остатки на второй нити используются при формировании энергетической поверхности по сравнению с шестой нитью. MLE обнаружены в Микобактерии смегматис являются анти-MLE, что означает, что они производят анти-продукт муконолактона (муконат лактон), в то время как Pseudomonas fluorescens использует syn-MLE для создания syn-продукта.[11]

Механизм и действие

Лактонизирующие ферменты муконата (MLE) имеют противоположный тип механизма реакции по сравнению с Манделат рацемаза (MR), это обратное бета-исключению. Следовательно, альфа-углерод енолята протонируется, а не депротонируется. Но это протонирование является термодинамически благоприятным этапом реакции. Также, как и в MR, в MLE образование енолятного промежуточного соединения все еще является центральной каталитической проблемой, поэтому оно является этапом ограничения скорости. Более того, MLE могут облегчить катализ, прикрепляя субстрат и, следовательно, увеличивая нуклеофильность карбоксилата для производства лактона.[11]

Лактонизирующий фермент муконат действия, чтобы катализировать ту же реакцию 1,2 присоединения-элиминирования. Это можно сделать с металлическим кофемашиной или без него. В почвенных микробах цис-муконаты (субстрат) превращаются в муконолактоны (продукт) с помощью MLE. Эта химическая реакция является частью пути β-кетоадипата, аэробного катаболического пути, который расщепляет ароматические соединения, такие как лигнин, до промежуточного соединения в цикле лимонной кислоты. Путь β-кетоадипата имеет две основные ветви: 1) катехоловая ветвь и 2) протокатехуатная ветвь. Катехоловая ветвь состоит из цис, цис-муконат лактонизирующий фермент, тогда как протокатехуатная ветвь состоит из карбокси -цис-лактонизирующий фермент цис-муконтат. Обе реакции образуют сукцинат + ацетил-КоА, что приводит к циклу лимонной кислоты.[6] С другой стороны, Манделатный рацемаздействия, чтобы катализировать инверсию конфигурации у альфа-углерода, создавая карбанионный промежуточный продукт.[12]

Мутация

Мутация в Лактонизирующий фермент муканот может быть вызвано удалением в catB структурный ген и потеря плейотропной активности обоих catB и catC ген.[8] Названный микроорганизм Pseudomona putida теряет способность расти из-за удаления в catB ген для лактонизирующий фермент муконат. Pseudomona putida (чувствительный к холоду мутант) обычно растет при 30 ° C, но в результате мутации цис, лактонизирующий фермент цис-муконат, он теряет способность расти и при 15 ° C. При низкой температуре мутантный фермент не теряет своей функции, а 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, возникшая в результате мутации в муконат лактонизирующий фермент является Лактонизирующий фермент Cl-муконат. Лактонизирующий фермент Cl-муконат имеет два типа конформаций: - открытую и закрытую.[1] Мутация приводит к переключению аминокислоты на Ser99 и водородной связи с Gly48. Образовавшаяся в результате структура имеет закрытый активный сайт. Следовательно, это изменение с муконат лактонизирующий фермент к Лактонизирующий фермент Cl-муконат приводит к динамическим различиям в связывающей способности активного сайта. Наконец, изменение связывающей способности не позволит реакции дегалогенирования развиваться дальше. Следует отметить один важный аспект: не может быть конформационных изменений в Gly48 на Thr52. Это связано с тем, что полипептид не сможет скручиваться при замене Gly48. Кроме того, Thr52 и Glu50 связаны вместе водородными связями.[7]

Дополнительное изменение экстерьера из-за мутации муконат лактонизирующий фермент может привести к циклу 21-30. Это может привести к значительному различию активных сайтов, поскольку показывает различие полярности аминокислоты. В Cl-муконат лактонизирующий фермент, Ile19 и Met21 менее полярны по сравнению с His22 (то же положение, что и Ile19) для муконат лактонизирующий фермент. Следовательно, это приводит к различию в структуре гидрофобного ядра в активном центре.

Ферменты очень специфичны для своих субстратов, и образование продукта зависит от активности фермента-субстрата. Точечная мутация, которая привела к появлению вариантов Ser271Ala и Ile54Val для Cl-муконирующий фермент показали значительное снижение активности дегалогенирования.[1] Одно из преимуществ мутации в муконат лактонизирующий фермент от Asp к Asn или от Glu к Gln заключается в том, что он может помочь понять влияние металлического лиганда на каталитический процесс и сайт связывания.

Сравнение между Лактонизирующие ферменты муконата и Манделятивная рацемаза

Манделятивная рацемаза имеет сильные отношения с Лактонизирующие ферменты муконата. Хотя Лактонизирующий фермент муконат и Манделятивная рацемаза катализировать различные химические реакции, необходимые для Pseudomonas putida что касается катаболических процессов, они структурно очень похожи друг на друга. Согласно данным журнала Nature International Journal of Science, оба фермента «на 26% идентичны по своей первичной структуре». Согласно данным журнала Nature International Journal of Science, эта характеристика гомологической структуры произошла от общего предка. Эта функция помогает изменить ферментативную активность метаболических путей.[9]

Согласно книге, Ферментативный механизмАвторы Перри А. Фрей и Декстер Б. Нортроп, Лактонизирующие ферменты муконат и Манделятивная рацемаза оба являются членами надсемейства энолаз. Хотя 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 между структурой этих двух ферментов является создание высококачественного структурного выравнивания, которое может помочь улучшить их состав и повысить скорость реакции.[10]

Следующая таблица помогает определить некоторые сходства между обоими ферментами:

Таблица 1: Сходства[14]
Лактонизирующие ферменты муконатаМанделятивная рацемаза
Форма октамеровдада
Мономер имеет 4 области вторичных структур: -

