Liaza laktoiloglutationowa
| liaza laktoiloglutationowa | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
Schemat wstęgowy ludzkiej glioksalazy I z jej katalitycznymi jonami cynku pokazanymi jako dwie fioletowe kule. Inhibitor, S-heksyloglutation , pokazano jako model wypełniający przestrzeń ; zielone, czerwone, niebieskie i żółte kule odpowiadają atomom węgla , tlenu , azotu i siarki .
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| nr WE | 4.4.1.5 | ||||||||
| nr CAS | 9033-12-9 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
Enzym liaza laktoiloglutationowa (EC 4.4.1.5, znana również jako glioksalaza I ) katalizuje izomeryzację adduktów hemitioacetalowych, które powstają w spontanicznej reakcji między grupą glutationylową a aldehydami , takimi jak metyloglioksal .
- ( R )-S - laktoiloglutation = glutation + 2-oksopropanal
Glioksalaza I wywodzi swoją nazwę od katalizy pierwszego etapu w systemie glioksalazy , krytycznego dwuetapowego systemu detoksykacji metyloglioksalu . Metyloglioksal jest wytwarzany naturalnie jako produkt uboczny normalnej biochemii, ale jest wysoce toksyczny ze względu na reakcje chemiczne z białkami , kwasami nukleinowymi i innymi składnikami komórkowymi. Drugi etap detoksykacji, w którym ( R ) -S -laktoiloglutation jest rozkładany na glutation i D-mleczan, przeprowadzany jest przez glioksalazę II , hydrolazę . Co niezwykłe, te reakcje przeprowadzane przez układ glioksalazy nie utleniają glutationu, który zwykle działa jako koenzym redoks . Chociaż reduktaza aldozowa może również odtruwać metyloglioksal, system glioksalazy jest bardziej wydajny i wydaje się być najważniejszym z tych szlaków. Glioksalaza I jest atrakcyjnym celem dla rozwoju leków do leczenia infekcji przez niektóre pasożytnicze pierwotniaki i raka . Zidentyfikowano kilka inhibitorów glioksalazy I, takich jak S-(N-hydroksy-N-metylokarbamoilo)glutation.
Glioksalaza I jest klasyfikowana jako liaza węgiel-siarka , chociaż ściśle mówiąc, enzym ten nie tworzy ani nie rozrywa wiązania węgiel-siarka. Zamiast tego enzym przesuwa dwa atomy wodoru z jednego atomu węgla metyloglioksalu na sąsiedni atom węgla. W efekcie reakcja jest wewnątrzcząsteczkową redoks ; jeden węgiel jest utleniany, a drugi redukowany. Mechanizm przebiega raczej przez odejmowanie, a następnie dodawanie protonów , tworząc pośredni enediolan, niż przez przenoszenie wodorków . Niezwykle jak na metaloproteinę , enzym ten wykazuje aktywność z kilkoma różnymi metalami. Glioksalaza I jest również niezwykła, ponieważ jest stereospecyficzna w drugiej połowie swojego mechanizmu, ale nie w pierwszej połowie. Strukturalnie enzym jest dimerem z zamienioną domeną u wielu gatunków, chociaż dwie podjednostki połączyły się w monomer w drożdżach , poprzez duplikację genów .
Nomenklatura
Systematyczna nazwa tej klasy enzymów to ( R ) -S -laktoiloglutationu metyloglioksalliaza (izomeryzująca; tworząca glutation); inne nazwy to:
- metyloglioksalaza,
- aldoketomutaza,
- mutaza ketonowo-aldehydowa i
- ( R )-S- laktoiloglutationometyloglioksal -liaza (izomeryzująca).
W niektórych przypadkach ugrupowanie glutationylowe może być dostarczane przez trypanotion , analog glutationu w pasożytniczych pierwotniakach, takich jak trypanosomy . Ludzki gen tego enzymu nazywa się GLO1 .
Gen
| GLO1 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Identyfikatory | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| , GLOD1, GLYI, HEL-S-74, glioksalaza I | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Identyfikatory zewnętrzne | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Wikidane | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Liaza laktoiloglutationu u ludzi jest kodowana przez gen GLO1 .
