Methylglyoxal syntáza - Methylglyoxal synthase

methylglyoxal syntáza
Identifikátory
EC číslo4.2.3.3
Číslo CAS37279-01-9
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO

v enzymologie, a methylglyoxal syntáza (ES 4.2.3.3 ) je enzym že katalyzuje the chemická reakce

dihydroxyaceton fosfát methylglyoxal + fosfát

Tento enzym tedy jeden má Podklad, DHAP a dva produkty, methylglyoxal a fosfát. Pokusy pozorovat reverzibilita této reakce byly neúspěšné.[1]

Tento enzym patří do rodiny lyázy konkrétně ty lyázy uhlík-kyslík působící na fosfáty. The systematické jméno této třídy enzymů je glyceron-fosfát fosfát-lyáza (tvořící methylglyoxal). Mezi další běžně používaná jména patří methylglyoxal syntetáza, a glyceron-fosfát fosfolyáza. Tento enzym se účastní metabolismus pyruvátu a je konstitutivně vyjádřen.[1]

Strukturální studie

Krystalová struktura (PDB ID: 1EGH) homohexameru methylglyoxal syntázy se zvýrazněnými zbytky jednoho aktivního místa. Ve třech hlavních drážkách existují tři aktivní místa. Obrázek vygenerovaný pomocí PyMOL.
Zbytky aktivního místa methylglyoxal syntázy (Lys23, Thr45, Thr48, Gly66, His19, His98, Asp71). Obrázek generovaný z krystalové struktury (PDB ID: 1EGH) pomocí PyMOL.

Ke konci roku 2007, 7 struktur byly pro tuto třídu enzymů vyřešeny pomocí PDB přístupové kódy 1B93, 1 EH, 1IK4, 1S89, 1S8A, 1VMD, a 1WO8.

Methylglyoxal syntáza (MGS) je 152-aminokyselinový homohexamer, který má a molekulární váha přibližně 67 000 kD.[2][3][4] Celkem solventní - přístupná plocha homohexameru MGS je 18 510 čtverečních Angstromů, zhruba 40% z celkové možné povrchové plochy, pokud podjednotky byly odděleny.[3] Každý monomer skládá se z pěti alfa helixy kolem pěti beta listy. Z toho dva antiparalelní Beta listy a jedna alfa šroubovice jsou umístěny v subdoméně, kde N-konec a C-konec jsou v těsném sousedství.[3] Homohexamer vykazuje trojnásobnou osu kolmou na dvojitou osu. V široké V-drážce je jich dvanáct Vodíkové vazby a šest solné mosty mezi monomery v přítomnosti vazby fosfátů. Při absenci vazby fosfátů drží monomery pohromadě deset vodíkových vazeb a dva solné můstky. Na vrcholovém rozhraní monomery spojuje deset vodíkových vazeb a žádné solné můstky bez ohledu na vazbu fosfátů.[3]

Homohexamer MGS je mírně asymetrický. Všechny tři monomery v asymetrické oblasti obsahují a mravenčan molekuly v rámci jejich příslušných aktivních míst. Pouze jeden z monomerů v asymetrické oblasti je navíc vázán na fosfát.[3]

Aktivní stránka obsahuje mnoho konzervovaný zbytky pro funkci (Asp, His, Thr) a strukturu (Gly, Pro). Anorganický fosfát interaguje s Lys23, Thr45, Thr47, Thr48 a Gly66. Formát interaguje s His19, His98 a Asp71. Aktivní místo je vystaveno rozpouštědlu přes kolmý kanál, který se skládá z Arg150, Tyr146, Asp20, Pro67, His98 a His19.[3]

Ačkoli mechanicky podobné triosefosfát izomeráza (TIM), MGS obsahuje široce odlišné skládání proteinů, které brání strukturálnímu vyrovnání s TIM, což naznačuje konvergentní evoluce jejich chemických reakcí. Asp71 v MGS však může působit podobně jako Glu165, katalytická báze v TIM. Kromě toho mohou His19 a His98 hrát roli elektrofilního katalyzátoru podobného His95 v TIM. CheB methylesteráza má nejvyšší strukturální podobnost s MGS.[3]

