WikiDer > Малатсинтаза - Википедия

Malate synthase - Wikipedia
малатсинтаза
Идентификаторы
Номер ЕС2.3.3.9
Количество CAS9013-48-3
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

В энзимология, а малатсинтаза (EC 2.3.3.9) является фермент который катализирует то химическая реакция

ацетил-CoA + H2O + глиоксилат (S) -малат + КоА

3 субстраты этого фермента ацетил-КоА, ЧАС2О, и глиоксилат, а его два товары находятся (S) -малат и CoA. Этот фермент участвует в метаболизм пирувата и метаболизм глиоксилата и дикарбоксилата.

Номенклатура

Этот фермент принадлежит к семейству трансферазы, конкретно ацилтрансферазы которые превращают ацильные группы в алкильные при переносе. В систематическое название К этому классу ферментов относится ацетил-КоА: глиоксилат-С-ацетилтрансфераза (тиоэфир-гидролизующий, карбоксиметил-образующий). Другие широко используемые названия включают L-малатглиоксилат-лиазу (CoA-ацетилирование), глиоксилат-трансацетилазу, глиоксилат-трансацетазу, глиоксилат-трансацетазу, малат-конденсирующий фермент, малат-синтетазу, яблочную синтетазу и яблочно-конденсирующий фермент.

Структура

Кристаллографическая структура фермента малатсинтазы (слева) и расширенный вид активного центра (справа) в комплексе с его продуктом, малатом и координирующим катионом магния.[1]

Малатсинтазы делятся на два основных семейства, изоформы A и G. Изоформа G мономерный размером около 80 кДа и встречается исключительно в бактерии.[2] Изоформа A составляет около 65 кДа на субъединицу и может образовывать гомомультимеры в эукариоты.[3] Этот фермент содержит центральный ТИМ ствол зажатый между N-концевой альфа-спиральный clasp и альфа / бета-домен, происходящий от двух вставок в ТИМ ствол последовательность. Фермент заканчивается C-терминал пятиспиральная пробка. Активный сайт, на котором ацетил-КоА и глиоксилат связываются с ферментом, лежит между ТИМ ствол и C-терминал затыкать.[4] После привязки ацетил-КоА молекула образует J-образную форму, вставленную в связывающий карман с помощью внутримолекулярного водородная связь между N7 аденин кольцо и гидроксил группа по пантетеин хвост.[4] Кроме того, критический магний ион в активный сайт координирует с глиоксилат, глютаминовая кислота 427, аспарагиновая кислота 455 и две молекулы воды.[4] Аминокислоты, взаимодействующие с ацетил-КоА при связывании высококонсервативны.[2] Идентичность последовательностей высока в каждом классе изоформ, но между обоими классами идентичность последовательностей снижается примерно до 15%.[5] Альфа / бета-домен, который не выполняет очевидной функции, не обнаруживается в изоформе A.[6]

Полная длина
Активный сайт малатсинтазы связывается с пируватом и ацетил-КоА (ACO), что показано в его изогнутой J-конфигурации. Октаэдрический координирующий Mg2+ катион показан зеленым цветом, молекулы воды - красными точками, а полярные контакты - желтыми пунктирными линиями.

Механизм

Механизм малатсинтазы - это альдольная реакция с последующим тиоэфиром гидролиз. Первоначально, аспартат 631 действует как каталитическое основание, отрывая протон от альфа-углерод из ацетил-КоА и создание энолировать что стабилизируется аргинин 338.[6] Это считается этап определения ставки механизма.[7] Затем вновь сформированный энолировать действует как нуклеофил что атакует альдегид из глиоксилат, придавая отрицательный заряд кислород который стабилизируется аргинин 338 и координирующий магний катион. Этот промежуточный продукт малил-КоА затем подвергается гидролиз на ацил-КоА часть, генерируя карбоксилат анион.[2] Фермент наконец высвобождает малат и кофермент А.

Функция

Роль малатсинтазы в глиоксилатном цикле.

