Orotidin 5-fosfát dekarboxyláza - Orotidine 5-phosphate decarboxylase - Wikipedia

Orotidin-5'-fosfát dekarboxyláza
OMP dekarboxyláza.png
E-coli OMP dekarboxyláza.[1]
Identifikátory
EC číslo4.1.1.23
Číslo CAS9024-62-8
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Genová ontologieAmiGO / QuickGO

Orotidin 5'-fosfát dekarboxyláza (OMP dekarboxyláza) nebo orotidylát dekarboxyláza je enzym zahrnutý do něčeho, zůčastnit se čeho pyrimidin biosyntéza. Katalyzuje to dekarboxylace z orotidinmonofosfát (OMP) k vytvoření uridinmonofosfát (UMP). Funkce tohoto enzymu je nezbytná pro de novo biosyntézu pyrimidinu nukleotidy uridin trifosfát, cytidin trifosfát, a thymidin trifosfát. OMP dekarboxyláza je častým terčem vědeckého výzkumu kvůli své prokázané extrémní katalytické účinnosti a své užitečnosti jako značka výběru pro droždí kmenové inženýrství.

Schéma reakce katalyzované OMP dekarboxylázou

Katalýza

OMP dekarboxyláza je známá tím, že je mimořádně účinná katalyzátor schopné urychlit nekatalyzovanou rychlost reakce o faktor 1017. Abychom to uvedli na pravou míru, reakce, která bude trvat 78 milionů let v nepřítomnosti enzymu kyseliny orotové trvá 18 milisekund když je katalyzován enzymem.[2] Tato extrémní enzymatická účinnost je obzvláště zajímavá, protože OMP dekarboxylázy nepoužívají žádný kofaktor a neobsahují žádná kovová místa[3] nebo protetické skupiny.[4] Katalýza se spoléhá na hrstku nabitých aminokyselina zbytky umístěné v aktivním místě enzymu.

Obrázek představující strukturu aktivního místa OMP dekarboxylázy po navázání na inhibitor BMP. Všimněte si zbytků Lys a Asp obklopujících 6-hydroxylovou skupinu substrátu. (Obrázek pořízený ze snímku prohlížeče pymol struktury krystalu 1LOR)[5]

Přesný mechanismus, kterým OMP dekarboxyláza katalyzuje svou reakci, byl předmětem přísného vědeckého výzkumu. Hnací síla ztráty karboxylu vázaného na C6 pyrimidinového kruhu pochází z těsné blízkosti karboxylové skupiny aspartátového zbytku v aktivním místě enzymu, což destabilizuje základní stav vzhledem k přechodnému stavu nekatalyzované reakce. Existuje několik hypotéz o tom, jakou formu má přechodový stav, než dojde k protonaci uhlíku C6, čímž se získá konečný produkt. Mnoho studií zkoumalo vazbu silného inhibitoru OMP dekarboxylázy, 6-hydroxyuridinmonofosfátu (BMP, kyselina barbiturová derivát), v aktivním místě, identifikovat, které zbytky esenciálních aminokyselin se přímo podílejí na stabilizaci přechodového stavu. (Viz obrázek enzymu vázaného na BMP) Bylo navrženo několik mechanismů pro enzymatickou dekarboxylaci OMP, včetně protonace v O2 za vzniku zwitterionický druh jako meziprodukt,[6] aniontová stabilizace O4,[7] nebo nukleofilní útok na C5.[8] Současná shoda naznačuje, že mechanismus postupuje prostřednictvím stabilizovaného karbaniontu na C6 po ztrátě oxidu uhličitého. Tento mechanismus byl navržen ze studií zkoumajících kinetické izotopové účinky ve spojení s kompetitivní inhibicí a mutagenezí v aktivním místě.[9][10][11][12]V tomto mechanismu je krátkotrvající druh karbanionu stabilizován blízkým zbytkem lysinu, než je uhasen protonem. (Viz schéma katalytického mechanismu) Meziprodukt vysoce bazického vinylového karbaniontu, který neprospívá elektronické stabilizaci, je v enzymatickém systému a v biologických systémech obecně vzácný. Je pozoruhodné, že mikroprostředí enzymu významně pomáhá stabilizovat karbanion. StrK.aH Na základě studií výměny deuteria bylo naměřeno, že karbaniontový meziprodukt vázaný na enzym je menší nebo roven 22. I když je stále velmi základní, odpovídající strK.aH volného karbaniontového meziproduktu se odhaduje na mnohem vyšší, kolem 30-34 (na základě měření na analogickém 1,3-dimethyluracil ), což vede k závěru, že enzym stabilizuje karbaniont alespoň o 14 kcal / mol.[12]

Schéma reakce ukazující mechanismus katalýzy OMP dekarboxylázy prostřednictvím domnělého vinylového karbaniontu v poloze C6. Tento karbanion je pravděpodobně stabilizován blízkým protonovaným zbytkem lysinu. Číslování zbytků Lys93 a Asp91 odpovídá sekvenci pro OMP dekarboxylázu z S cerevisiae.[13]

Vs UMP syntáza

V droždí a bakterie „OMP dekarboxyláza je enzym s jednou funkcí. Nicméně v savci „OMP dekarboxyláza je součástí jediného proteinu se dvěma katalytickými aktivitami. Tento bifunkční enzym se jmenuje UMP syntáza a také katalyzuje předchozí reakci v biosyntéze pyrimidinových nukleotidů, přenos ribóza-5-fosfát z 5-fosforibosyl-l-pyrofosfát na orotovat za vzniku OMP. V organismech využívajících OMP dekarboxylázu je tato reakce katalyzována orotát fosforibosyltransferáza.[14]

Význam v genetice kvasinek

Mutace v genu kódujícím OMP dekarboxylázu v kvasinkách (URA3 ) vede k auxotrofii v uracilu. Navíc díky funkci OMP dekarboxylázy jsou kmeny kvasinek citlivé na molekulu Kyselina 5-fluororotová (5-FOA).[15] Založení genu URA3 jako a značka výběru s pozitivní i negativní selekční strategií učinil řízenou expresi OMP dekarboxylázy významným laboratorním nástrojem pro výzkum genetiky kvasinek.