Mechanismus

Methylglyoxal syntáza je vysoce specifická pro DHAP s Km 0,47 mM při optimální hodnotě pH ze dne 7.5.[2][5] Na rozdíl od raných zpráv purifikovaný enzym nereaguje s jinými glykolytickými metabolity, jako je např glyceraldehyd-3-fosfát nebo fruktóza 1,6-difosfát.[2][6] Mechanismus MGS je podobný mechanismu TIM; oba enzymy reagují s dihydroxyacetonfosfátem za vzniku ene-diol fosfátový meziprodukt jako první krok jejich reakčních cest.[3] Druhý krok však zahrnuje odstranění fosfátu za vzniku methylglyoxalu místo reprotonace za vzniku glyceraldehyde-3-fosfátu.[3] Celková reakce je charakterizována jako intramolekulární oxidace-redukce následovaná defosforylací. C-3 DHAP se oxiduje na aldehyd, zatímco C-1, který nese fosfátový ester, je defosforylován a redukován na a methylová skupina.[7] MGS nevyžaduje použití kovových iontů nebo a Schiffova základna jako součást katalýzy.[8]

Mechanismus šíření methylglyoxal syntázy.[9]

Enzym nejprve používá Asp71 ke specifické abstrakci pro-S vodíku z C-3 DHAP za vzniku ene-diol (ate) -enzymového meziproduktu, na rozdíl od abstrakce C-3 pro-R vodíku v TIM pomocí Glu165.[4][8][10] Druhá báze deprotonuje hydroxylová skupina, což vede ke zhroucení en-diolu (ate) za vzniku 2-hydroxy 2-propenal enolového meziproduktu spolu s disociací anorganického fosfátu (–OPO3) prostřednictvím štěpení vazby C-O spíše než vazby O-P.[4][6][7] Tato deprotonace je katalyzována buď Asp71 nebo Asp101.[4][10] Protonace methylenová skupina enolátu nenístereospecifické.[3][8] Reakční produkty se uvolňují postupně s methylglyoxalem, který se ponechá před anorganickým fosfátem.[7] MGS odpovídá za racemická směs z laktát v buňkách; produkce methylglyoxalu a jeho dalšího metabolismu poskytuje L - (+) - laktát a D - (-) - laktát, zatímco delece genu MGS vede k pozorování opticky čistého D - (-) - laktátu.[11]

Nařízení

Vazba fosfátu na enzym zvyšuje jeho spolupráce prostřednictvím strukturálních změn, které otevírají tři vazebná místa DHAP.[2] Při vyšších koncentracích však fosfát působí jako a konkurenční alosterický inhibitor k vypnutí enzymatické aktivity, což naznačuje, že dochází k odklonu k produkci methylglyoxalu za podmínek hladovění fosfátů.[2][3][12] Předpokládá se, že tato inhibice je způsobena vázaným fosfátem a formátem napodobujícím meziprodukty reakce (enolát a anorganický fosfát).[3] Kromě toho vazba fosfátů způsobuje rotaci threoninových zbytků, které uzavírají aktivní místo.[3]

Ser55 v aktivním místě MGS je odpovědný za rozlišení vazby anorganického fosfátu z fosfátové skupiny substrátu (DHAP) vodíkovou vazbou a podrobením konformační změna umístění.[12] Je stanoveno, že propustnost alosterického signálu prochází Arg97 a Val101, protože žádný z nich není umístěn v aktivním místě, přesto mutace na těchto zbytcích negují jakýkoli inhibiční účinek vazby fosfátů. Pro82 je nezbytný k přenosu signálu z jedné podjednotky do Ar97 a Val101 jiné podjednotky.[12] Indukce tvorby solného můstku mezi Asp10 a Arg140 je další cestou přenosu mezi podjednotkami pro organismy, které si zachovávají posledních 10 aminokyselin monomerního peptidu.[13] Konečným akceptorem tohoto alosterického signálu je katalytický Gly56 v aktivním místě.[12]

Anorganický pyrofosfát má 95% schopnost fosfátu inhibovat MGS. 3-fosfoglycerát a fosfoenolpyruvát také mají 50% a 70% inhibici.[1] 2-fosfoglykolát také působí jako kompetitivní inhibitor napodobováním enodiolátového meziproduktu.[4] ATP Bylo prokázáno, že má slabou inhibici u některých bakteriálních kmenů.[5] Reakční produkt, methylglyoxal, nevykazuje žádné inhibice zpětné vazby na MGS.[1][6]

