Фосфогликолят фосфатаза - Phosphoglycolate phosphatase

Фосфогликолят фосфатаза
Фосфогликолят Фосфатаза.png
Структура димера фосфогликолат фосфатазы с присоединенным Ca2 + (синий) и FMT (желтый), полученного из 1L6R
Идентификаторы
Номер ЕС3.1.3.18
Количество CAS9025-76-7
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Фосфогликолят фосфатаза (PGP), также обычно называемая фосфогликолят гидролаза, 2-фосфогликолят фосфатаза, P-гликолят фосфатаза, и фосфогликолятфосфатаза, это фермент, отвечающий за катализирующий преобразование 2-фосфогликолят в гликолят и фосфат. Фосфогликолят фосфатаза, впервые изученная и очищенная в растениях, играет важную роль в фотодыхательном метаболизме 2-фосфогликолата, важном пути фотосинтеза у растений. Возникновение фотодыхание у растений из-за отсутствия субстратной специфичности Рубиско, приводит к образованию 2-фосфогликолата и 3-фосфогилцерат (PGA). PGA - нормальный продукт карбоксилирование и войдет в Цикл Кальвина. Фосфогликолят, который является мощным ингибитором фосфофруктокиназа и триозофосфат изомераза, должен быстро метаболизироваться и превращаться в полезный субстрат, а фосфогликолят фосфатаза катализирует первую стадию регенерации 3-фосфоглицерата из 2-фосфогликолата за счет энергии в виде АТФ.

С момента открытия его активности в растениях, он был очищен в клетках человека и вовлечен в 2,3-DPG регулирование.

Структура

Структурная характеристика фосфогликолят фосфатазы из Термоплазма ацидофильная (PDB 1L6R, изображенный) показал, что мономер димерного фермента (обозначенный светло-синим и зеленым цветом) включает два отдельных домена, меньший домен кэпа и больший сердцевинный домен. Хотя топология большого домена сохраняется, существует структурная вариация меньшего домена. Активный центр белка представляет собой непрерывный туннель через мономер и выстлан кислотными остатками, что соответствует свойствам других кислых фосфатаз. Кроме того, электростатический анализ поверхности указывает на относительно кислую поверхность.[1]

Активный сайт и

Кристаллизация фосфогликолят фосфатазы из Thermoplasma acidophilum выявила 5 активных центров, обозначенных синими сферами на изображении. Ключевые остатки активного центра: аспартат, лизин, и серин.[1]

Механизм

Этот фермент принадлежит к семейству гидролазы особенно те, кто действует фосфорный моноэфир облигации.

Механизм реакции фосфогликолят фосфатазы:
2-фосфогликолят + H2O ⇌ гликолят + фосфат

Гидролиз фосфогликолата начинается с нуклеофильный атака остатком аспартата на электрофильный фосфор фосфогликолят. Восприимчивость связи между фосфатом и гликолятом усиливается двумя ключевыми взаимодействиями. Взаимодействие с кофактором Mg2+, помогает поляризовать связь фосфат-кислород и, следовательно, увеличивает электрофильность атома фосфора. Другое взаимодействие фосфата с остатками серина и лизина дополнительно увеличивает электрофильность атома фосфора. Кроме того, Mg2+ также ориентирует нуклеофильный аспартат.[1]

Потеря фосфат-гликолатной связи вызывает фосфорилирование нуклеофильного аспартата с образованием промежуточного фермента,[2] в то время как гликолят высвобождается из активного центра. Взаимодействие фосфорилированного промежуточного продукта стабилизируется взаимодействием между фосфатом и остатком лизина. Mg2+ расположенный в активном центре, активирует молекулу воды с образованием гидроксид-иона, который затем гидролизует фосфорилированный аспартат и регенерирует активный фермент, высвобождая фосфат.