В цикл лимонной кислоты (также известный как цикл трикарбоновых кислот или цикл Кребса) используется аэробные организмы производить энергию через окисление из ацетил-КоА, который получен из пируват (продукт гликолиз). Цикл лимонной кислоты принимает ацетил-КоА и метаболизирует его с образованием углекислый газ. Связанный цикл, называемый глиоксилатный цикл, встречается во многих бактерии и растения. У растений цикл глиоксилата протекает в глиоксисомы.[8] В этом цикле изоцитратлиаза и малатсинтаза пропускают стадии декарбоксилирования цикла лимонной кислоты. Другими словами, малатсинтаза работает вместе с изоцитратлиаза в глиоксилатный цикл чтобы обойти две окислительные стадии Цикл Кребса и разрешить включение углерода из ацетат или же жирные кислоты у многих микроорганизмов.[9] Вместе эти два фермента служат для производства сукцинат (который выходит из цикла и используется для синтеза сахаров) и малат (который остается в глиоксилатном цикле). Во время этого процесса в качестве субстратов используются ацетил-КоА и вода. В результате клетка не теряет 2 молекулы углекислый газ как это происходит в Цикл Кребса. Глиоксилатный цикл, которому способствуют малатсинтаза и изоцитратлиаза, позволяет растениям и бактериям существовать на ацетил-КоА или двух других углеродных соединениях. Например, Euglena gracilis, одноклеточный эукариотический водоросль, потребляет этиловый спирт с образованием ацетил-КоА и впоследствии, углеводы.[10] В прорастающий растения, глиоксилатный цикл позволяет конвертировать резерв липиды в углеводы в глиоксисомы.[11]

Эволюционная история

Малатсинтаза встречается как октамер идентичных субъединиц (каждая примерно 60 кДа) у некоторых растений, включая кукурузу. Он обнаружен как гомотетрамер в грибок Candida и как гомодимер в эубактерии. Малатсинтаза сливается с C-конец из изоцитратлиаза в C. elegans, в результате чего образуется единственный бифункциональный белок. Хотя в настоящее время нет достаточной информации о последовательностях, чтобы определить точную эволюционную историю малатсинтазы, растений, грибов и C. elegans последовательности различны и не имеют гомологов от архебактерии.[12]

Активность у людей

Традиционно малатсинтазы описываются у бактерий как часть глиоксилатного цикла, а активность малатсинтазы в человеческом белке не сообщалась до исследования Strittmatter et al. В этом исследовании было обнаружено, что CLYBL принадлежит человеку. митохондриальный фермент с активностью малатсинтазы. Он встречается в нескольких эукариотический таксоны и является консервированный в бактериях. CLYBL отличается от других малатсинтаз тем, что в нем отсутствует большая часть С-концевого домена и проявляется более низкая удельная активность и эффективность.[13] CLYBL связан с витамин B12 метаболизма, потому что он сильно коэкспрессируется с MUT, MMAA и MMAB, тремя участниками митохондриального пути B12.[13] Кроме того, потеря функции полиморфизм, который приводит к потере белка CLYBL, одновременно связан с низким уровнем B12 в плазме человека.[13] Хотя точный механизм участия CLYBL в метаболизме B12 не совсем понятен, считается, что он превращает цитрамалил-КоА в пируват и ацетил-КоА. Без этого преобразования итаконил-КоА, предшественник цитрамалил-КоА, накапливается в клетке, что приводит к инактивации витамина B12. Эта инактивация ингибирует цикл метионина, что приводит к снижению серин, глицин, одноуглеродный и фолиевая кислота метаболизм.[14][15]

Клиническое значение

Поскольку глиоксилатный цикл происходит в бактериях и грибах, изучение механизмов малатсинтазы (а также изоцитратлиазы) важно для понимания человека, животных и растений. патогенез. Изучение малатсинтазы может пролить свет на метаболические пути, которые позволяют патогенам выживать внутри хозяина, а также пролить свет на возможные методы лечения.[16] Было проведено множество исследований активности малатсинтазы у патогенов, включая Микобактерии туберкулеза, Синегнойная палочка, Brucella melitensis, и кишечная палочка.

