Enzym laktonizujący mukonian

Cykloizomeraza mukonianu
Cykloizomeraza mukonianu oktamer, Thermotoga maritima
Identyfikatory
nr WE	5.5.1.1
nr CAS	9023-72-7
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
Szukaj PKW artykuły PubMed artykuły NCBI białka

Enzymy laktonizujące mukonian ( EC 5.5.1.1 , mukonian cykloizomerazy I , cis, cis-mukonian-laktonizujący enzym , cis, cis-mukonian cykloizomerazy , liaza 4-karboksymetylo-4-hydroksyizokrotonolaktonu (decyklizująca) , CatB , MCI , MLE , 2,5 liaza -dihydro-5-oksofurano-2-octanowa (decyklizująca)) biorą udział w rozkładzie związków aromatycznych pochodzących z ligniny , katecholu i protokatechuanu , do cyklu kwasu cytrynowego jako część szlaku β-ketoadypinowego w drobnoustrojach glebowych. Niektóre bakterii są również zdolne do dehalogenacji związków chloroaromatycznych przez działanie enzymów laktonizujących chloromukonianu. MLE składają się z kilku nici, które mają zmienne części sprzyjające reakcji, dlatego konfiguracja nici wpływa na jej zdolność do przyjmowania protonów. Bakteryjne MLE należą do nadrodziny enolazy , z których znanych jest kilka struktur. MLE mają strukturę identyfikującą składającą się z dwóch białek i dwóch jonów magnezu, a także różnych klas w zależności od tego, czy jest bakteryjna, czy eukariotyczna. Mechanizm reakcji, któremu podlegają MLE, jest odwrotnością eliminacji beta, w której enolanowy węgiel alfa jest protonowany. MLE mogą ulegać mutacjom spowodowanym delecją genów strukturalnych catB, co może spowodować, że niektóre bakterie stracą swoje funkcje, takie jak zdolność do wzrostu. Dodatkowe mutacje w MLE mogą powodować zmianę jego struktury i funkcji oraz zmianę konformacji, czyniąc go nieaktywnym enzymem, który nie jest w stanie związać swojego substratu. Istnieje inny enzym o nazwie Mandelate Racemase, który jest bardzo podobny do MLE w sposób strukturalny, jak również oba są częścią nadrodziny enolazy. Oba mają ten sam produkt końcowy, chociaż przechodzą różne reakcje chemiczne, aby osiągnąć produkt końcowy.

Struktura

Struktura enzymów laktonizujących Muconate (MLE) składa się z siedmiołopatowego śmigła beta z różnymi modyfikacjami w zależności od rodzaju klasy, do której należy. Istnieją trzy klasy MLE, są to bakteryjne MLE, bakteryjne CMLE i eukariotyczne MLE/CMLE. Bakteryjne MLE składają się z beczki TIM i są ułożone w stereochemii Syn, podczas gdy bakteryjne CMLE są ułożone w stereochemii Anti. Jeśli chodzi o eukariotyczne MLE/CMLE, są one ułożone w stereochemii Syn. Eukariotyczne MLE / CMLE nie miały podobieństwa sekwencji do innych rodzin enzymów, ale stwierdzono, że bakterie MLE są podobne do nadrodziny enolazy, a bakteryjne CMLE są podobne do fumaraz klasy II.

Sama struktura składa się z dwóch cząsteczek białka składających się z łańcucha aminokwasów i dwóch związków chemicznych, którymi są dwa jony magnezu.

Funkcjonować

Na dużą skalę MLE katalizują bakteryjne szlaki β-ketoadypinianowe poprzez katabolizację aromatycznej ligniny występującej w roślinach do związków pośrednich występujących w cyklu Krebsa. Niektóre MLE mogą być fluorowcowane Cl i pełnić nieco inne funkcje w drobnoustroju. Halogenowane MLE mogą usuwać Cl z fluorowcowanych związków aromatycznych, umożliwiając rozkład 2,4-dichlorofenoksyoctanu. Ta unikalna funkcja pozwala na wykorzystanie tych drobnoustrojów w bioremediacji, zmniejszając toksyczność w glebie zakażonej herbicydami. Mówiąc dokładniej, MLE mają wiele wątków. Niektóre nici zawierają więcej części sprzyjających reakcji według mechaniki kwantowej/mechaniki molekularnej Analiza (QM/MM). Druga nić MLE zawiera resztę zasadową, która umożliwia przyjęcie protonu na Lys-162 lub Lys-168, w zależności od tego, w jakiej konfiguracji się znajduje, odpowiednio anty lub syn. Potwierdza się, że reszty zasadowe na drugiej nici są wykorzystywane do tworzenia powierzchni energii w porównaniu z szóstą nicią. MLE znalezione w Mycobacterium smegmatis są anty-MLE, co oznacza, że ​​wytwarzają anty-produkt mukonolaktonu (lakton mukonianowy), podczas gdy Pseudomonas fluorescens wykorzystuje syn-MLE do wytworzenia produktu syn.