1) Бета-меандр

2) Связка альфа-спирали

3) Восьминитевой ствол альфа / бета

4) С-концевой смешанный домен

дада
Требуется ион двухвалентного металла в:

1) Сайт с высоким сродством

2) Сайт с низким сродством

дада
ОстаткиE250 (аналог E222)E222 (аналог E250)
Тип остатковГлутаминГлутамин
Глютамин и его боковые цепиОтклоняется от активного сайтаОтклоняется от активного сайта
Общие функции на активном сайтеТребуется каталитическое основание, K169 (гомолог K166) или K273 (гомолог D270), для извлечения протона.Требуется каталитическое основание, K166 (гомолог K169) и D270 (гомолог K273), для извлечения протона.
Катаболические основания расположены на одной из бета-цепей

которые составляют ствол

дада
Требуется стабилизация переходного состояния (второй

карбоксилатный кислород)

Короткая прочная водородная связь (водородная связь с низким барьером) стабилизирует переходное состояние с E327 (аналогично E317)Короткая прочная водородная связь (водородная связь с низким барьером) стабилизирует переходное состояние с E317 (аналогично E327)

Хотя сходства очень распространены, разница между этими двумя ферментами помогает понять различия в упаковке фермента в кристаллической форме. Следующая таблица помогает определить некоторые различия между обоими ферментами:

Таблица 2: Различия[14]
Лактонизирующие ферменты муконатаМанделятивная рацемаза
Среднеквадратичное отклонениев положении 171 согласованный альфа-углерод составляет 2,0 Åв положении 325 согласованных α-атомов углерода составляет 1,7 Å
Вращение октамеровотличаются всего на 2% (136 Å против 139 Å)связаны в 3 раза (265 Å против 84 Å)
Форма кристалла в космической группеI4I422
Контакты между октамерами в кристаллахочень слабочень сильный
Количество субъединиц в кристаллической формеДваТри

Рекомендации

  1. ^ а б c d е Kajander T, Lehtiö L, Schlömann M, Goldman A (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 / пс. 0388503. ЧВК  2323983. PMID  12930985.
  2. ^ Орнстон LN (Август 1966 г.). «Превращение катехола и протокатехуата в бета-кетоадипат с помощью Pseudomonas putida. 3. Ферменты катехолового пути». Журнал биологической химии. 241 (16): 3795–9. PMID  5330966.
  3. ^ Орнстон, Л. (1970). Превращение катехола и протокатехуата в β-кетоадипат (Pseudomonas putida). Методы Энзимол. Методы в энзимологии. 17А. С. 529–549. Дои:10.1016/0076-6879(71)17237-0. ISBN  9780121818746.
  4. ^ Sistrom WR, Stanier RY (октябрь 1954 г.). «Механизм образования бета-кетоадипиновой кислоты бактериями». Журнал биологической химии. 210 (2): 821–36. PMID  13211620.
  5. ^ а б NCBI / CBB / Структурная группа. "3DG3: Кристаллическая структура лактонизирующего фермента муконата из Mucobacterium Smegmatis". www.ncbi.nlm.nih.gov. Получено 2018-11-27.
  6. ^ а б c Каяндер, Томми; Меркель, Майкл С .; Томпсон, Эндрю; Дьякон, Эшли М .; Мазур, Пол; Козарич, Джон В .; Гольдман, Адриан (2002-04-01). «Структура Neurospora crassa 3-карбокси-цис, цис-муконатный лактонизирующий фермент, β-пропеллер-циклоизомераза». Структура. 10 (4): 483–492. Дои:10.1016 / S0969-2126 (02) 00744-X. ISSN  0969-2126.
  7. ^ а б Томми К. (2003). Структурная эволюция функции и стабильности лактонизирующих ферментов муконата. Университет Хельсинки. ISBN  978-9521003387. OCLC  58354177.
  8. ^ а б Уилис М.Л., Орнстон Л.Н. Генетический контроль индукции ферментов в пути β-кетоадипата Pseudomonas putida: картирование удалений кошачьих мутаций. OCLC  678549695.
  9. ^ а б Neidhart DJ, Kenyon GL, Gerlt JA, Petsko GA (октябрь 1990 г.). «Манделат рацемаза и лактонизирующий фермент муконат механически различны и структурно гомологичны». Природа. 347 (6294): 692–4. Дои:10.1038 / 347692a0. PMID  2215699.
  10. ^ а б Фрей PA, Northrop DB (1999). Ферментативные механизмы. Амстердам: IOS Press. ISBN  978-9051994322. OCLC  40851146.
  11. ^ а б Somboon T, Gleeson MP, Hannongbua S (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. PMID  21541743.
  12. ^ Болдуин Т.О., Раушель FM, Скотт А.И. (11-11-2013). Химические аспекты ферментной биотехнологии: основы. Нью-Йорк, штат Нью-Йорк. ISBN  9781475796377. OCLC  887170610.
  13. ^ Кондон С., Ингрэм Дж. Л. (декабрь 1967 г.). «Чувствительная к холоду мутация Pseudomonas putida, влияющая на синтез ферментов при низкой температуре». Журнал бактериологии. 94 (6): 1970–81. ЧВК  276929. PMID  6074402.
  14. ^ а б Хассон М.С., Шлихтинг И., Мулай Дж., Тейлор К., Барретт В., Кеньон Г.Л., Бэббит П.С., Герлт Дж. А., Петско Г.А., Ринге Д. (сентябрь 1998 г.). «Эволюция активного центра фермента: структура новой кристаллической формы муконатного лактонизирующего фермента по сравнению с манделатрацемазой и енолазой». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 95 (18): 10396–401. Дои:10.1073 / пнас.95.18.10396. ЧВК  27905. PMID  9724714.

внешняя ссылка