Микобактерии туберкулеза

Малатсинтаза и путь глиоксилата особенно важны для М. туберкулез, что позволяет сохранить инфекцию в течение длительного времени.[2] Когда клетки М. туберкулез становиться фагоцитированный, бактерия активирует гены, кодирующие глиоксилатный шунт ферменты.[17] Микобактерии туберкулеза является одним из наиболее хорошо изученных патогенов, связанных с ферментом малатсинтазой. Структура и кинетика Микобактерии туберкулеза малатсинтаза хорошо классифицирована.[18][2] Малатсинтаза необходима для Микобактерии туберкулеза выживание, потому что он позволяет бактериям ассимилировать ацетил-КоА в длинноцепочечные углеводы и выживать в суровых условиях. Помимо этого, малатсинтаза предотвращает накопление токсичности глиоксилат произведено изоцитратлиаза.[19] Подавление малатсинтазы приводит к снижению стрессоустойчивости, устойчивости и росту Микобактерии туберкулеза внутри макрофагов.[20] Фермент может ингибироваться небольшими молекулами (хотя ингибирование зависит от микроокружения), что предполагает, что они могут использоваться в качестве новых химиотерапевтических средств.[21]

Синегнойная палочка

Синегнойная палочка вызывает серьезные инфекции у людей и обозначается как критическая угроза Всемирная организация здоровья из-за его устойчивости к нескольким методам лечения. Глиоксилатный шунт необходим для Синегнойная палочка рост в организме хозяина. В 2017 году McVey et al. исследовали трехмерную структуру P. aeruginosa малатсинтаза G. Они обнаружили, что это мономер, состоящий из четырех доменов, который высоко консервативен у других патогенов. Кроме того, они использовали вычислительный анализ для определения двух связывающих карманов, которые могут служить мишенями для лекарств.[22]

Brucella melitensis

Brucella melitensis это патогенная бактерия, вызывающая жар и воспаление из придаток яичка овец и крупный рогатый скот и могут передаваться людям через потребление непастеризованный молоко. Малатсинтаза была идентифицирована как потенциальный фактор вирулентности в этой бактерии. В 2016 году Ади и др. построили трехмерную кристаллическую структуру белка для идентификации каталитических доменов и исследования потенциальных ингибиторы. Они идентифицировали пять ингибиторов с непоральной токсичностью, которые служили лекарствами против бактерий, предлагая возможные пути лечения для бруцеллез.[23]

кишечная палочка

В кишечная палочка, гены, кодирующие ферменты, необходимые для глиоксилатного цикла, экспрессируются из полицистронной кислоты. оперон. Этот оперон содержит гены, кодирующие малатсинтазу (aceB), изоцитратлиазу (aceA) и изоцитратдегидрогеназу киназу / фосфатазу (aceK).[24]

Структурные исследования

По состоянию на начало 2018 года для малатсинтаз было решено несколько структур, в том числе с кодами доступа PDB. 2GQ3, 1D8C, 3OYX, 3ПУГ, 5TAO, 5Х8М, 2JQX, 1П7Т, и 1Y8B.[25]