Struktura
Kilka struktur glioksalazy I zostało rozwiązanych. Opublikowano cztery struktury postaci ludzkiej z kodami dostępu PDB 1BH5 , 1FRO , 1QIN i 1QIP . Opublikowano pięć struktur formy Escherichia coli , z kodami dostępu 1FA5 , 1FA6 , 1FA7 , 1FA8 i 1F9Z . Wreszcie, jedna struktura wersji specyficznej dla trypanotionu z Leishmania major został rozwiązany, 2C21 . We wszystkich tych przypadkach czwartorzędowa struktura jednostki biologicznej jest dimerem z zamienioną domeną, w którym miejsce aktywne i 8-niciowa struktura drugorzędowa arkusza beta jest utworzona z obu podjednostek. Jednak w drożdżach, takich jak Saccharomyces cerevisiae , dwie podjednostki połączyły się w pojedynczy monomer o podwójnej wielkości, poprzez duplikację genu . Każda połowa dimeru strukturalnego to kanapka 3-4 helis alfa po obu stronach 8-niciowego antyrównoległego arkusza beta; interfejs dimeru składa się w dużej mierze z bezpośredniego spotkania dwóch arkuszy beta.
Struktury trzeciorzędowe i czwartorzędowe glioksalazy I są podobne do kilku innych rodzajów białek. Na przykład glioksalaza I przypomina kilka białek, które pozwalają bakteriom uodpornić się na antybiotyki, takie jak fosfomycyna , bleomycyna i mitomycyna . Podobnie niepowiązane enzymy epimeraza metylomalonylo-CoA , 3-O-metylotransferaza 3-demetyloubichinonu i liczne dioksygenazy , takie jak 1,2-dioksygenaza bifenylo-2,3-diolu , 2,3-dioksygenaza katecholu , 2,3-dioksygenaza 3,4-dihydroksyfenylooctanu i dioksygenaza 4-hydroksyfenylopirogronianu przypominają strukturą glioksalazę I. Wreszcie, wiele białek o nieznanej lub niepewnej funkcji również przypomina glioksalazę I, na przykład At5g48480 z rośliny Arabidopsis thaliana .
Miejsce aktywne ma cztery główne regiony.
Funkcjonować
Główną fizjologiczną funkcją glioksalazy I jest detoksykacja metyloglioksalu , reaktywnego 2-oksoaldehydu , który jest cytostatyczny w niskich stężeniach i cytotoksyczny w stężeniach milimolowych. Metyloglioksal jest produktem ubocznym normalnej biochemii, który jest czynnikiem rakotwórczym, mutagennym i może chemicznie uszkadzać kilka składników komórki, takich jak białka i kwasy nukleinowe. Metyloglioksal powstaje samorzutnie z fosforanu dihydroksyacetonu, enzymatycznie przez izomerazę triosefosforanową i syntazę metyloglioksalową, a także w katabolizmie treoniny .
Aby zminimalizować ilość toksycznego metyloglioksalu i innych reaktywnych 2-oksoaldehydów, wyewoluował system glioksalazy . Metyloglioksal reaguje spontanicznie ze zredukowanym glutationem (lub jego odpowiednikiem, trypanotionem )), tworząc hemitioacetal. Układ glioksalazy przekształca takie związki w D- mleczan i przywrócił glutation. W tej przemianie dwa węgle karbonylowe 2-oksoaldehydu są odpowiednio utleniane i redukowane, przy czym aldehyd jest utleniany do kwasu karboksylowego, a grupa acetalowa jest redukowana do alkoholu. System glioksalazy wyewoluował bardzo wcześnie w historii życia i występuje prawie powszechnie w formach życia.
System glioaksalazy składa się z dwóch enzymów, glioksalazy I i glioksalazy II . Opisany tutaj poprzedni enzym przestawia hemitioacetal utworzony naturalnie w wyniku ataku glutationu na metyloglioksal w produkt. Glioksalaza II hydrolizuje produkt, tworząc ponownie glutation i wytwarzając D- mleczan . Zatem glutation działa niezwykle jako koenzym i jest potrzebny tylko w katalitycznych (tj. bardzo małych) ilościach; normalnie glutation działa zamiast tego jako redoks w reakcjach utleniania-redukcji.
Sugerowano również, że system glioksalazy odgrywa rolę w regulacji wzrostu komórek i tworzeniu mikrotubul .
Nieruchomości
Glioksalaza I wymaga do katalizy związanych jonów metali. Ludzki enzym i jego odpowiedniki w drożdżach ( Saccharomyces cerevisiae ) i Pseudomonas putida wykorzystują dwuwartościowy cynk Zn 2+ . Z kolei wersje prokariotyczne często wykorzystują niklu . Glioksalaza, którą znalazłem w eukariotycznych trypanosomalnych , takich jak Leishmania major i Trypanosoma cruzi , może również wykorzystywać nikiel do działania, prawdopodobnie odzwierciedlając nabycie ich genu GLO1 przez poziomy transfer genów .