Biologická funkce

Alternativou je methylglyoxal syntáza katabolický cesta pro triozové fosfáty vytvořené v glykolýza.[2] Má podobné úrovně aktivity jako glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza z glykolýzy, což naznačuje souhru mezi těmito dvěma enzymy při rozpadu triozových fosfátů. MGS je skutečně silně inhibován koncentracemi fosfátů, které jsou blízké Km fosfátu sloužícího jako substrát pro glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenázu, a proto je za normálních intracelulárních podmínek neaktivní.[1][2] Katabolismus triofosfátu přechází na MGS, když jsou koncentrace fosfátů příliš nízké pro aktivitu glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenázy.

V situacích, kdy je glykolýza omezena hladovění fosfátů, přechod na MGS slouží k uvolnění fosfátu z glykolytických metabolitů pro glyceraldehyd-3-fosfát dehydrogenázu a k produkci methylglyoxalu, který se přeměňuje na pyruvát laktátem s odpojením ATP syntéza.[2][8] Tato souhra mezi těmito dvěma enzymy umožňuje buňce posunout triozový katabolismus mezi vznik 1,3-bisfosfoglycerát a methylglyoxal na bázi dostupných fosfátů.

Další aplikace

Pro palivo výroba ethanolu, kompletní metabolismus komplexních kombinací cukrů v E-coli syntetickými biokatalyzátory. Zvyšuje se delece genu pro methylglyoxal syntázu v E. coli kvašení rychlost ethanogenní E. coli podporou společného metabolismu cukrových směsí obsahujících pět hlavních cukrů nalezených v biomase (glukóza, xylóza, arabinóza, galaktóza, a manóza ).[14] To naznačuje, že produkce MGS methylglyoxalu hraje roli při řízení exprese transportérů specifických pro cukr a katabolických genů v nativních E. coli.

MGS má průmyslový význam také při výrobě laktátu, hydroxyaceton (acetol) a 1,2-propandiol.[5][12][15] Zavedení genu MGS do bakterií, které nativně postrádají MGS, zvýšilo užitečnou produkci 1,2-propandiolu o 141%.[15]

U biotechnologických a syntetických aplikací pomáhá vazba fosfátů stabilizovat a chránit enzym před působením chladu a tepla denaturace.[7] Je také známo, že interakce His-His prostřednictvím inzerce jednoho zbytku histidinu mezi Arg22 a His23 se zvyšuje termostabilita zvýšením jeho poločas rozpadu 4,6krát.[16]