Viz také

Reference

  1. ^ PDB: 1EIX​; Harris P, Navarro Poulsen JC, Jensen KF, Larsen S (duben 2000). „Strukturální základ pro katalytický mechanismus zdatného enzymu: orotidin 5'-monofosfát dekarboxyláza“. Biochemie. 39 (15): 4217–24. doi:10.1021 / bi992952r. PMID  10757968.
  2. ^ Radzicka A, Wolfenden R (leden 1995). "Zdatný enzym". Věda. 267 (5194): 90–3. doi:10.1126 / science.7809611. PMID  7809611.
  3. ^ Miller BG, Smiley JA, Short SA, Wolfenden R (srpen 1999). "Aktivita kvasinkové orotidin-5'-fosfát dekarboxylázy v nepřítomnosti kovů". J. Biol. Chem. 274 (34): 23841–3. doi:10.1074 / jbc.274.34.23841. PMID  10446147.
  4. ^ Miller BG, Wolfenden R (2002). "Katalytická zdatnost: neobvyklý případ OMP dekarboxylázy". Annu. Biochem. 71: 847–85. doi:10.1146 / annurev.biochem.71.110601.135446. PMID  12045113.
  5. ^ Wu N, Pai EF (srpen 2002). „Krystalové struktury komplexů inhibitorů odhalují alternativní vazebný režim v orotidin-5'-monofosfát dekarboxyláze“. J. Biol. Chem. 277 (31): 28080–7. doi:10,1074 / jbc.M202362200. PMID  12011084.
  6. ^ Zobák P, Siegel B (1976). "Mechanismus dekarboxylace kyseliny 1,3-dimethylorotové. Model orotidinové 5'-fosfát dekarboxylázy". J Am Chem Soc. 98 (12): 3601–6. doi:10.1021 / ja00428a035. PMID  1270703.
  7. ^ Lee JK, Houk KN (květen 1997). „Znovu navštívil zdatný enzym: předpokládaný mechanismus dekarboxylázy orotidinmonofosfátu“. Věda. 276 (5314): 942–5. doi:10.1126 / science.276.5314.942. PMID  9139656.
  8. ^ Silverman, R.B .; Groziak, M.P. (1982). „Model Chemistry for a Covalent Mechanism of Action of Orotidin 5'-Phosphate Decarboxylase“. J. Am. Chem. Soc. 104 (23): 6434–6439. doi:10.1021 / ja00387a047.
  9. ^ Lee, Jeehiun K; Tantillo, Dean J (2004-06-25). Orotidinmonofosfát dekarboxyláza: Mechanistický dialog. ISBN  9783540205661.
  10. ^ Richavy MA, Cleland WW (2000). "Stanovení mechanismu orotidin 5'-monofosfát dekarboxylázy pomocí izotopových účinků". Biochemie. 39 (16): 4569–4574. doi:10.1021 / bi000376p. PMID  10769111.
  11. ^ Toth K, Amyes TL, Wood BM, Chan K, Gerlt JA, Richard JP (říjen 2007). „Účinek izotopu deuteria na orotidin-5'-monofosfát dekarboxylázu: Důkazy o existenci meziproduktu s krátkým životem na karbaniontu“. J. Am. Chem. Soc. 129 (43): 12946–7. doi:10.1021 / ja076222f. PMC  2483675. PMID  17918849.
  12. ^ A b Amyes TL, Wood BM, Chan K, Gerlt JA, Richard JP (únor 2008). „Tvorba a stabilita vinylového karbaniontu na aktivním místě orotidin-5'-monofosfát-dekarboxylázy: pKa C-6 protonu enzymu vázaného UMP“. J. Am. Chem. Soc. 130 (5): 1574–5. doi:10.1021 / ja710384t. PMC  2652670. PMID  18186641.
  13. ^ Van Vleet JL, Reinhardt LA, Miller BG, Sievers A, Cleland WW (leden 2008). „Studie účinku izotopu uhlíku na orotidin 5'-monofosfát dekarboxylázu: podpora aniontového meziproduktu“. Biochemie. 47 (2): 798–803. doi:10.1021 / bi701664n. PMID  18081312.
  14. ^ Yablonski MJ, Pasek DA, Han BD, Jones ME, Traut TW (1996). „Vnitřní aktivita a stabilita bifunkční lidské UMP syntázy a jejích dvou samostatných katalytických domén, orotát fosforibosyltransferázy a orotidin-5'-fosfát dekarboxylázy“. J Biol Chem. 271 (18): 10704–10708. doi:10.1074 / jbc.271.18.10704. PMID  8631878.
  15. ^ Boeke JD, LaCroute F, Fink GR (1984). „Pozitivní selekce na mutanty postrádající aktivitu orotidin-5'-fosfát dekarboxylázy v kvasinkách: rezistence na 5-fluororotovou kyselinu“. Mol Gen Genet. 197 (2): 345–346. doi:10.1007 / BF00330984. PMID  6394957.