Luciferáza světlušek - Firefly luciferase

Luciferáza světlušek
Firefly Luciferase Crystal Structure.rsh.png
Struktura Photinus pyralis světluška luciferáza.
Identifikátory
OrganismusPhotinus pyralis
SymbolN / A
PDB1LCI
UniProtP08659
Luciferáza světlušek
Identifikátory
EC číslo1.13.12.7
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO

Luciferáza světlušek je vyzařující světlo enzym odpovědný za bioluminiscence z světlušky a klikněte na brouky. Enzym katalyzuje oxidace z luciferin světlušky vyžadující kyslík a ATP. Kvůli požadavku na ATP se luciferázy světlušek značně používají v biotechnologiích.

Mechanismus reakce

Chemická reakce katalyzovaná luciferázou světlušek probíhá ve dvou krocích:

Světlo je produkováno, protože reakce elektronicky vytváří oxyluciferin vzrušený stav. Reakce uvolňuje foton světla, když se oxyluciferin vrací zpět do základní stav.

Luciferyl adenylát se může dále účastnit vedlejší reakce s O2 tvořit peroxid vodíku a dehydroluciferyl-AMP. Asi 20% luciferyl adenylátového meziproduktu je oxidováno touto cestou.[1]

Luciferáza světlušky generuje světlo z luciferinu vícekrokovým procesem. Za prvé, D-luciferin je adenylovaný pomocí MgATP za vzniku luciferyl adenylátu a pyrofosfátu. Po aktivaci ATP se luciferyl adenylát oxiduje molekulárním kyslíkem za vzniku dioxetanonového kruhu. A dekarboxylace reakce tvoří vzrušený stav oxyluciferinu, který tautomerizuje mezi keto-enolovou formou. Reakce nakonec vysílá světlo, když se oxyluciferin vrací do základního stavu.[2]

Mechanismus pro luciferázu.[2]
Luciferáza má dva způsoby enzymové aktivity: bioluminiscenční aktivitu a aktivitu CoA syntetázy.[3]

Bifunkčnost

Luciferáza může fungovat ve dvou různých drahách: bioluminiscenční dráha a CoA -ligázová cesta.[4] V obou drahách luciferáza zpočátku katalyzuje adenylační reakci s MgATP. Avšak v dráze CoA-ligázy může CoA vytěsnit AMP za vzniku luciferyl CoA.

Mastná acyl-CoA syntetáza podobně se aktivuje mastné kyseliny s ATP, následovaný vytěsněním AMP s CoA. Díky svým podobným aktivitám je luciferáza schopna nahradit mastnou acyl-CoA syntetázu a převést mastné kyseliny s dlouhým řetězcem na mastnou-acyl CoA pro beta oxidace.[4]

Struktura

Proteinová struktura luciferázy světlušky se skládá ze dvou kompaktních domén: N-terminál doména a C-terminál doména. N-terminální doména se skládá ze dvou β-listy ve struktuře αβαβα a β barel. Dva β-listy se skládají na sebe a β-hlaveň zakrývala konec listů.[2]

C-terminální doména je připojena k N-terminální doméně pomocí flexibilního závěsu, který může oddělit dvě domény. The aminokyselinové sekvence na povrchu dvou domén směřujících proti sobě jsou konzervovaný v bakteriální a světluškové luciferáze, což silně naznačuje, že Aktivní stránky se nachází v rozštěpu mezi doménami.[5]

Během reakce má luciferáza a konformační změna a jde do „uzavřené“ formy, kdy se obě domény spojují a uzavírají substrát. Tím je zajištěno, že voda je z reakce vyloučena a nikoli hydrolyzovat ATP nebo elektronicky vzrušený produkt.[5]

Schéma sekundární struktury luciferázy světlušek. Šipky představují β-řetězce a kruhy představují α-šroubovice. Umístění všech subdomén v sekvenci luciferázy je uvedeno ve spodním diagramu.[5]

Spektrální rozdíly v bioluminiscenci

Barva bioluminiscence luciferázy světlušky se může pohybovat mezi žluto-zelenou (λmax = 550 nm) na červenou (λmax = 620).[6] V současné době existuje několik různých mechanismů popisujících, jak struktura luciferázy ovlivňuje emisní spektrum z foton a efektivně barvu vyzařovaného světla.

Jeden mechanismus navrhuje, aby barva vyzařovaného světla závisí na tom, zda je produkt v keto nebo enol formulář. Mechanismus naznačuje, že červené světlo je vyzařováno z ketoformy oxyluciferinu, zatímco zelené světlo je vyzařováno z enolové formy oxyluciferinu.[7][8] Nicméně, 5,5-dimethyloxyluciferin vydává zelené světlo, i když je omezeno na ketoformu, protože se nemůže tautomerizovat.[9]

Další mechanismus navrhuje, aby se úhel mezi nimi zkroutil benzothiazol a thiazol kruhy v oxyluciferinu určují barvu bioluminiscence. Toto vysvětlení navrhuje, že rovinný tvar s úhlem 0 ° mezi dvěma kroužky odpovídá vyššímu energetickému stavu a vyzařuje vyšší energetické zelené světlo, zatímco úhel 90 ° uvádí strukturu do nízkoenergetického stavu a vyzařuje nižší -energetické červené světlo.[10]

Nejnovější vysvětlení pro bioluminiscenční barvu zkoumá mikroprostředí vzrušeného oxyluciferinu. Studie naznačují, že interakce mezi produktem excitovaného stavu a blízkým zbytky může přinutit oxyluciferin do ještě vyšší energetické formy, což vede k emisi zeleného světla. Například, Arg 218 má elektrostatické interakce s dalšími blízkými zbytky, což omezuje oxyluciferin v tautomerizaci na enolovou formu.[11] Podobně další výsledky ukázaly, že mikroprostředí luciferázy může přinutit oxyluciferin do rigidnější vysokoenergetické struktury a přinutit jej emitovat vysokoenergetické zelené světlo.[12]

Nařízení

D-luciferin je substrátem pro bioluminiscenční reakci světlušky luciferázy, zatímco L-luciferin je substrátem pro aktivitu luciferyl-CoA syntetázy. Obě reakce jsou potlačeno enantiomerem substrátu: L-luciferin a D-luciferin inhibují bioluminiscenční dráhu a dráhu CoA-ligázy.[3] To ukazuje, že luciferáza může rozlišovat mezi izomery struktury luciferinu.

