Syntaza metyloglioksalu
| Identyfikatory | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| syntazy metyloglioksalu | |||||||||
| nr WE | 4.2.3.3 | ||||||||
| nr CAS | 37279-01-9 | ||||||||
| 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 syntaza metyloglioksalu (EC 4.2.3.3 ) katalizuje reakcję chemiczną
- fosforan gliceronu 2-oksopropanal + fosforan
Próby zaobserwowania odwracalności tej reakcji zakończyły się niepowodzeniem.
Enzym ten należy do rodziny liaz , w szczególności liazy węglowo-tlenowej działającej na fosforany. Systematyczna nazwa tej klasy enzymów to liaza fosforanowo-gliceronofosforanowa (tworząca metyloglioksal) . Inne powszechnie używane nazwy to syntetaza metyloglioksalu i fosfo-liaza gliceryno-fosforanowa . Enzym ten bierze udział w metabolizmie pirogronianu i ulega konstytutywnej ekspresji.
Studia strukturalne
Pod koniec 2007 r. rozwiązano 7 struktur dla tej klasy enzymów o kodach dostępu PDB 1B93 , 1EGH , 1IK4 , 1S89 , 1S8A , 1VMD i 1WO8 .
Syntaza metyloglioksalu (MGS) to 152-aminokwasowy homoheksamer o masie cząsteczkowej około 67 000 kD. Całkowita dostępna dla rozpuszczalnika powierzchnia homoheksameru MGS wynosi 18 510 angstremów kwadratowych, czyli około 40% całkowitej możliwej powierzchni, gdyby podjednostki zostały rozdzielone. Każdy monomer składa się z pięciu helis alfa otaczających pięć arkuszy beta . Spośród nich dwa antyrównoległe arkusze beta i jedna helisa alfa znajdują się w subdomenie, w której N-koniec i C-koniec znajdują się blisko siebie. Homoheksamer ma potrójną oś prostopadłą do podwójnej osi. W szerokim rowku w kształcie litery V znajduje się dwanaście wiązań wodorowych i sześć mostków solnych między monomerami w obecności wiązania fosforanów. W przypadku braku wiązania fosforanów, dziesięć wiązań wodorowych i dwa mostki solne utrzymują monomery razem. Na powierzchniach międzyfazowych, dziesięć wiązań wodorowych i brak mostków solnych łączy monomery niezależnie od wiązania fosforanów.
Homoheksamer MGS jest nieco asymetryczny. Wszystkie trzy monomery w regionie asymetrycznym zawierają mrówczanową w swoich odpowiednich miejscach aktywnych. Tylko jeden z monomerów w regionie asymetrycznym jest dodatkowo związany z fosforanem.
Miejsce aktywne zawiera wiele konserwowanych reszt dla funkcji (Asp, His, Thr) i struktury (Gly, Pro). Nieorganiczny fosforan oddziałuje z Lys23, Thr45, Thr47, Thr48 i Gly66. Mrówczan współdziała z His19, His98 i Asp71. Miejsce aktywne jest wystawione na działanie rozpuszczalnika przez prostopadły kanał, który składa się z Arg150, Tyr146, Asp20, Pro67, His98 i His19.
Chociaż mechanistycznie podobny do izomerazy triosefosforanowej (TIM), MGS zawiera bardzo odmienne fałdowanie białek, które zapobiega wyrównaniu strukturalnemu z TIM, co sugeruje zbieżną ewolucję ich reakcji chemicznych. Jednak Asp71 w MGS może działać podobnie do Glu165, zasady katalitycznej w TIM. Dodatkowo His19 i His98 mogą pełnić rolę katalizatora elektrofilowego, podobnie jak His95 w TIM. Metyloesteraza CheB ma największe podobieństwo strukturalne do MGS.