Функция

Растения

Ранее считалось, что эволюция фотодыхательного механизма гликолата, в котором участвует фосфогликолят-фосфатаза, важна для фотосинтеза у более сложных растений и не нужна для цианобактерии из-за их способности концентрировать CO2 и поэтому избегайте фотодыхания, как и C4 растения. Однако обнаружение трех различных путей метаболизма фосфогликолата в модельной цианобактерии Synechocystis sp. штамм PCC 6803 подразумевает, что цианобактерии были не только источником эволюционного происхождения оксигенного фотосинтеза, но и древним фотодыхательным метаболизмом фосфогликолата, который мог быть передан эндосимбиотически растениям.[3][4]

Опираясь на более ранние исследования, которые указали на присутствие фосфогликолевой кислоты в водорослях посредством маркировки C14О2 и P28-ортофосфат, Ричардсон и Толберт первыми обнаружили активность фосфатазы, специфичную для фосфогликолата в листьях табака.[5] Оптимум pH фермента составляет 6,3, а Mg2+ или Mn2+ ионы как кофакторы были необходимы для деятельности. Mg2+ неизменно отмечается, что дает максимальную скорость оборота. В других исследованиях Co2+ может также действовать как двухвалентный кофактор. Кроме того, Ca2+несмотря на свою двухвалентность, ингибирует фосфогликолят фосфатазу на уровнях, превышающих 90% ее ферментативной активности, действуя как конкурентный ингибитор Mg2+.[6] Наконец, Cl− могут активироваться при низких концентрациях (до 50 мМ), но при высоких концентрациях ионы хлора будут действовать как конкурентные ингибиторы по отношению к фосфогликолату.[1] Фермент локализуется в хлоропласте, и исследования растений с участием C14О2 фиксация на свету идентифицировала меченый гликолят вне хлоропласта, что позволяет предположить, что активность фосфогликолят-фосфатазы позволяет гликоляту перемещаться из хлоропласта.[7]

Когда фотодыхательный мутант эукариотической зеленой водоросли Хламидомонада Reinhardtii был изучен, мутантный штамм был идентифицирован с фенотипом условного летального роста, который требовал повышенных концентраций CO2 для роста. Наблюдение за большим накоплением фосфогликолата и отсутствием накопления гликолата исключило возможную причину отсутствия или мутации CO2-концентрирующий механизм и показал, что фосфогликолят фосфатаза, скорее всего, отсутствует или недостаточна. Исследование пришло к выводу, что мутантный фенотип возник из-за дефицита фосфогликолят фосфатазы, вызванного ядерной мутацией одного гена, которую они впоследствии назвали pgp1.[8] Дефицит ингибировал фотодыхательный метаболический путь, а последующее накопление фосфогликолата ингибировало цикл Кальвина.[9]

Со времени этого первоначального исследования были идентифицированы три предполагаемых гена PGP: PGP1, PGP2 и PGP3. Последующие исследования через 20 лет после идентификации того же мутантного штамма Хламидомонада Reinhardtii обнаружили, что условный летальный фенотип больше не присутствует, несмотря на продолжающееся присутствие мутации сплайсинга pgp1. Объяснение этого явления заключалось в том, что ген PGP2 был активирован и, скорее всего, способствовал фенотипической реверсии у мутанта pgp1.[10]

Arabidopsis thaliana - единственное растение с известным набором четко определенных фотодыхательных мутантов.[11] Один из них - нокаут-мутант, лишенный 2PG фосфатазы (PGLP). Например, для нормального роста этих мутантов требуется высокий уровень CO2 (1%).[11] В нормальных условиях с низким содержанием CO2 рост сильно замедляется.[11]

Млекопитающее

Анализ частичной очистки показал, что человек эритроциты содержат фосфогликолят фосфатазу в качестве димерного цитоплазматического фермента с молекулярной массой 72000. Примерно 5% общей активности фермента связано с мембраной. Он показывает оптимальный pH 6,7 и имеет Михаэлис константа 1 мМ для фосфогликолата. Активность фермента Mg2+-зависимый. Co2+, и в меньшей степени Mn2+, может заменить Mg2+.[12] Однако было показано, что хотя фермент требует как свободного Mg,2+ и фосфогликолят, Mg2+-фосфогликолятовый комплекс оказывает угнетающее действие на ферментативную активность.[13]