Mechanizm i działanie

Enzymy laktonizujące mukonian (MLE) mają odwrotny typ mechanizmu reakcji w porównaniu z racemazą mandelanową (MR), będąc odwrotnością beta-eliminacji. Dlatego węgiel alfa enolanu zostaje protonowany zamiast deprotonowany. Ale to protonowanie jest termodynamicznie korzystnym etapem reakcji. Również, podobnie jak w MR, w MLE tworzenie półproduktu enolanowego nadal jest centralnym problemem katalitycznym, dlatego jest etapem ograniczającym szybkość. Ponadto MLE mogą ułatwiać katalizę poprzez przyłączanie substratu, a tym samym zwiększanie nukleofilowości karboksylanu w celu wytworzenia laktonu.

enzymu laktonizującego mukonianu w celu katalizowania tej samej reakcji 1,2 addycji-eliminacji. Można to zrobić z metalowym kofaktorem lub bez niego. W drobnoustrojach glebowych, Cis, cismukoniany (substrat) są przekształcane w mukonolaktony (produkt) przez MLE. Ta reakcja chemiczna jest częścią szlaku β-ketoadypinowego, tlenowego szlaku katabolicznego, który rozkłada związki aromatyczne, takie jak lignina, na półprodukt w cyklu kwasu cytrynowego. Szlak β-ketoadypinianowy ma dwie główne gałęzie: 1) gałąź katecholową i 2) gałąź protokatechuatową. Gałąź katecholu składa się z enzymu laktonizującego cis, cis-mukonianu , natomiast gałąź protokatechuanu składa się z karboksy- cis, cis-mukontynian enzymu laktonizującego. Obie reakcje tworzą bursztynian + acetylo-CoA, co prowadzi do cyklu kwasu cytrynowego. Z drugiej strony, racemasa Mandelate działa katalizując odwrócenie konfiguracji na węglu alfa poprzez utworzenie karboanionowego związku pośredniego.

Mutacja

Mutacja w enzymie laktonizującym Mucanote może być spowodowana delecją w genie strukturalnym catB i utratą plejotropowych aktywności zarówno genu catB , jak i catC . Drobnoustrój o nazwie Pseudomona putida traci zdolność do wzrostu z powodu delecji w genie catB dla enzymu laktonizującego mukonian. Pseudomona putida (mutant wrażliwy na zimno) normalnie rośnie w temperaturze 30 stopni C, ale w wyniku mutacji enzymu laktonizującego cis, cis-mukonian, traci swoją zdolność do wzrostu również w 15 stopniach C. W niskiej temperaturze zmutowany enzym nie traci swojej funkcji, raczej gen strukturalny, który koduje ten konkretny enzym, traci zdolność do wyrażania swojego genu w tej temperaturze.

Dodatkowo mutacja może również prowadzić do zmiany struktury i funkcji enzymu. Odmienną strukturą wynikającą z mutacji enzymu laktonizującego mukonian jest enzym laktonizujący mukonian Cl. Enzym laktonizujący Cl-mukonian ma dwa rodzaje konformacji: otwartą i zamkniętą. Mutacja powoduje zamianę aminokwasu na Ser99 i wiąże się on z wiązaniami wodorowymi z Gly48. Wynikająca z tego struktura ma zamknięte miejsce aktywne. Dlatego ta zmiana z enzymu laktonizującego mukonianu na enzym laktonizujący mukonian Cl powoduje dynamiczne różnice w zdolności wiązania miejsca aktywnego. Wreszcie zmiana zdolności wiązania nie pozwoli na dalszy przebieg reakcji dehalogenacji. Jednym ważnym aspektem, na który należy zwrócić uwagę, jest to, że nie może być zmiany konformacyjnej w Gly48 na Thr52. Dzieje się tak, ponieważ polipeptyd nie będzie mógł się skręcić, jeśli Gly48 zostanie zastąpiony. Również Thr52 i Glu50 są ze sobą połączone wiązaniami wodorowymi.

Dodatkowa zmiana konformacji spowodowana mutacją enzymu laktonizującego mukonian może skutkować pętlą 21-30. Może to prowadzić do znacznej różnicy w miejscach aktywnych, ponieważ pokazuje różnicę w polarności aminokwasu. W enzymie laktonizującym mukonian Cl , Ile19 i Met21 są mniej polarne w porównaniu z His22 (ta sama pozycja co Ile19) dla enzymu laktonizującego mukonian . Stąd wynika to z różnicy w hydrofobowej strukturze rdzenia w miejscu aktywnym.