Рекомендации

  1. ^ PDB: 5T8G​; Хуанг Х.Л., Кригер IV, Параи М.К., Гаванди В.Б., Саккеттини Дж.С. (декабрь 2016 г.). «Структуры малат-синтазы Mycobacterium tuberculosis с фрагментами открывают портал для обмена субстратом / продуктом». Журнал биологической химии. 291 (53): 27421–32. Дои:10.1074 / jbc.m116.750877. ЧВК 5207166. PMID 27738104.
  2. ^ а б c d е Смит CV, Хуанг С.К., Мичак А., Рассел Д.Г., Саккеттини Дж.С., Хёнер цу Бентруп К. (январь 2003 г.). «Биохимические и структурные исследования малатсинтазы Mycobacterium tuberculosis». Журнал биологической химии. 278 (3): 1735–43. Дои:10.1074 / jbc.M209248200. PMID 12393860.
  3. ^ Durchschlag H, Biedermann G, Eggerer H (февраль 1981 г.). «Масштабная очистка и некоторые свойства малатсинтазы из пекарских дрожжей». Европейский журнал биохимии. 114 (2): 255–62. Дои:10.1111 / j.1432-1033.1981.tb05144.x. PMID 7011808.
  4. ^ а б c Anstrom DM, Kallio K, Remington SJ (сентябрь 2003 г.). «Структура абортивного тройного комплекса малатсинтазы Escherichia coli G: пируват: ацетил-кофермент А при разрешении 1,95 А». Белковая наука. 12 (9): 1822–32. Дои:10.1110 / пс. 03174303. ЧВК 2323980. PMID 12930982.
  5. ^ Серрано Дж. А., Бонете М. Дж. (Август 2001 г.). «Секвенирование, филогенетический и транскрипционный анализ оперона обхода глиоксилата (ace) в галофильных архее Haloferax volcanii». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Структура и экспрессия гена. 1520 (2): 154–62. Дои:10.1016 / s0167-4781 (01) 00263-9. PMID 11513957.
  6. ^ а б Говард Б. Р., Эндриззи Дж. А., Ремингтон С. Дж. (Март 2000 г.). «Кристаллическая структура малатсинтазы G Escherichia coli в комплексе с магнием и глиоксилатом с разрешением 2,0 A: механистические последствия». Биохимия. 39 (11): 3156–68. Дои:10.1021 / bi992519h. PMID 10715138.
  7. ^ Кларк Дж. Д., О'Киф С. Дж., Ноулз Дж. Р. (август 1988 г.). «Малатсинтаза: доказательство ступенчатой ​​конденсации Клейзена с использованием теста на фракционирование двойных изотопов». Биохимия. 27 (16): 5961–71. Дои:10.1021 / bi00416a020. PMID 2847778.
  8. ^ Страйер Л., Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л. (2003). Биохимия (пятое изд.). Нью-Йорк: Фриман. ISBN 978-0-7167-4684-3. OCLC 48055706.
  9. ^ Корнберг HL, Сэдлер JR (декабрь 1961 г.). «Метаболизм C2-соединений в микроорганизмах. VIII. Цикл дикарбоновых кислот как путь окисления гликоллата Escherichia coli». Биохимический журнал. 81: 503–13. Дои:10.1042 / bj0810503. ЧВК 1243371. PMID 14458448.
  10. ^ Накадзава М (2017). «Метаболизм С2 в эвглене». Достижения экспериментальной медицины и биологии. 979: 39–45. Дои:10.1007/978-3-319-54910-1_3. ISBN 978-3-319-54908-8. PMID 28429316.
  11. ^ Чиони М., Пинцаути Г., Ванни П. (1981). «Сравнительная биохимия глиоксилатного цикла». Сравнительная биохимия и физиология B. 70: 1–26. Дои:10.1016/0305-0491(81)90118-8.
  12. ^ Шнарренбергер С., Мартин В. (февраль 2002 г.). «Эволюция ферментов цикла лимонной кислоты и цикла глиоксилата высших растений. Пример переноса эндосимбиотических генов». Европейский журнал биохимии. 269 (3): 868–83. Дои:10.1046 / j.0014-2956.2001.02722.x. PMID 11846788.
  13. ^ а б c Strittmatter L, Li Y, Nakatsuka NJ, Calvo SE, Grabarek Z, Mootha VK (май 2014 г.). «CLYBL - это полиморфный человеческий фермент с активностью малатсинтазы и β-метилмалатсинтазы». Молекулярная генетика человека. 23 (9): 2313–23. Дои:10.1093 / hmg / ddt624. ЧВК 3976331. PMID 24334609.