В 1977 году Бадвей впервые продемонстрировал активность фосфогликолат-фосфатазы в эритроцитах человека и предположил, что активность фермента может защищать эритроциты от непреднамеренно образованного фосфогликолата, который синтезируется пируваткиназой.[14] Значение роли фосфогликолят фосфатазы в эритроцитах человека было обнаружено, когда было показано, что ее субстрат, фосфогликолят, является мощным активатором фермента. 2,3-бисфосфоглицерат фосфатаза (2,3-DPG), другая гидролаза, которая катализирует метаболическую реакцию 2,3-бисфосфоглицерат до 3-фосфоглицерата. В присутствии 0,02 мМ фосфогликолата фосфатазная активность 2,3-DPG активируется более чем в 1000 раз.[15]

Участие фосфогликолят фосфатазы в регуляции 2,3-PGA предполагает важность наличия функциональной версии фермента. Во всех тканях животных 2,3-ПГК важен как кофактор гликолитического фермента, фосфоглицератмутазы.[15] Что еще более важно, синтез и распад 2,3-PGA имеет решающее значение для регуляции сродства связывания гемоглобина с кислородом, и увеличение его концентрации приводит к усилению оксигенации тканей, в то время как снижение может привести к гипоксии тканей. Следовательно, активация фермента, ответственного за метаболическое расщепление 2,3-PGA фосфогликолятом, может вовлекать фосфогликолят фосфатазу в регуляцию концентраций 2,3-PGA.[16]

Человек

Фосфогликолят фосфатаза проявляет электрофоретически отличительные вариантные формы. Обнаружен во всех тканях человека, включая красные клетки, лимфоциты, и культурные фибробласты, наибольшая ферментативная активность отмечена в пределах скелетный и сердечный мышца. Исследования генетического полиморфизма показывают, что PGP, вероятно, определяется тремя аллелями в одном аутосомном локусе, который экспрессируется во всех тканях человека. Предварительные наблюдения за тканью плода позволяют предположить, что локус PGP также полностью экспрессируется во время внутриутробной жизни. Первоначальные исследования также показали заметную генетическую изменчивость, о чем свидетельствует обнаружение 6 фенотипов в небольшой европейской популяции.[17]

