Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
β-галактозидаза
Бета-галактозидаза (1tg7) .png
β-галактозидаза из Penicillum sp.
Идентификаторы
Номер ЕС3.2.1.23
Количество CAS9031-11-2
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
BRENDABRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmigo / QuickGO
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки
галактозидаза, бета 1
Идентификаторы
СимволGLB1
Альт. символыELNR1
Ген NCBI2720
HGNC4298
OMIM230500
RefSeqNM_000404
UniProtP16278
Прочие данные
LocusChr. 3 п. 22,3
Ищи
СтруктурыШвейцарская модель
ДоменыИнтерПро

β-галактозидаза , которая также называется лактаза , бета-галы или β-галы , представляет собой семейство гликозид гидролазы ферментов , которые катализируют на гидролиз в бета-галактозидах в моносахариды через преломление в гликозидной связи . β-галактозиды включают углеводы, содержащие галактозу, где гликозидная связь расположена выше молекулы галактозы. Субстраты различных β-галактозидаз включают ганглиозид GM1, лактозилцерамиды, лактозу и различные гликопротеины .[1]

Номенклатура [ править ]

Комиссия по ферментам отвечает за создание системы классификации ферментов на основе чисел. Первое число описывает, к какому классу принадлежит фермент, второе число ссылочных подклассов, третье значение указывает природу субстрата, а четвертое число представляет собой порядковый номер, присвоенный ферментам в пределах подкласса. [2]  Номер EC ( Комиссия по ферментам) β-галактозидазы составляет 3.2.1.23  β-галактозидаза относится к классу 3, который относится к гидролазам . [3] β-гал относится к подклассу гликозилаз с кислородной субстратной природой.

Функция [ править ]

β-галактозидаза представляет собой экзогликозидазу, которая гидролизует β- гликозидную связь, образованную между галактозой и ее органической частью. Он также может расщеплять фукозиды и арабинозиды, но с гораздо меньшей эффективностью. Это важный фермент в организме человека. Недостатки белка может привести к galactosialidosis или синдром моркио B . В кишечной палочки , то LacZ ген представляет собой структурный ген для бета-галактозидазы; который присутствует как часть индуцибельной системы lac- оперона, который активируется в присутствии лактозы, когда глюкозауровень низкий. Синтез β-галактозидазы останавливается, когда уровень глюкозы становится достаточным. [4]

Бета-галактозидаза имеет много гомологов, основанных на сходных последовательностях. Некоторые из них - это эволюционировавшая бета-галактозидаза (EBG), бета-глюкозидаза , 6-фосфо-бета-галактозидаза, бета-маннозидаза и лактаза-флоризин гидролаза. Хотя они могут быть похожи по конструкции, все они выполняют разные функции. [3] Бета-гал ингибируется L-рибозой , неконкурентным ингибитором йодом и конкурентными ингибиторами 2-фенилэтил-1-тио-бета-D-галактопиранозид (ПЭТГ), D-галактонолактон, изопропилтио-бета-D-галактозид. (IPTG) и галактоза. [5]

β-галактозидаза важна для организмов, поскольку она является ключевым поставщиком энергии и источником углерода в результате расщепления лактозы до галактозы и глюкозы. Это также важно для сообщества с непереносимостью лактозы, поскольку оно отвечает за производство безлактозного молока и других молочных продуктов. [6] Многим взрослым людям не хватает лактазы.фермент, который выполняет ту же функцию, что и бета-гал, поэтому они не могут правильно переваривать молочные продукты. Бета-галактоза используется в таких молочных продуктах, как йогурт, сметана и некоторые сыры, которые обрабатываются ферментом для расщепления любой лактозы перед употреблением в пищу человеком. В последние годы бета-галактозидаза исследовалась как потенциальное средство лечения непереносимости лактозы с помощью генной заместительной терапии, при которой ее можно было бы поместить в ДНК человека, чтобы люди могли расщеплять лактозу самостоятельно. [7] [8]