Mechanizm
Syntaza metyloglioksalu jest wysoce specyficzna dla DHAP z Km 0,47 mM przy optymalnym pH 7,5. Wbrew wcześniejszym doniesieniom, oczyszczony enzym nie reaguje z innymi glikolitycznymi metabolitami, takimi jak gliceraldehydo-3-fosforan czy fruktozo-1,6-difosforan . Mechanizm MGS jest podobny do mechanizmu TIM; oba enzymy reagują z fosforanem dihydroksyacetonu, tworząc eno-diolu jako pierwszy etap ich ścieżek reakcji. Jednak drugi krok obejmuje eliminację fosforanu z wytworzeniem metyloglioksalu zamiast ponownego protonowania z wytworzeniem gliceraldehydo-3-fosforanu. Ogólna reakcja jest scharakteryzowana jako wewnątrzcząsteczkowe utlenianie-redukcja, po której następuje defosforylacja. C-3 DHAP jest utleniany do aldehydu , podczas gdy C-1, który zawiera ester fosforanowy , jest defosforylowany i redukowany do grupy metylowej . MGS nie wymaga użycia jonów metali ani zasady Schiffa jako części katalizy.
Enzym najpierw wykorzystuje Asp71 do swoistej abstrakcji wodoru pro-S z C-3 DHAP w celu utworzenia półproduktu enzymu ene-diol (ate), w przeciwieństwie do abstrakcji wodoru C-3 pro-R w TIM przez Glu165. Druga zasada deprotonuje grupę hydroksylową , co prowadzi do rozpadu end-diolu (nianu) z utworzeniem półproduktu 2-hydroksy 2-propenalu enolu wraz z dysocjacją nieorganicznego fosforanu (–OPO 3 ) poprzez rozszczepienie raczej wiązania CO niż obligacja OP. Ta deprotonacja jest katalizowana przez Asp71 lub Asp101. Protonowanie grupy metylenowej enolanu jest niestereospecyficzne . Produkty reakcji są uwalniane sekwencyjnie z metyloglioksalem, pozostawiając przed nieorganicznym fosforanem. MGS odpowiada za racemiczną mieszaninę mleczanu w komórkach; produkcja metyloglioksalu i jego dalszy metabolizm daje L-(+)-mleczan i D-(-)-mleczan, natomiast delecja genu MGS prowadzi do obserwacji optycznie czystego D-(-)-mleczanu.
Rozporządzenie
Wiązanie fosforanu z enzymem zwiększa jego kooperatywność poprzez zmiany strukturalne, które otwierają trzy miejsca wiązania DHAP. Jednak w wyższych stężeniach fosforan działa jako konkurencyjny inhibitor allosteryczny , aby wyłączyć aktywność enzymatyczną, co sugeruje, że przekierowanie do produkcji metyloglioksalu następuje w warunkach głodu fosforanowego. Uważa się, że to hamowanie jest spowodowane przez związany fosforan i mrówczan naśladujący produkty pośrednie reakcji (enolan i nieorganiczny fosforan). Dodatkowo wiązanie fosforanów powoduje rotację reszt treoniny, które zamykają miejsce aktywne.
Ser55 w miejscu aktywnym MGS odpowiada za odróżnienie wiązania nieorganicznego fosforanu od grupy fosforanowej substratu (DHAP) poprzez wiązanie wodorowe i przejście zmiany konformacyjnej lokalizacji. Transmisja sygnału allosterycznego jest określona jako przechodząca przez Arg97 i Val101, ponieważ żaden z nich nie znajduje się w miejscu aktywnym, jednak mutacje w tych resztach negują jakikolwiek efekt hamujący wiązania fosforanu. Pro82 jest niezbędny do przesłania sygnału z jednej podjednostki do Ar97 i Val101 innej podjednostki. Indukcja tworzenia mostków solnych między Asp10 i Arg140 jest dodatkową ścieżką transmisji sygnału między podjednostkami dla organizmów, które zachowują ostatnie 10 aminokwasów peptydu monomeru. Ostatecznym akceptorem tego sygnału allosterycznego jest katalityczny Gly56 w miejscu aktywnym.