Cechą glioksalazy I jest brak swoistości względem katalitycznego jonu metalu. Większość enzymów wiąże jeden określony rodzaj metalu, a ich aktywność katalityczna zależy od związania tego metalu. Na przykład oksydoreduktazy często wykorzystują określony jon metalu , taki jak żelazo , mangan lub miedź i nie będą działać, jeśli ich preferowany jon metalu zostanie zastąpiony, ze względu na różnice w potencjale redoks ; w ten sposób dysmutaza nadtlenku żelaza nie może funkcjonować, jeśli jego katalityczne żelazo zostanie zastąpione manganem i odwrotnie. Z drugiej strony, chociaż ludzka glioksalaza I preferuje stosowanie dwuwartościowego cynku, jest w stanie działać z wieloma innymi metalami dwuwartościowymi, w tym magnezem , manganem , kobaltem , niklem , a nawet wapniem ; jednakże enzym jest nieaktywny z kationem żelazawym. Podobnie, chociaż prokariotyczna glioksalaza I preferuje nikiel, może działać z kobaltem, manganem i kadmem ; jednakże enzym jest obojętny wobec związanego cynku ze względu na zmianę geometria koordynacyjna od ośmiościennej do bipiramidalnej trygonalnej . Badania strukturalne i obliczeniowe wykazały, że metal wiąże dwa atomy tlenu karbonylowego ugrupowania metyloglioksalu w dwóch swoich miejscach koordynacyjnych, stabilizując pośredni anion enediolanowy.
Inną niezwykłą właściwością glioksalazy I jest jej niespójna stereospecyficzność. Pierwszy etap jego mechanizmu reakcji (abstrakcja protonu z C 1 i późniejsze protonowanie O 2 ) nie jest stereospecyficzny i działa równie dobrze niezależnie od początkowej chiralności przy C 1 substratu hemitioacetalowego. Otrzymany półprodukt enediolanowy jest achiralny, ale drugi etap mechanizmu reakcji (odebranie protonu z O 1 i późniejsze protonowanie C 2 ) jest zdecydowanie stereospecyficzny, wytwarzając jedynie ( S ) forma D-laktoiloglutationu. Uważa się, że wynika to z dwóch glutaminianów związanych przeciwnie na jonach metali; każdy z nich jest w stanie wykonać pierwszy krok, ale tylko jeden jest w stanie wykonać drugi krok. Przyczyna tej asymetrii nie jest jeszcze w pełni ustalona.
Mechanizm reakcji
Cząsteczka metyloglioksalu składa się z dwóch grup karbonylowych otoczonych atomem wodoru i grupą metylową . W poniższym omówieniu te dwa węgle karbonylowe będą oznaczane odpowiednio jako C1 i C2. Zarówno w substracie hemitioacetalowym, jak i produkcie (R)-S-laktoiloglutationowym, glutationu jest związane z grupą karbonylową C1.
Podstawowy mechanizm działania glioksalazy I jest następujący. Hemitioacetal substratu powstaje, gdy cząsteczka glutationu — prawdopodobnie w swojej reaktywnej postaci tiolanu — atakuje karbonyl C1 metyloglioksalu lub pokrewnego związku, czyniąc ten węgiel czterowartościowym. Reakcja ta zachodzi samorzutnie w komórce, bez udziału enzymu. Ten hemitioacetal jest następnie wiązany przez enzym, który przenosi wodór z C1 na C2. Karbonyl C2 jest redukowany do postaci czterowartościowego alkoholu przez dodanie dwóch protonów, podczas gdy karbonyl C1 jest przywracany przez utratę wodoru, przy jednoczesnym zachowaniu wiązania z ugrupowaniem glutationu.
Badanie obliczeniowe w połączeniu z dostępnymi danymi eksperymentalnymi sugeruje następujący mechanizm rozdzielczości atomowej dla glioksalazy I. W miejscu aktywnym metal katalityczny przyjmuje ośmiościenną geometrię koordynacyjną i przy braku substratu wiąże dwie wody, dwa przeciwne glutaminiany , histydyna i jeden inny łańcuch boczny, zwykle inna histydyna lub glutaminian . Kiedy substrat wchodzi do miejsca aktywnego, dwie wody są zrzucane, a dwa atomy tlenu karbonylowego substratu są związane bezpośrednio z jonem metalu. Dwa przeciwstawne glutaminiany dodają i odejmują protony od C1 i C2 oraz ich odpowiednich atomów tlenu, O1 i O2. Pierwsza połowa reakcji przenosi proton z C1 do O2, podczas gdy druga połowa przenosi proton z O1 do C2. Pierwsza reakcja może być prowadzona przez jeden z przeciwstawnych glutaminianów, w zależności od początkowej chiralności C1 w podłożu hemitioacetalowym; jednak druga połowa jest stereospecyficzna i jest wykonywana tylko przez jeden z przeciwnych glutaminianów.