Reference

  1. ^ A b C d E Hopper DJ, Cooper RA (březen 1971). „Regulace methylglyoxal syntázy Escherichia coli; nové kontrolní místo v glykolýze?“. FEBS Dopisy. 13 (4): 213–216. doi:10.1016/0014-5793(71)80538-0. PMID  11945670. S2CID  7075947.
  2. ^ A b C d E F G h Hopper DJ, Cooper RA (červen 1972). "Čištění a vlastnosti Escherichia coli methylglyoxal syntázy". The Biochemical Journal. 128 (2): 321–9. doi:10.1042 / bj1280321. PMC  1173767. PMID  4563643.
  3. ^ A b C d E F G h i j k l m Saadat D, Harrison DH (březen 1999). "Krystalová struktura methylglyoxal syntázy z Escherichia coli". Struktura. 7 (3): 309–17. doi:10.1016 / s0969-2126 (99) 80041-0. PMID  10368300.
  4. ^ A b C d E Saadat D, Harrison DH (červenec 1998). „Identifikace katalytických bází v aktivním místě methylglyoxal syntázy Escherichia coli: klonování, exprese a funkční charakterizace konzervovaných zbytků kyseliny asparagové“. Biochemie. 37 (28): 10074–86. doi:10.1021 / bi980409p. PMID  9665712.
  5. ^ A b C Huang K, Rudolph FB, Bennett GN (červenec 1999). „Charakterizace methylglyoxal syntázy z Clostridium acetobutylicum ATCC 824 a její použití při tvorbě 1,2-propandiolu“. Aplikovaná a environmentální mikrobiologie. 65 (7): 3244–7. doi:10.1128 / AEM.65.7.3244-3247.1999. PMC  91483. PMID  10388730.
  6. ^ A b C Iyengar R, Rose IA (březen 1981). "Osvobození triosefosfát-izomerázového reakčního meziproduktu a jeho zachycení izomerázou, kvasinkovou aldolázou a methylglyoxal syntázou". Biochemie. 20 (5): 1229–35. doi:10.1021 / bi00508a027. PMID  7013791.
  7. ^ A b C d Yuan PM, Gracy RW (září 1977). „Konverze dihydroxyaceton fosfátu na methylglyoxal a anorganický fosfát methylglyoxal syntázou“. Archivy biochemie a biofyziky. 183 (1): 1–6. doi:10.1016/0003-9861(77)90411-8. PMID  334078.
  8. ^ A b C d Summers MC, Rose IA (červen 1977). "Reakce přenosu protonu methylglyoxal syntázy". Journal of the American Chemical Society. 99 (13): 4475–8. doi:10.1021 / ja00455a044. PMID  325056.
  9. ^ Saadat D, Harrison DH (březen 1999). "Krystalová struktura methylglyoxal syntázy z Escherichia coli". Struktura. 7 (3): 309–17. doi:10.1016 / s0969-2126 (99) 80041-0. PMID  10368300.
  10. ^ A b Marks GT, Harris TK, Massiah MA, Mildvan AS, Harrison DH (červen 2001). „Mechanické důsledky methylglyoxal syntázy v komplexu s kyselinou fosfoglykolohydroxamovou, jak byly pozorovány rentgenovou krystalografií a NMR spektroskopií“. Biochemie. 40 (23): 6805–18. doi:10.1021 / bi0028237. PMID  11389594.
  11. ^ Grabar TB, Zhou S, Shanmugam KT, Yomano LP, Ingram LO (říjen 2006). "Methylglyoxal bypass identifikován jako zdroj chirální kontaminace při fermentaci l (+) a d (-) - laktátu rekombinantní Escherichia coli". Biotechnologické dopisy. 28 (19): 1527–35. doi:10.1007 / s10529-006-9122-7. PMID  16868860. S2CID  34290202.
  12. ^ A b C d E Falahati H, Pazhang M, Zareian S, Ghaemi N, Rofougaran R, Hofer A, Rezaie AR, Khajeh K (červenec 2013). "Přenos alosterického signálu v methylglyoxal syntáze". Proteinové inženýrství, design a výběr. 26 (7): 445–52. doi:10,1093 / protein / gzt014. PMID  23592737.
  13. ^ Zareian S, Khajeh K, Pazhang M, Ranjbar B (prosinec 2012). "Racionalizace alosterické dráhy v Thermus sp. GH5 methylglyoxal syntáza". Zprávy BMB. 45 (12): 748–53. doi:10,5483 / bmbrep.2012.45.12.11-138. PMC  4133812. PMID  23261063.
  14. ^ Yomano LP, York SW, Shanmugam KT, Ingram LO (září 2009). „Odstranění genu pro methylglyoxal syntázu (mgsA) zvýšilo ko-metabolismus cukru v Escherichia coli produkujícím ethanol“. Biotechnologické dopisy. 31 (9): 1389–98. doi:10.1007 / s10529-009-0011-8. PMC  2721133. PMID  19458924.
  15. ^ A b Jung JY, Yun HS, Lee J, Oh MK (srpen 2011). "Produkce 1,2-propandiolu z glycerolu v Saccharomyces cerevisiae". Journal of Microbiology and Biotechnology. 21 (8): 846–53. doi:10,4014 / jmb. 1103,03009. PMID  21876375.
  16. ^ Mohammadi M, Kashi MA, Zareian S, Mirshahi M, Khajeh K (leden 2014). „Pozoruhodné zlepšení termostability methylglyoxal syntázy interakcí His-His“. Aplikovaná biochemie a biotechnologie. 172 (1): 157–67. doi:10.1007 / s12010-013-0404-r. PMID  24057302. S2CID  33386135.

Další čtení