  14. ^ Шен Х, Кампанелло Г.К., Фликер Д., Грабарек З., Ху Дж., Ло С., Банерджи Р., Мутха ВК (ноябрь 2017 г.). "Ген нокаута человека CLYBL связывает итаконат с витамином B12". Клетка. 171 (4): 771–782.e11. Дои:10.1016 / j.cell.2017.09.051. ЧВК 5827971. PMID 29056341.
  15. ^ Рид М.А., Пайк Дж., Локасейл Дж. У. (ноябрь 2017 г.). «Недостающее звено в метаболизме витамина B12». Клетка. 171 (4): 736–737. Дои:10.1016 / j.cell.2017.10.030. PMID 29100069.
  16. ^ Данн М.Ф., Рамирес-Трухильо Х.А., Эрнандес-Лукас I (октябрь 2009 г.). «Основные роли изоцитратлиазы и малатсинтазы в бактериальном и грибковом патогенезе». Микробиология. 155 (Pt 10): 3166–75. Дои:10.1099 / мик ..0.030858-0. PMID 19684068.
  17. ^ Höner Zu Bentrup K, Miczak A, Swenson DL, Russell DG (декабрь 1999 г.). «Характеристика активности и экспрессии изоцитратлиазы в Mycobacterium avium и Mycobacterium tuberculosis». Журнал бактериологии. 181 (23): 7161–7. Дои:10.1128 / JB.181.23.7161-7167.1999. ЧВК 103675. PMID 10572116.
  18. ^ Quartararo CE, Blanchard JS (август 2011 г.). «Кинетический и химический механизм малатсинтазы Mycobacterium tuberculosis». Биохимия. 50 (32): 6879–87. Дои:10.1021 / bi2007299. ЧВК 3153559. PMID 21728344.
  19. ^ Puckett S, Trujillo C, Wang Z, Eoh H, Ioerger TR, Krieger I, Sacchettini J, Schnappinger D, Rhee KY, Ehrt S (март 2017 г.). «Детоксикация глиоксилата является важной функцией малатсинтазы, необходимой для ассимиляции углерода у Mycobacterium tuberculosis». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 114 (11): E2225 – E2232. Дои:10.1073 / pnas.1617655114. ЧВК 5358392. PMID 28265055.
  20. ^ Сингх К.С., Шарма Р., Кешари Д., Сингх Н., Сингх С.К. (сентябрь 2017 г.). «Подавление малатсинтазы в Mycobacterium tuberculosis H37Ra приводит к снижению стрессоустойчивости, устойчивости и выживаемости макрофагов». Туберкулез. 106: 73–81. Дои:10.1016 / j.tube.2017.07.006. PMID 28802408.
  21. ^ Мэй Э. Э., Лейтао А., Тропша А., Опря Т. И. (декабрь 2013 г.). «Системное химико-биологическое исследование ингибирования малатсинтазы и изоцитратлиазы у Mycobacterium tuberculosis во время активного роста и роста NRP». Вычислительная биология и химия. 47: 167–80. Дои:10.1016 / j.compbiolchem.2013.07.002. ЧВК 4010430. PMID 24121675.
  22. ^ McVey AC, Medarametla P, Chee X, Bartlett S, Poso A, Spring DR, Rahman T, Welch M (октябрь 2017 г.). «Структурная и функциональная характеристика малатсинтазы G от оппортунистического патогена Pseudomonas aeruginosa». Биохимия. 56 (41): 5539–5549. Дои:10.1021 / acs.biochem.7b00852. PMID 28985053.
  23. ^ Ади П.Дж., Йеллапу Н.К., Матча Б. (декабрь 2016 г.). «Моделирование, молекулярный докинг, исследование каталитического режима связывания ацетил-CoA малатсинтазы G в Brucella melitensis 16M». Отчеты по биохимии и биофизике. 8: 192–199. Дои:10.1016 / j.bbrep.2016.08.020. ЧВК 5613768. PMID 28955956.
  24. ^ Cortay JC, Bleicher F, Duclos B, Cenatiempo Y, Gautier C, Prato JL, Cozzone AJ (сентябрь 1989 г.). «Использование ацетата в Escherichia coli: структурная организация и дифференциальная экспрессия ace оперона». Биохимия. 71 (9–10): 1043–9. Дои:10.1016/0300-9084(89)90109-0. PMID 2512996.
  25. ^ Банк, RCSB Protein Data. «RCSB PDB: Домашняя страница». www.rcsb.org. Получено 2018-03-05.