Структура [ править ]

В 1,023 аминокислоты из кишечной палочки -галактозидазы были точно секвенировала в 1983 году, [9] и его структура определяется двадцать четыре года спустя в 1994 годе белком является 464- кДа гомотетрамер с 2,2,2-точечной симметрией . [10] Каждая единица β-галактозидазы состоит из пяти доменов ; домен 1 представляет собой β- бочонок типа желе-ролика , домены 2 и 4 представляют собой бочки, подобные фибронектину III типа , домен 5 - новый бета-сэндвич, а центральный домен 3 представляет собой искаженный бочонок типа TIM , в котором отсутствует пятая спираль искажение шестой нити. [10]

Третий домен содержит активный сайт. [11] Активный сайт состоит из элементов двух субъединиц тетрамера, и диссоциация тетрамера на димеры удаляет критические элементы активного сайта. Аминоконцевая последовательность β-галактозидазы, α-пептида, участвующего в α-комплементации, участвует в интерфейсе субъединиц. Его остатки 22-31 помогают стабилизировать пучок из четырех спиралей, который формирует основную часть этого интерфейса, а остатки 13 и 15 также вносят вклад в активирующий интерфейс. Эти структурные особенности обеспечивают объяснение феномена α-комплементации, когда делеция аминоконцевого сегмента приводит к образованию неактивного димера.

Реакция [ править ]

β-галактозидазная реакция

β-галактозидаза может катализировать три разные реакции в организмах. С одной стороны, он может пройти процесс, называемый трансгалактозилированием, с образованием аллолактозы , создавая петлю положительной обратной связи для производства β-гал. Аллолактоза также может расщепляться с образованием моносахаридов. Он также может гидролизовать лактозу до галактозы и глюкозы, которые перейдут в гликолиз . [3] Активный центр β-галактозидазы катализирует гидролиз ее дисахаридного субстрата посредством «поверхностного» (непродуктивный сайт) и «глубокого» (продуктивный сайт) связывания. Галактозидытакие как PETG и IPTG, будут связываться в мелком сайте, когда фермент находится в «открытой» конформации, в то время как аналоги переходного состояния, такие как L-рибоза и D-галактонолактон, будут связываться в глубоком сайте, когда конформация «закрыта». [5]

Ферментативная реакция состоит из двух химических стадий: галактозилирования (k 2 ) и дегалактозилирования (k 3 ). Галактозилирование - это первая химическая стадия реакции, когда Glu461 отдает протон гликозидному кислороду, что приводит к ковалентной связи галактозы с Glu537. На втором этапе, дегалактозилировании, ковалентная связь разрывается, когда Glu461 принимает протон, заменяя галактозу водой. Два переходных состояния происходят в глубоком участке фермента во время реакции, по одному разу после каждого шага. Когда вода участвует в реакции, образуется галактоза, в противном случае, когда D-глюкоза действует как акцептор на второй стадии, происходит трансгалактозилирование. [5]Кинетически измерено, что отдельные тетрамеры белков катализируют реакции со скоростью 38 500 ± 900 реакций в минуту. [12] моновалентный калий ионы (К + ), а также двухвалентному магнию ионов (Mg 2+ ) требуется для оптимальной активности фермента. Бета-связывание субстрата расщепляется с помощью терминальной карбоксильной группы на боковой цепи в виде глутаминовой кислоты .

Изображение слева представляет собой ленточную диаграмму бета-галактозидазы, отображающую расположение Glu 461, Glu 537 и Gly 794. Изображение справа представляет собой увеличенную версию, показывающую взаимодействие между аминокислотами.