Nieorganiczny pirofosforan ma 95% zdolności fosforanu do hamowania MGS. 3-fosfoglicerynian i fosfoenolopirogronian również mają odpowiednio 50% i 70% hamowania. 2-fosfoglikolan działa również jako konkurencyjny inhibitor, naśladując półprodukt ene-diolanu. Wykazano, że ATP ma słabe hamowanie w niektórych szczepach bakterii. Produkt reakcji, metyloglioksal, nie wykazuje żadnego hamowania sprzężenia zwrotnego MGS.
Funkcja biologiczna
Syntaza metyloglioksalu zapewnia alternatywny szlak kataboliczny dla fosforanów triozy powstających podczas glikolizy . Ma poziom aktywności podobny do dehydrogenazy gliceraldehydo-3-fosforanowej z glikolizy, co sugeruje wzajemne oddziaływanie między dwoma enzymami w rozkładzie fosforanów triozy. Rzeczywiście, MGS jest silnie hamowany przez stężenia fosforanów, które są bliskie Km fosforanu służącego jako substrat dla dehydrogenazy gliceraldehydo-3-fosforanowej i dlatego jest nieaktywny w normalnych warunkach wewnątrzkomórkowych. Katabolizm fosforanu triozy przełącza się na MGS, gdy stężenia fosforanów są zbyt niskie dla aktywności dehydrogenazy gliceraldehydo-3-fosforanowej.
W sytuacjach, gdy glikoliza jest ograniczona przez głód fosforanów, przejście na MGS służy do uwolnienia fosforanu z metabolitów glikolitycznych dla dehydrogenazy gliceraldehydo-3-fosforanowej i do wytworzenia metyloglioksalu, który jest przekształcany w pirogronian przez mleczan z rozłączeniem syntezy ATP . To wzajemne oddziaływanie między dwoma enzymami umożliwia komórce przesunięcie katabolizmu triozy między tworzeniem 1,3-bisfosfoglicerynianu i metyloglioksalu w oparciu o dostępne fosforany.
Inne aplikacje
Do produkcji etanolu paliwowego niezbędny jest całkowity metabolizm złożonych kombinacji cukrów w E. coli przez syntetyczne biokatalizatory. Delecja genu syntazy metyloglioksalu w E. coli zwiększa szybkość fermentacji etanogennej E. coli poprzez promowanie kometabolizmu mieszanin cukrów zawierających pięć głównych cukrów znajdujących się w biomasie ( glukoza , ksyloza , arabinoza , galaktoza i mannoza ). Sugeruje to, że wytwarzanie metyloglioksalu przez MGS odgrywa rolę w kontrolowaniu ekspresji specyficznych dla cukru transporterów i genów katabolicznych w natywnych E.coli.
MGS ma również znaczenie przemysłowe w produkcji mleczanu, hydroksyacetonu (acetolu) i 1,2-propandiolu . Wprowadzenie genu MGS do bakterii, które natywnie nie mają MGS, zwiększyło użyteczną produkcję 1,2-propandiolu o 141%.
W zastosowaniach biotechnologicznych i syntetycznych wiązanie fosforanów pomaga stabilizować i chronić enzym przed denaturacją wywołaną zimnem i ciepłem . Wiadomo również, że interakcja His-His poprzez wstawienie jednej reszty histydyny między Arg22 i His23 nadaje większą termostabilność poprzez zwiększenie jej okresu półtrwania 4,6-krotnie.
Dalsza lektura
- Cooper RA, Anderson A (grudzień 1970). „Powstawanie i katabolizm metyloglioksalu podczas glikolizy w Escherichia coli” . Listy FEBS . 11 (4): 273–276. doi : 10.1016/0014-5793(70)80546-4 . PMID 11945504 . S2CID 29741913 .
- Hopper DJ, Cooper RA (marzec 1971). „Regulacja syntazy metyloglioksalu Escherichia coli; nowe miejsce kontrolne w glikolizie?”. Listy FEBS . 13 (4): 213–216. doi : 10.1016/0014-5793(71)80538-0 . PMID 11945670 . S2CID 7075947 .
- Ray S, Ray M (czerwiec 1981). „Izolacja syntazy metyloglioksalu z wątroby koziej”. Journal of Biological Chemistry . 256 (12): 6230–3. PMID 7240200 .
