Deoxyribóza-fosfát aldoláza - Deoxyribose-phosphate aldolase

deoxyribóza-fosfát aldoláza
Identifikátory
EC číslo4.1.2.4
Číslo CAS9026-97-5
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO

v enzymologie, a deoxyribóza-fosfát aldoláza (ES 4.1.2.4 ) je enzym že katalyzuje reverzibilní chemická reakce

2-deoxy-D-ribóza-5-fosfát D-glyceraldehyd 3-fosfát + acetaldehyd

Tento enzym tedy jeden má Podklad, 2-deoxy-D-ribóza-5-fosfát a dva produkty, D-glyceraldehyd-3-fosfát a acetaldehyd.

Tento enzym patří do rodiny lyázy, konkrétně aldehyd-lyázy, které štěpí vazby uhlík-uhlík. The systematické jméno této třídy enzymů je 2-deoxy-D-ribóza-5-fosfát-acetaldehyd-lyáza (tvořící D-glyceraldehyd-3-fosfát). Mezi další běžně používaná jména patří fosfodeoxyriboaldoláza, deoxyriboaldolasa, deoxyribóza-5-fosfát aldoláza, 2-deoxyribóza-5-fosfát aldoláza, a 2-deoxy-D-ribóza-5-fosfát-acetaldehyd-lyáza.

Enzymový mechanismus

Mechanismus DERA katalýzy. Nejprve je ukázán substrát, následovaný stabilizací interakcí v aktivním místě. Nakonec jsou ukázány klíčové zbytky lysinu a meziprodukt karbinolaminu. Na základě PDB 1JCL

Mezi aldolázami je DERA jedinečná, protože je jediným enzymem, který si jako produkty poskytuje dva aldehydy.[1] Krystalografie ukazuje, že enzym je aldoláza třídy I, takže mechanismus probíhá tvorbou a Schiffova základna s Lys167 na aktivním místě. Blízký zbytek, Lys201, je kritický pro reakci zvýšením kyselosti protonovaného Lys167, takže tvorba Schiffovy báze může nastat snadněji.[2]

Protože rovnováha reakce, jak je napsáno, leží na straně reaktantu, lze DERA také použít ke katalyzování zpětné aldolové reakce. Bylo zjištěno, že enzym vykazuje určitou promiskuitu přijetím různých karbonylových sloučenin jako substrátů: acetaldehyd může být nahrazen jinými malými aldehydy nebo acetonem; a místo D-glyceraldehydu 3-fosfátu lze použít různé aldehydy. Avšak vzhledem k prostorovému uspořádání stabilizujících interakcí elektrofilního aldehydu v aktivním místě je aldolová reakce stereospecifické a dává (S)-konfigurace na reaktivním uhlíku. Molekulární modelování aktivního místa ukázalo hydrofilní kapsu vytvořenou Thr170 a Lys172 stabilizovat C2-hydroxyskupinu D-glyceraldehyd-3-fosfátu, zatímco atom C2-vodík je stabilizován v hydrofobní kapse. Když se jako substrát použije racemická směs glyceraldehyd-3-fosfátu, reagoval pouze D-izomer.[3]

Struktura enzymu

Monomer DERA obsahuje a Skládka hlavně TIM α / β, v souladu s jinými aldolázami I. třídy.[2] Struktura DERA napříč mnoha organismy: DERA od Escherichia coli a Aeropyrum pernix sdílí 37,7% sekvenční identitu s DERA od Thermus thermophilus HB8.[4] Mechanismus reakce je také zachován mezi DERA.

V řešení se DERA nacházejí v homodimerech nebo homotetramerech. Oligomerní povaha enzymu nepřispívá k enzymatické aktivitě, ale slouží ke zvýšení tepelné stability prostřednictvím hydrofobních interakcí a vodíkových vazeb mezi zbytky povrchové vrstvy.[5]

Ke konci roku 2007, 10 struktur byly pro tuto třídu enzymů vyřešeny pomocí PDB přístupové kódy 1JCJ, 1JCL, 1KTN, 1MZH, 1N7K, 1O0Y, 1P1X, 1UB3, 1VCV, a 2A4A.

Biologická funkce

DERA je součástí indukovatelné deo operon v bakteriích, který umožňuje přeměnu exogenních deoxyribonukleosidů na výrobu energie.[6] Produkty DERA, glyceraldehyd-3-fosfátu a acetaldehydu (následně převedené na acetyl CoA) mohou vstoupit do glykolýzy a Krebova cyklu.

U lidí je DERA exprimován hlavně v plicích, játrech a tlustém střevě a je nezbytný pro buněčná stresová reakce. Po indukci oxidačního stresu nebo mitochondriálního stresu se DERA kolokalizuje s stresové granule a přidružuje se k YBX1 známý protein stresových granulí. Buňky s vysokou expresí DERA byly schopny využít exogenní deoxyinosin k produkci ATP, když byly zbaveny glukózy a inkubovány s mitochondriálními buňkami odpojovač FCCP.[7]

Průmyslová relevance

DERA používaný při biokatalýze islatraviru. Dluhopisy tvořené DERA jsou zvýrazněny červeně.