Warto zauważyć, że niedawno opublikowano pierwszy teoretycznie potwierdzony mechanizm działania R -substratu glioksalazy.
Mechanizm katalityczny glioksalazy badano za pomocą teorii funkcjonału gęstości, symulacji dynamiki molekularnej i hybrydowych metod QM/MM. Powodem szczególnej specyficzności enzymu (akceptuje oba enancjomery swojego chiralnego substratu, ale przekształca je w ten sam enancjomer produktu) jest wyższa zasadowość i elastyczność jednego z glutaminianów miejsca aktywnego (Glu172).
Transfer protonu vs. wodorku
Pierwotnie sądzono, że glioksalaza I działa poprzez przeniesienie wodorku , który jest protonem otoczonym przez dwa elektrony (H – ). Uważano, że pod tym względem przypomina klasyczny reakcji Cannizzaro , w którym atak hydroksylanu na aldehyd przekształca go w anion czterowartościowego alkoholu; ten anion oddaje swoje atomy wodoru drugiemu aldehydowi, tworząc kwas karboksylowy i alkohol. (W efekcie dwa identyczne aldehydy redukują i utleniają się nawzajem, pozostawiając taki sam stopień utlenienia netto).
W glioksalazie I taki mechanizm przenoszenia wodorków działałby w następujący sposób. Atak glutationu pozostawiłby naładowany O – i wodór aldehydowy związany z C 1 . Jeśli tlen karbonylowy C 2 może zabezpieczyć wodór z wiążącego kwaśnego łańcucha bocznego enzymu, tworząc alkohol, to wodór C 1 może jednocześnie ześlizgnąć się ze swoimi elektronami na C 2 (przeniesienie wodorku). W tym samym czasie dodatkowy elektron na atomie tlenu C1 mógłby zreformować podwójne wiązanie karbonylu, dając w ten sposób produkt końcowy.
Alternatywny (i ostatecznie poprawny) mechanizm wykorzystujący transfer protonu (H + ) został zaproponowany w latach siedemdziesiątych. W tym mechanizmie zasadowy łańcuch boczny enzymu oddziela proton aldehydowy od C1 ; w tym samym czasie proton a jest dodawany do tlenu C2 , tworząc w ten sposób enediol . En C2 a C1 powstało wiązanie podwójne z elektronów pozostawionych przez oderwanie protonu aldehydowego; diol _ odnosi się do faktu, że z dwóch początkowych grup karbonylowych powstały dwa alkohole. W tym mechanizmie półprodukt tworzy produkt poprzez dodanie kolejnego protonu do C 2 .
Oczekiwano, że protony rozpuszczalnika będą przyczyniać się do tworzenia produktu pośredniego enediolu w mechanizmie przenoszenia protonów, a gdy takiego wkładu nie obserwowano w wodzie trytowanej , 3 H 1 O, preferowany był mechanizm przenoszenia wodorków. Jednak alternatywna hipoteza — że miejsce aktywne enzymu było głęboko zakopane z dala od wody — nie mogła zostać wykluczona i ostatecznie okazała się poprawna. Pierwsze oznaki pojawiły się, gdy stale rosnące temperatury wykazały coraz większe włączenie trytu, co jest zgodne z przenoszeniem protonów i nieoczekiwanym przenoszeniem wodorków. Niepodważalne dowody można znaleźć w badaniach nad wodorem-deuterem wpływ izotopowy na substraty fluorowane na grupie metylowej i deuterowane na aldehydzie. Fluorek jest dobrą grupą opuszczającą; mechanizm przenoszenia wodorków przewiduje mniejszą eliminację jonów fluorkowych z deuterowaną próbką, podczas gdy mechanizm przenoszenia protonów przewiduje więcej . Eksperymenty na trzech typach glioksalazy I (forma drożdżowa, szczurza i mysia) potwierdziły mechanizm przenoszenia protonów w każdym przypadku. Mechanizm ten ostatecznie zaobserwowano w strukturach krystalicznych glioksalazy I.