L-luciferin je schopen emitovat slabé světlo, i když je to kompetitivní inhibitor D-luciferinu a bioluminiscenční dráhy.[13] Vyzařuje se světlo, protože cestu syntézy CoA lze převést na bioluminiscenční reakci hydrolýzou konečného produktu pomocí esteráza zpět k D-luciferinu.[3]

Aktivita luciferázy je navíc inhibována oxyluciferinem[14] a alostericky aktivován podle ATP. Když se ATP váže na dvě alosterická místa enzymu, zvyšuje se afinita luciferázy k vázání ATP v jeho aktivním místě.[6]

Viz také

Reference

  1. ^ Fraga H, Fernandes D, Novotný J, Fontes R, Esteves da Silva JC (červen 2006). „Firefly luciferáza produkuje peroxid vodíku jako koprodukt při tvorbě dehydroluciferyl adenylátu“. ChemBioChem. 7 (6): 929–35. doi:10.1002 / cbic.200500443. PMID  16642538. S2CID  33899357.
  2. ^ A b C Baldwin TO (březen 1996). „Světluška luciferáza: struktura je známá, ale tajemství zůstává“. Struktura. 4 (3): 223–28. doi:10.1016 / S0969-2126 (96) 00026-3. PMID  8805542.
  3. ^ A b C Nakamura M, Maki S, Amano Y, Ohkita Y, Niwa K, Hirano T, Ohmiya Y, Niwa H (červen 2005). „Světluška luciferáza vykazuje bimodální účinek v závislosti na chiralitě luciferinu“. Komunikace pro biochemický a biofyzikální výzkum. 331 (2): 471–75. doi:10.1016 / j.bbrc.2005.03.202. PMID  15850783.
  4. ^ A b Oba Y, Ojika M, Inouye S (duben 2003). „Firefly luciferase je bifunkční enzym: monooxygenáza závislá na ATP a mastná acyl-CoA syntetáza s dlouhým řetězcem“. FEBS Dopisy. 540 (1–3): 251–54. doi:10.1016 / S0014-5793 (03) 00272-2. PMID  12681517. S2CID  12075190.
  5. ^ A b C Conti E, Franks NP, Brick P (březen 1996). „Krystalová struktura luciferázy světlušky vrhá světlo na nadrodinu enzymů tvořících adenylát“. Struktura. 4 (3): 287–98. doi:10.1016 / S0969-2126 (96) 00033-0. PMID  8805533.
  6. ^ A b Ugarova NN (červenec 1989). „Luciferáza světlušek Luciola mingrelica. Kinetika a regulační mechanismus“. Journal of Bioluminiscence and Chemiluminescence. 4 (1): 406–18. doi:10.1002 / bio.1170040155. PMID  2801227.
  7. ^ White EH, Rapaport E, Hopkins TA, Seliger HH (duben 1969). „Chemi- a bioluminiscence luciferinu světlušky“. Journal of the American Chemical Society. 91 (8): 2178–80. doi:10.1021 / ja01036a093. PMID  5784183.
  8. ^ Fraga H (únor 2008). "Světluška luminiscence: historická perspektiva a nejnovější vývoj". Fotochemické a fotobiologické vědy. 7 (2): 146–58. doi:10.1039 / b719181b. PMID  18264582.
  9. ^ Branchini BR, Southworth TL, Murtiashaw MH, Magyar RA, Gonzalez SA, Ruggiero MC, Stroh JG (červen 2004). "Alternativní mechanismus stanovení barvy bioluminiscence u luciferázy světlušek". Biochemie. 43 (23): 7255–62. doi:10.1021 / bi036175d. PMID  15182171.
  10. ^ McCapra F, Gilfoyle DJ, Young DW a kol. (1994). Bioluminiscence a chemiluminiscence: Základy a aplikováno.
  11. ^ Nakatani N, Hasegawa JY, Nakatsuji H (červenec 2007). „Červené světlo v chemiluminiscenci a žlutozelené světlo v bioluminiscenci: mechanismus ladění barev světlušky Photinus pyralis, studovaný metodou interakce shlukové konfigurace přizpůsobenou symetrii“. Journal of the American Chemical Society. 129 (28): 8756–65. doi:10.1021 / ja0611691. PMID  17585760.
  12. ^ Nakamura M, Niwa K, Maki S a kol. (Prosinec 2006). „Konstrukce nového systému bioluminiscence světlušek používající jako substrát L-luciferin“. Anální. Biochem. 47 (1): 1197–1200. doi:10.1016 / j.tetlet.2005.12.033.
  13. ^ Lembert N (červenec 1996). „Světluška luciferáza může k produkci světla použít L-luciferin“. The Biochemical Journal. 317 (Pt 1) (1): 273–77. doi:10.1042 / bj3170273. PMC  1217473. PMID  8694774.
  14. ^ Ribeiro C, Esteves da Silva JC (září 2008). „Kinetika inhibice luciferázy světlušek oxyluciferinem a dehydroluciferyl-adenylátem“. Fotochemické a fotobiologické vědy. 7 (9): 1085–90. doi:10.1039 / b809935a. PMID  18754056.