DERA se používá v chemických syntézách jako nástroj pro zelené enantioselektivní aldolové reakce. Tvorba kostry deoxyribózy z malých molekul může usnadnit syntézu nukleosidové inhibitory reverzní transkriptázy.[8] Například DERA byla použita ve směsi pěti enzymů při biokatalytické syntéze islatravir.[9]

DERA používaný při biokatalýze atorvastatinu. Je indikována část atorvastatinu, která byla odvozena z DERA katalyzované reakce.

DERA se také používá k provádění tandemových aldolových reakcí se třemi aldehydovými substráty, přičemž reakční rovnováha je způsobena tvorbou šestičlenného cyklického hemiacetalu.[10] Tento meziprodukt se používá při syntéze statinových léků, jako je např atorvastatin,[11] rosuvastatin a mevastatin.[12]

Přírodní DERA vykazují nízkou toleranci k vysokým koncentracím acetaldehydu[13] kvůli tvorbě vysoce reaktivních krotonaldehyd meziprodukt, který nevratně inaktivuje enzym.[14] Tato vlastnost brání průmyslovým aplikacím DERA, protože koncentrace použitého acetaldehydu bude omezená. Chcete-li to překonat, řízená evoluce byl použit ke zlepšení tolerance acetaldehydu k DERA až na 400 mM.[9]

