Maleát izomeráza - Maleate isomerase

Maleát izomeráza
Maleate Isomerase.png
Maleátová izomeráza z Pseudomonas putida
Identifikátory
EC číslo5.2.1.1
Číslo CAS9023-74-9
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO

v enzymologie, a maleát izomeráza (ES 5.2.1.1 ), nebo maleát cis-tran izomerázy, je členem Asp / Glu racemase nadčeleď objevená v bakteriích. Je zodpovědný za katalýzu cis-trans izomerizace dvojné vazby C2-C3 v maleát k výrobě fumarát,[1] což je kritický meziprodukt v cyklus kyseliny citronové.[2] Přítomnost exogenního merkaptan je nutné, aby došlo ke katalýze.[3]

Ilustrace celkové izomerace katalyzované maleátovou izomerázou

Účastní se maleátová izomeráza metabolismus butanoátu a metabolismus nikotinátu a nikotinamidu.[4] Je to základní enzym pro poslední krok metabolické degradační cesty kyselina nikotinová. V poslední době byla maleátová izomeráza průmyslovým cílem degradace tabákového odpadu.[5][6] Rovněž je věnována pozornost jeho zapojení do kyselina asparagová a kyselina maleinová Výroba.[7][8][9]

Maleátová izomeráza byla využívána mnoha druhy bakterií, včetně Pseudomonas fluorescens,[3] Alcaligenes faecalis,[10] Bacillus stearothermophilus,[11] Serratia marcescens[8], Pseudomonas putida[12] a Nocardia farcinica.[1][5] Enzym má molekulovou hmotnost 74 000 a číslo obratu 1 800 molů na mol proteinu za minutu.[3]

Struktura

Analogicky k ostatním členům Asp / Glu racemázy je maleátová izomeráza tvořena dvěma identickými protomery s plochým dimerizačním povrchem.[13][14] Každý protomer maleátové izomerázy má dvě domény spojené pseudo-dvojitou symetrií, přičemž každá doména přispívá jedním katalytickým cysteinem, který je zásadní pro aktivitu izomerázy v aktivním místě.[5] Experiment ukazuje, že substituce buď cysteinu serinem významně snižuje rychlost reakce enzymu.[1]

Kromě katalytických cysteinů je pro rozpoznání substrátu důležitých několik dalších zbytků v aktivním místě a pomáhá stabilizovat reakční meziprodukty.[5][1] Například maleátová izomeráza z Pseudomonas putida S16 používá Asn17 a Asn169 tvoří vodíkové vazby s karboxylátovou skupinou maleátu distálně od Cys82.[5] Tyr139 vodíkové vazby s karboxylátovou skupinou maleátu proximálně k Cys82.[5] Pro14 a Val84 vytvářejí van der Waalsovy interakce s uhlíkovými atomy C2 a C3 maleátu.[5]

Mechanismus

Mechanismus maleátové izomerázy je považován za podobný ostatním členům Asp / Glu racemázy, i když nebyl zcela objasněn. Jeden navrhovaný reakční mechanismus Nocardia farcinia maleát izomeráza je následující.[1][9] V aktivním místě maleátové izomerázy je Cys76 nejprve deprotonován, aby snadněji působil jako nukleofil.[1] Atom síry deprotonovaného Cys76 potom nese přímý nukleofilní útok na atom C2 maleátu a kovalentně se váže na atom C2.[9][1] Současně je thiolový proton Cys194 přenesen na atom C3 maleátu za vzniku sukcinyl-cysteinového meziproduktu.[9][1] Nově vytvořená jednoduchá vazba C2 – C3 se poté otáčí, přičemž vazba Cys76S – C2 se disociuje a atom C3 maleinátu se deprotonuje Cys194, čímž se vytvoří fumarát s regenerací neutrálního Cys194.[9][1] U určitého typu bakterií se zdá, že maleát je zcela pohřben v dutině maleátové izomerázy a nelze jej vidět na povrchu enzymu.[5]

Jeden navrhovaný reakční mechanismus maleátové izomerázy (C1, C2, C3, C4 jsou čtyři atomy uhlíku v maleátu shora dolů)