Znaczenie kliniczne
Zachowanie
Glo1 jest skorelowana z różnicami w zachowaniach podobnych do lęku u myszy, jak również w teście zawieszenia ogona , który jest wrażliwy na leki przeciwdepresyjne ; jednak kierunek tych efektów nie zawsze był spójny, co budziło sceptycyzm. Wydaje się, że różnice w Glo1 u myszy są spowodowane wariantem liczby kopii , który jest powszechny wśród wsobnych szczepów myszy. Zaproponowano, że efekty behawioralne Glo1 wynikają z aktywności jego głównego substratu metyloglioksal na receptory GABA A. _ Wykazano, że drobnocząsteczkowy inhibitor glioksalazy I ma właściwości anksjolityczne, identyfikując w ten sposób inne możliwe wskazanie dla inhibitorów glioksalazy I.
Jako cel narkotykowy
Glioksalaza I jest celem dla rozwoju farmaceutyków przeciwko bakteriom, pierwotniakom (zwłaszcza Trypanosoma cruzi i Leishmania ) i rakowi człowieka. Opracowano wiele inhibitorów, z których większość ma wspólne glutationu . Do rodziny inhibitorów najsilniej wiążących się z ludzkim enzymem należą pochodne S- ( N -arylo- N -hydroksykarbamoilo)glutationu, w szczególności pochodna p -bromofenylu, która ma stałą dysocjacji 14 nM. Uważa się, że najbliższym analogiem stanu przejściowego jest S- ( N -hydroksy- N - p - jodofenylokarbamoilo)glutation; struktura krystaliczna tego związku związanego z ludzkim enzymem została rozwiązana z rozdzielczością 2 Å (kod dostępu PDB 1QIN ).
Eksperymenty sugerują, że metyloglioksal jest preferencyjnie toksyczny dla proliferujących komórek, takich jak komórki nowotworowe.
Ostatnie badania pokazują, że ekspresja GLO1 jest regulowana w górę w różnych ludzkich nowotworach złośliwych, w tym w przerzutowym czerniaku.
Dalsza lektura
- Ekwall K, Mannervik B (luty 1973). „Stereochemiczna konfiguracja grupy laktoilowej S-laktoiloglutationiny utworzonej w wyniku działania glioksalazy I z erytrocytów świńskich i drożdży”. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Przedmioty ogólne . 297 (2): 297-9. doi : 10.1016/0304-4165(73)90076-7 . PMID 4574550 .
- Racker E (czerwiec 1951). „Mechanizm działania glioksalazy” . Journal of Biological Chemistry . 190 (2): 685–96. doi : 10.1016/S0021-9258(18)56017-8 . PMID 14841219 .
- Allen RE, Lo TW, Thornalley PJ (kwiecień 1993). „Uproszczona metoda oczyszczania ludzkiej glioksalazy krwinek czerwonych. I. Charakterystyka, immunoblotting i badania inhibitorów”. Journal of Protein Chemistry . 12 (2): 111–9. doi : 10.1007/BF01026032 . PMID 8489699 . S2CID 31587421 .
- Larsen K, Aronsson AC, Marmstål E, Mannervik B (1985). „Porównanie immunologiczne glioksalazy I z drożdży i ssaków oraz ilościowe oznaczanie enzymu w tkankach ludzkich za pomocą testu radioimmunologicznego”. Biochemia porównawcza i fizjologia . B, Biochemia porównawcza . 82 (4): 625–38. doi : 10.1016/0305-0491(85)90499-7 . PMID 3937656 .
- Vander Jagt DL, Daub E, Krohn JA, Han LP (sierpień 1975). „Wpływ pH i tioli na kinetykę glioksalazy drożdżowej I. Ocena mechanizmu losowego szlaku”. Biochemia . 14 (16): 3669–75. doi : 10.1021/bi00687a024 . PMID 240387 .
- Phillips SA, Thornalley PJ (luty 1993). „Tworzenie metyloglioksalu z fosforanów triozy. Badanie z użyciem specyficznego testu na obecność metyloglioksalu” . Europejski Dziennik Biochemii . 212 (1): 101–5. doi : 10.1111/j.1432-1033.1993.tb17638.x . PMID 8444148 .
Linki zewnętrzne
- Przegląd wszystkich informacji strukturalnych dostępnych w PDB dla UniProt : Q04760 (Ludzka liaza laktoiloglutationowa) w PDBe-KB .
- Przegląd wszystkich informacji strukturalnych dostępnych w PDB dla UniProt : Q9CPU0 (mysia liaza laktoiloglutationowa) w PDBe-KB .
|
Galeria WP
| |
|---|---|
|