Reference

  1. ^ Chambre, Domitille; Guérard-Hélaine, Christine; Darii, Ekaterina; Mariage, Aline; Petit, Jean-Louis; Salanoubat, Marcel; de Berardinis, Véronique; Lemaire, Marielle; Hélaine, Virgil (2019). „2-Deoxyribóza-5-fosfát aldoláza, pozoruhodně tolerantní aldoláza vůči nukleofilním substrátům“. Chemická komunikace. 55 (52): 7498–7501. doi:10.1039 / c9cc03361k. PMID  31187106.
  2. ^ A b Heine, Andreas; Luz, John G .; Wong, Chi-Huey; Wilson, Ian A. (říjen 2004). „Analýza architektury vazebného místa pro aldolázu třídy I na základě krystalové struktury 2-deoxyribóza-5-fosfát-aldolázy v rozlišení 0,99 Á“. Journal of Molecular Biology. 343 (4): 1019–1034. doi:10.1016 / j.jmb.2004.08.066. PMID  15476818.
  3. ^ Liu, Junjie; Wong, Chi-Huey (15. dubna 2002). „Aldolázou katalyzovaná asymetrická syntéza nových pyranózových synthonů jako nový vstup do heterocyklů a epothilonů“. Angewandte Chemie International Edition. 41 (8): 1404–1407. doi:10.1002 / 1521-3773 (20020415) 41: 8 <1404 :: AID-ANIE1404> 3.0.CO; 2-G. PMID  19750780.
  4. ^ Lokanath, N. K.; Shiromizu, I .; Ohshima, N .; Nodake, Y .; Sugahara, M .; Yokoyama, S .; Kuramitsu, S .; Miyano, M .; Kunishima, N. (1. října 2004). "Struktura aldolázy z Thermus thermophilus HB8 ukazující příspěvek oligomerního stavu k termostabilitě". Acta Crystallographica oddíl D: Biologická krystalografie. 60 (10): 1816–1823. doi:10.1107 / S0907444904020190. ISSN  0907-4449. PMID  15388928.
  5. ^ Dick, Markus; Weiergräber, Oliver H .; Classen, Thomas; Bisterfeld, Carolin; Bramski, Julia; Gohlke, Holger; Pietruszka, Jörg (19. ledna 2016). „Výměna stability proti aktivitě v extremofilních aldolázách“. Vědecké zprávy. 6 (1): 17908. Bibcode:2016NatSR ... 617908D. doi:10.1038 / srep17908. PMC  4725968. PMID  26783049.
  6. ^ Lomax, MS; Greenberg, GR (srpen 1968). „Charakteristika deo operonu: role při využití thyminu a citlivost na deoxyribonukleosidy“. Journal of Bacteriology. 96 (2): 501–14. doi:10.1128 / JB.96.2.501-514.1968. PMC  252324. PMID  4877128.
  7. ^ Salleron, Lisa; Magistrelli, Giovanni; Mary, Camille; Fischer, Nicolas; Bairoch, Amos; Lane, Lydie (prosinec 2014). „DERA je lidská deoxyribóza fosfát aldoláza a podílí se na stresové reakci“. Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - výzkum molekulárních buněk. 1843 (12): 2913–2925. doi:10.1016 / j.bbamcr.2014.09.007. PMID  25229427.
  8. ^ HORINOUCHI, Nobuyuki; OGAWA, červen; KAWANO, Takako; SAKAI, Takafumi; SAITO, Kyota; MATSUMOTO, Seiichiro; SASAKI, Mie; MIKAMI, Yoichi; SHIMIZU, Sakayu (22. května 2014). „Efektivní výroba 2-deoxyribóza-5-fosfátu z glukózy a acetaldehydu spojením alkoholového fermentačního systému pekárenských kvasnic a deoxyriboaldolasy exprimující“. Bioscience, biotechnologie a biochemie. 70 (6): 1371–1378. doi:10,1271 / bbb.50648. PMID  16794316. S2CID  22227871.
  9. ^ A b Huffman, Mark A .; Fryszkowska, Anna; Alvizo, Oscar; Borra-Garske, Margie; Campos, Kevin R .; Kanada, Keith A .; Devine, Paul N .; Duan, Da; Forstater, Jacob H .; Grosser, Shane T .; Halsey, Holst M .; Hughes, Gregory J .; Jo, Junyong; Joyce, Leo A .; Kolev, Joshua N .; Liang, Jack; Maloney, Kevin M .; Mann, Benjamin F .; Marshall, Nicholas M .; McLaughlin, Mark; Moore, Jeffrey C .; Murphy, Grant S .; Nawrat, Christopher C .; Nazor, Jovana; Novick, Scott; Patel, Niki R .; Rodriguez-Granillo, Agustina; Robaire, Sandra A .; Sherer, Edward C .; Truppo, Matthew D .; Whittaker, Aaron M .; Verma, Deeptak; Xiao, Li; Xu, Yingju; Yang, Hao (5. prosince 2019). "Návrh biokatalytické kaskády in vitro pro výrobu islatraviru". Věda. 366 (6470): 1255–1259. Bibcode:2019Sci ... 366.1255H. doi:10.1126 / science.aay8484. PMID  31806816. S2CID  208738388.
  10. ^ GIJSEN, H. J. M .; WONG, C.-H. (18. srpna 2010). „ChemInform Abstract: bezprecedentní asymetrické Aldolové reakce se třemi aldehydovými substráty katalyzovanými 2-deoxyribóza-5-fosfát Aldolázou“. ChemInform. 26 (15): no. doi:10.1002 / brada.199515259. ISSN  0931-7597.
  11. ^ Jennewein, Stefan; Schürmann, Martin; Wolberg, Michael; Hilker, Iris; Luiten, Ruud; Wubbolts, Marcel; Mink, Daniel (květen 2006). „Cílený vývoj průmyslového biokatalyzátoru: 2-deoxy-D-ribóza 5-fosfát aldoláza“. Biotechnology Journal. 1 (5): 537–548. doi:10.1002 / biot.200600020. PMID  16892289.
  12. ^ Patel, Ramesh N. (duben 2018). "Biokatalýza pro syntézu léčiv". Bioorganická a léčivá chemie. 26 (7): 1252–1274. doi:10.1016 / j.bmc.2017.05.023. PMID  28648492.
  13. ^ Haridas, Meera; Abdelraheem, Eman M. M .; Hanefeld, Ulf (3. října 2018). „2-Deoxy-d-ribóza-5-fosfát aldoláza (DERA): aplikace a úpravy“. Aplikovaná mikrobiologie a biotechnologie. 102 (23): 9959–9971. doi:10.1007 / s00253-018-9392-8. PMC  6244999. PMID  30284013.
  14. ^ Dick, Markus; Hartmann, Rudolf; Weiergräber, Oliver H .; Bisterfeld, Carolin; Classen, Thomas; Schwarten, Melanie; Neudecker, Philipp; Willbold, Dieter; Pietruszka, Jörg (2016). „Inhibice aldolázy založená na mechanismu při vysokých koncentracích jejího přirozeného substrátu acetaldehydu: strukturální pohledy a ochranné strategie“. Chemická věda. 7 (7): 4492–4502. doi:10.1039 / c5sc04574f. PMC  6016325. PMID  30155096.
  • Hoffee PA (1968). „2-deoxyribóza-5-fosfát aldoláza Salmonella typhimurium: čištění a vlastnosti“. Oblouk. Biochem. Biophys. 126 (3): 795–802. doi:10.1016/0003-9861(68)90473-6. PMID  4879701.
  • Jedziniak JA, Lionetti FJ (1970). "Čištění a vlastnosti deoxyriboaldolázy z lidských erytrocytů". Biochim. Biophys. Acta. 212 (3): 478–87. doi:10.1016/0005-2744(70)90254-8. PMID  4989681.
  • Racker E (1952). "Enzymatická syntéza a rozklad desoxyribóza fosfátu". J. Biol. Chem. 196 (1): 347–65. PMID  12980976.
  • Hoffee P, Rosen OM, Horecker BL (1965). "Mechanismus účinku aldoláz. VI. Krystalizace deoxyribóza 5-fosfát aldolázy a počet aktivních míst". J. Biol. Chem. 240: 1512–1516. PMID  14285485.