Průmyslová relevance

Maleát izomeráza může být použita k výrobě kyseliny fumarové, důležitého stavebního materiálu pro polymerizace a esterifikace reakce z izomerace kyseliny maleinové.[7] Kyselina maleinová se vyrábí z anhydrid kyseliny maleinové.[7]

Kyselinu maleinovou lze také převést na kyselinu fumarovou tepelnou nebo katalytickou cis–trans izomerizace.[15][16] K těmto metodám přeměny však dochází při vysokých teplotách, které způsobují tvorbu vedlejších produktů z kyseliny maleinové a fumarové, v důsledku čehož jsou výtěžky pod rovnovážnými výtěžky.[17] Tento problém byl hlavní motivací pro alternativní enzymatickou strategii s maleátovou izomerázou, která by usnadnila izomeraci bez vedlejších produktů.[7]

Je známo, že i při mírných teplotách je přírodní maleát isomeráza nestabilní.[18] Z tohoto důvodu jsou tepelně stabilní maleátové isomerázy konstruovány a aplikovány.[7] Například termostabilní maleátové isomerázy odvozené od Bacillus stearothermophilus, Bacillus brevis, a Bacillus sporothermodurans byly použity ke zlepšení procesu.[7][17] Ve studii s použitím Pseudomonas alcaligenes XD-1, rychlost konverze z kyseliny maleinové na kyselinu fumarovou lze dosáhnout až 95%.[19][20][7]