Рекомендации

  1. ^ а б c d Ким Й., Якунин А.Ф., Кузнецова Е., Сюй Х, Пенникук М., Гу Дж., Чунг Ф., Праудфут М., Эрроусмит С.Х., Йоахимиак А., Эдвардс А.М., Кристендат Д. (январь 2004 г.). «Характеристика новой фосфогликолят фосфатазы на основе структуры и функций из Thermoplasma acidophilum». Журнал биологической химии. 279 (1): 517–26. Дои:10.1074 / jbc.M306054200. ЧВК  2795321. PMID  14555659.
  2. ^ Кристеллер Дж. Т., Толберт Н. Э. (март 1978 г.). «Механизм фосфогликолят фосфатазы. Исследования гидролиза и трансфосфорилирования, субстратных аналогов и ингибирования сульфгидрила». Журнал биологической химии. 253 (6): 1791–8. PMID  204631.
  3. ^ Эйзенхут М., Рут В., Хаймович М., Бауве Х., Каплан А., Хагеманн М. (ноябрь 2008 г.). «Фотодыхательный метаболизм гликолата важен для цианобактерий и, возможно, эндосимбионтно передавался растениям». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 105 (44): 17199–204. Bibcode:2008PNAS..10517199E. Дои:10.1073 / pnas.0807043105. ЧВК  2579401. PMID  18957552.
  4. ^ Hagemann M, Eisenhut M, Hackenberg C, Bauwe H (01.01.2010). «Путь и важность фотодыхательного метаболизма 2-фосфогликолата у цианобактерий». Последние достижения фототрофных прокариот. Достижения экспериментальной медицины и биологии. 675. С. 91–108. Дои:10.1007/978-1-4419-1528-3_6. ISBN  978-1-4419-1527-6. PMID  20532737.
  5. ^ Ричардсон К.Е., Толберт Н.Е. (май 1961 г.). «Фосфатаза фосфогликолевой кислоты». Журнал биологической химии. 236 (5): 1285–90. PMID  13741300.
  6. ^ Мамедов Т.Г., Сузуки К., Миура К., Кучо Ки К., Фукудзава Х. (декабрь 2001 г.). «Характеристики и последовательность фосфогликолат фосфатазы из эукариотической зеленой водоросли Chlamydomonas reinhardtii». Журнал биологической химии. 276 (49): 45573–9. Дои:10.1074 / jbc.M103882200. PMID  11581250.
  7. ^ Ю. Ю., Толберт Н. Е., Орт Г. М. (июль 1964 г.). «Выделение и распространение фосфогликолят фосфатазы». Физиология растений. 39 (4): 643–7. Дои:10.1104 / стр.39.4.643. ЧВК  550139. PMID  16655977.
  8. ^ Сузуки К., Марек Л. Ф., Сполдинг М. Х. (май 1990 г.). «Фотодыхательный мутант Chlamydomonas reinhardtii». Физиология растений. 93 (1): 231–7. Дои:10.1104 / стр.93.1.231. ЧВК  1062493. PMID  16667440.
  9. ^ Андерсон Л. Е., Пакольд I (март 1972 г.). "Хлоропласты и цитоплазматические ферменты: IV. Фруктозо-1,6-дифосфат альдолазы листьев гороха". Физиология растений. 49 (3): 393–7. Дои:10.1104 / pp.49.3.393. ЧВК  365972. PMID  16657968.
  10. ^ Ма Ю., Хартман М.М., Морони СП (январь 2013 г.). «Транскрипционный анализ трех генов фосфогликолат фосфатазы дикого типа и мутанта pgp1 Chlamydomonas Reinhardtii». Исследования фотосинтеза для продуктов питания, топлива и будущего. Продвинутые темы науки и техники в Китае. Берлин Гейдельберг: Springer. С. 315–318. Дои:10.1007/978-3-642-32034-7_66. ISBN  978-3-642-32033-0.
  11. ^ а б c Тимм С., Милевчик М., Флориан А., Франкенбах С., Драйссен А., Хоккен Н., Ферни А. Р., Вальтер А., Бауве Х. (17 августа 2012 г.). «Акклимация от высокого к низкому уровню CO2 показывает пластичность фотодыхательного пути и указывает на регуляторные связи с клеточным метаболизмом Arabidopsis». PLOS ONE. 7 (8): e42809. Bibcode:2012PLoSO ... 742809T. Дои:10.1371 / journal.pone.0042809. ЧВК  3422345. PMID  22912743.
  12. ^ Zecher R, Wolf HU (октябрь 1980 г.). «Частичная очистка и характеристика фосфогликолятфосфатазы эритроцитов человека». Биохимический журнал. 191 (1): 117–24. Дои:10.1042 / bj1910117. ЧВК  1162188. PMID  6258579.
  13. ^ Роза З.Б. (май 1981 г.). «Фосфогликолят фосфатаза из красных кровяных телец человека». Архивы биохимии и биофизики. 208 (2): 602–9. Дои:10.1016 / 0003-9861 (81) 90549-х. PMID  6266352.
  14. ^ Бадвей Дж. А. (апрель 1977 г.). «Фосфогликолят фосфатаза в эритроцитах человека». Журнал биологической химии. 252 (7): 2441–3. PMID  14966.
  15. ^ а б Роуз З. Б., Либовиц Дж. (Июнь 1970 г.). «2,3-дифосфоглицератфосфатаза из эритроцитов человека. Общие свойства и активация анионами». Журнал биологической химии. 245 (12): 3232–41. PMID  4317427.
  16. ^ Макдональд Р. (июнь 1977 г.). «2,3-дифосфоглицерат эритроцитов и сродство к кислороду». Анестезия. 32 (6): 544–53. Дои:10.1111 / j.1365-2044.1977.tb10002.x. PMID  327846. S2CID  35235969.
  17. ^ Баркер Р.Ф., Хопкинсон Д.А. (октябрь 1978 г.). «Генетический полиморфизм фосфогликолят фосфатазы человека (PGP)». Анналы генетики человека. 42 (2): 143–51. Дои:10.1111 / j.1469-1809.1978.tb00644.x. PMID  215071. S2CID  24895851.