Enzymy są bardzo specyficzne w stosunku do swoich substratów, a tworzenie produktu zależy od aktywności enzym-substrat. Mutacja punktowa, która doprowadziła do wariantów, Ser271Ala i Ile54Val, dla enzymu mukonującego Cl, wykazała znaczny spadek aktywności dehalogenacji. Jedną z zalet mutacji w enzymie laktonizującym mukonian z Asp na Asn lub z Glu na Gln jest to, że może pomóc zrozumieć wpływ ligandu metalu na proces katalityczny i miejsce wiązania.

Porównanie enzymów laktonizujących mukonianu i racemasy mandelanowej

Mandelate Racemase ma silny związek z mukonianowymi enzymami laktonizującymi. Chociaż enzym laktonizujący Muconate i Racemase Mandelate katalizują różne reakcje chemiczne wymagane przez Pseudomonas putida w przypadku procesów katabolicznych są one strukturalnie bardzo do siebie podobne. Według Nature International Journal of Science oba enzymy są „w 26% identyczne w swojej podstawowej strukturze”. Na podstawie Nature International Journal of Science mówi się, że ta cecha struktury homologicznej wyewoluowała od wspólnego przodka. Ta cecha pomaga w modyfikowaniu aktywności enzymatycznej dla szlaków metabolicznych.

Według książki Enzymatic Mechanism , autorstwa Perry'ego A. Freya i Dextera B. Northropa, enzymy laktonizujące Muconate i Racemase Mandelate są członkami nadrodziny enolazy. Chociaż oba enzymy różnią się reakcjami chemicznymi, oba mają ten sam produkt końcowy, który prowadzi do ekstrakcji protonu z węgla alfa do jonu karboksylanowego. Jedną z zalet podobieństwa budowy tych dwóch enzymów jest uzyskanie wysokiej jakości dopasowania strukturalnego, które może przyczynić się do poprawy ich składu i zwiększenia szybkości reakcji.

Poniższa tabela pomaga zidentyfikować niektóre podobieństwa między obydwoma enzymami:

Tabela 1: Podobieństwa

	Mukonianowe enzymy laktonizujące	Racemasa Mandelatowa
Forma Oktamerów	Tak	Tak
Monomer ma 4 regiony struktur drugorzędowych: - 1) Beta-meander 2) Wiązka alfa-helisa 3) Ośmiożyłowa beczka alfa/beta 4) C-końcowa domena mieszana	Tak	Tak
Wymagaj dwuwartościowego jonu metalu w: 1)Witryna o wysokim powinowactwie 2) Witryna o niskim powinowactwie	Tak	Tak
Pozostałości	E250 (analogicznie do E222)	E222 (analogicznie do E250)
Rodzaj pozostałości	glutamina	glutamina
Rezyduje glutamina i jej łańcuchy boczne	Odchyla się od miejsca aktywnego	Odchyla się od miejsca aktywnego
Wspólne funkcje w aktywnym miejscu	Wymaga zasady katalitycznej K169 (homologicznej do K166) lub K273 (homologicznej do D270), aby wyodrębnić proton	Wymaga zasady katalitycznej K166 (homologicznej do K169) i D270 (homologicznej do K273), aby wyodrębnić proton
Zasady kataboliczne umieszczone na jednej z nici beta które tworzą lufę	Tak	Tak
Wymaga stabilizacji stanu przejściowego (drugi karboksylan tlenu)	Krótkie, silne wiązanie wodorowe (wiązanie wodorowe o niskiej barierowości) stabilizuje stan przejściowy z E327 (analogicznie do E317)	Krótkie, silne wiązanie wodorowe (wiązanie wodorowe o niskiej barierze) stabilizuje stan przejściowy z E317 (analogicznie do E327)

Chociaż podobieństwa są bardzo powszechne, różnica między tymi dwoma enzymami pozwala zrozumieć różnice w pakowaniu enzymu w postaci krystalicznej. Poniższa tabela pomaga zidentyfikować niektóre różnice między obydwoma enzymami:

Tabela 2: Różnice

	Mukonianowe enzymy laktonizujące	Racemasa Mandelatowa
Odchylenie wartości skutecznej	w pozycji 171 dopasowany węgiel alfa wynosi 2,0 Å	w pozycji 325 dopasowanych węgli α wynosi 1,7 Å
Rotacja oktamerów	różnią się tylko o 2% (136 Å vs. 139 Å)	powiązane przez współczynnik 3 (265 Å vs. 84 Å)
Postać krystaliczna w grupie przestrzennej	I4	I422
Kontakty między oktamerami w kryształach	bardzo słaby	bardzo silny
Liczba podjednostek w postaci krystalicznej	Dwa	Trzy

Linki zewnętrzne

• cis, cis-mukonian + laktonizujący + enzym w US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)