Reference

  1. ^ A b C d E F G h i Fisch F, Fleites CM, Delenne M, Baudendistel N, Hauer B, Turkenburg JP, Hart S, Bruce NC, Grogan G (srpen 2010). „Kovalentní meziprodukt podobný sukcinylcysteinu v enzymem katalyzované transformaci maleátu na fumarát maleátovou isomerázou“. Journal of the American Chemical Society. 132 (33): 11455–7. doi:10.1021 / ja1053576. PMID  20677745.
  2. ^ Tanaka K, Kobayashi K, Ogasawara N (září 2003). „Dvousložkový systém YufLM Bacillus subtilis reguluje expresi malátových transportérů MaeN (YufR) a YflS a je nezbytný pro využití malátu v minimálním médiu.“ Mikrobiologie. 149 (Pt 9): 2317–29. doi:10.1099 / mic.0.26257-0. PMID  12949159.
  3. ^ A b C Scher W, Jakoby WB (duben 1969). "Maleate isomerase". The Journal of Biological Chemistry. 244 (7): 1878–82. PMID  5780844.
  4. ^ Behrman EJ, Stanier RY (říjen 1957). "Bakteriální oxidace kyseliny nikotinové". The Journal of Biological Chemistry. 228 (2): 923–45. PMID  13475371.
  5. ^ A b C d E F G h Chen D, Tang H, Lv Y, Zhang Z, Shen K, Lin K, Zhao YL, Wu G, Xu P (březen 2013). „Strukturální a výpočetní studie maleátové izomerázy z Pseudomonas putida S16 odhalily dechový pohyb obalující substrát uvnitř“. Molekulární mikrobiologie. 87 (6): 1237–44. doi:10,1111 / mmi.12163. PMID  23347155.
  6. ^ Tang H, Yao Y, Wang L, Yu H, Ren Y, Wu G, Xu P (2012). „Genomická analýza Pseudomonas putida: geny na genomovém ostrově jsou klíčové pro degradaci nikotinu“. Vědecké zprávy. 2: 377. doi:10.1038 / srep00377. PMC  3332521. PMID  22530095.
  7. ^ A b C d E F G Roa Engel CA, Straathof AJ, Zijlmans TW, van Gulik WM, van der Wielen LA (březen 2008). „Produkce kyseliny fumarové fermentací“. Aplikovaná mikrobiologie a biotechnologie. 78 (3): 379–89. doi:10.1007 / s00253-007-1341-x. PMC  2243254. PMID  18214471.
  8. ^ A b Hatakeyama K, Goto M, Kobayashi M, Terasawa M, Yukawa H (červenec 2000). „Analýza oxidační citlivosti maleátové cis-trans izomerázy ze Serratia marcescens“. Bioscience, biotechnologie a biochemie. 64 (7): 1477–85. doi:10,1271 / bbb.64.1477. PMID  10945267.
  9. ^ A b C d E Dokainish HM, Ion BF, Gauld JW (červen 2014). "Výpočtové výzkumy na katalytickém mechanismu maleátové isomerázy: role aktivních cysteinových zbytků". Fyzikální chemie Chemická fyzika. 16 (24): 12462–74. doi:10.1039 / c4cp01342e. PMID  24827730.
  10. ^ Hatakeyama K, Asai Y, Uchida Y, Kobayashi M, Terasawa M, Yukawa H (říjen 1997). "Genové klonování a charakterizace maleátové cis-trans izomerázy z Alcaligenes faecalis". Sdělení o biochemickém a biofyzikálním výzkumu. 239 (1): 74–9. doi:10.1006 / bbrc.1997.7430. PMID  9345272.
  11. ^ Hatakeyama K, Goto M, Uchida Y, Kobayashi M, Terasawa M, Yukawa H (březen 2000). "Molekulární analýza maleátové cis-trans izomerázy z termofilních bakterií". Bioscience, biotechnologie a biochemie. 64 (3): 569–76. doi:10,1271 / bbb.64,569. PMID  10803955.
  12. ^ Jiménez JI, Canales A, Jiménez-Barbero J, Ginalski K, Rychlewski L, García JL, Díaz E (srpen 2008). „Dešifrování genetických determinantů pro aerobní degradaci kyseliny nikotinové: shluk nic z Pseudomonas putida KT2440“. Sborník Národní akademie věd Spojených států amerických. 105 (32): 11329–34. doi:10.1073 / pnas.0802273105. PMC  2516282. PMID  18678916.
  13. ^ Ruzheinikov SN, Taal MA, Sedelnikova SE, Baker PJ, Rice DW (listopad 2005). „Substrátem indukované konformační změny v glutamátové racemáze Bacillus subtilis a jejich důsledky pro objev léků“. Struktura. 13 (11): 1707–13. doi:10.1016 / j.str.2005.07.024. PMID  16271894.
  14. ^ Ohtaki A, Nakano Y, Iizuka R, Arakawa T, Yamada K, Odaka M, Yohda M (březen 2008). "Struktura aspartát racemázy v komplexu s duálním substrátovým analogem, kyselinou citronovou a důsledky pro mechanismus reakce". Proteiny. 70 (4): 1167–74. doi:10,1002 / prot. 21528. PMID  17847084.
  15. ^ Lohbeck K, Haferkorn H, Fuhrmann W, Fedtke N (2000). Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. doi:10.1002 / 14356007.a16_053. ISBN  978-3-527-30673-2.
  16. ^ Otsuka K (leden 1961). „Izomerizace cis-trans izomerázy z kyseliny maleinové na kyselinu fumarovou“. Zemědělská a biologická chemie. 25 (9): 726–730. doi:10,1271 / bbb1961.25.726.
  17. ^ A b Goto M, Nara T, Tokumaru I, Fugono N, Uchida Y, Terasawa M (únor 1997). „Způsob výroby kyseliny fumarové“. Citovat deník vyžaduje | deník = (Pomoc)
  18. ^ Takamura Y, Takamura T, Soejima M, Uemura T (leden 1969). "Studie na indukovanou syntézu maleátové cis-trans izomerázy malonátem: Část III. Čištění a vlastnosti maleátové cis-trans izomerázy indukované malonátem". Časopis Agricultural and Biological Chemistry. 33 (5): 718–728. doi:10.1080/00021369.1969.10859369.
  19. ^ Nakajima-Kambe, Toshiaki; Nozue, Takehiro; Mukouyama, Masaharu; Nakahara, Tadaatsu (leden 1997). „Biokonverze kyseliny maleinové na kyselinu fumarovou kmenem Pseudomonas alcaligenes XD-1“. Journal of Fermentation and Bioengineering. 84 (2): 165–168. doi:10.1016 / S0922-338X (97) 82549-4.
  20. ^ Ichikawa, Sosaku; Iino, Tomoko; Sato, Seigo; Nakahara, Tadaatsu; Mukataka, Sukekuni (leden 2003). "Zlepšení rychlosti produkce a výtěžku kyseliny fumarové z kyseliny maleinové tepelným zpracováním kmene XD-1 Pseudomonas alcaligenes." Biochemical Engineering Journal. 13 (1): 7–13. doi:10.1016 / S1369-703X (02) 00080-3.