В E. coli Glu-461 считался нуклеофилом в реакции замещения . [13] Однако теперь известно, что Glu-461 является кислотным катализатором. Вместо этого Glu-537 является фактическим нуклеофилом [14], связывающимся с промежуточным галактозилом. В организме человека , то нуклеофил из гидролизной реакции является Glu-268. [15]Gly794 важен для активности β-гал. Он отвечает за перевод фермента в «закрытую», связанную с лигандом конформацию или «открытую» конформацию, действуя как «шарнир» для петли активного сайта. Различные конформации гарантируют, что в активном сайте происходит только предпочтительное связывание. В присутствии медленного субстрата активность Gly794 увеличивалась, а также увеличивалось галактозилирование и уменьшалось дегалактозилирование. [5]

Приложения [ править ]

Анализ β-галактозидазы часто используется в генетике , молекулярной биологии и других науках о жизни . [16] Активный фермент может быть обнаружен с использованием искусственного хромогенного субстрата 5-бром-4-хлор-3-индолил-β-d-галактопиранозид, X-gal . β-галактозидаза расщепляет гликозидную связь в X-gal и образует галактозу и 5-бром-4-хлор-3-гидроксииндол, который димеризуется и окисляется до 5,5'-дибром-4,4'-дихлор-индиго, интенсивно синий продукт, который легко идентифицировать и количественно оценить. [17] [18] Используется, например, на сине-белом экране . [19] Его производство может быть вызвано негидролизуемыманалог из аллолактоза , ИПТГ , который связывает и освобождает лаковый репрессор от оператора лакового, позволяя ту самую инициацию транскрипции , чтобы продолжить.

Он обычно используется в молекулярной биологии в качестве репортерного маркера для мониторинга экспрессии генов. Он также демонстрирует явление, называемое α-комплементацией, которое формирует основу для скрининга рекомбинантных клонов сине-белого цвета . Этот фермент может быть расщеплен на два пептида, LacZ α и LacZ Ω , ни один из которых не является активным сам по себе, но когда оба присутствуют вместе, спонтанно снова собираются в функциональный фермент. Это свойство используется во многих векторах клонирования, где присутствие гена lacZα в плазмиде может комплементировать в транс-трансформере другой мутантный ген, кодирующий LacZΩ в конкретных лабораторных штаммах E. coli.. Однако, когда фрагменты ДНК вставляются в вектор, продукция LacZα нарушается, поэтому клетки не проявляют активности β-галактозидазы. Присутствие или отсутствие активной β-галактозидазы может быть обнаружено с помощью X-gal , которая продуцирует характерный синий краситель при расщеплении β-галактозидазой, тем самым обеспечивая простой способ отличить присутствие или отсутствие клонированного продукта в плазмиде. В исследованиях хромосомных транслокаций лейкемии, Dobson и др. Использовали слитый белок LacZ у мышей [20], используя склонность β-галактозидазы к олигомеризации, чтобы предположить потенциальную роль олигомеризации в функции слитого белка MLL. [21]

Новая изоформа бета-галактозидазы с оптимальной активностью при pH 6,0 (связанная со старением бета-гал или SA-бета-гал ) [22], которая специфически выражается в старении (необратимой остановке роста клеток). Для его обнаружения даже были разработаны специальные количественные анализы. [23] [24] [25] Однако теперь известно, что это происходит из-за сверхэкспрессии и накопления лизосомальной эндогенной бета-галактозидазы [26], и ее экспрессия не требуется для старения. Тем не менее, он остается наиболее широко используемым биомаркером стареющих и стареющих клеток, поскольку он надежен и легко обнаруживается.

Эволюция [ править ]

Некоторые виды бактерий, в том числе E. coli , имеют дополнительные гены β-галактозидазы. Второй ген, называемый геном развитой β-галактозидазы ( ebgA ), был обнаружен, когда штаммы с удаленным геном lacZ (но все еще содержащие ген галактозидпермеазы, lacY ) были посеяны на среде, содержащей лактозу (или другие 3-галактозиды) в качестве единственного источник углерода. Через некоторое время некоторые колонии начали расти. Однако белок EbgA является неэффективной лактазой и не позволяет расти на лактозе. Два класса точечных мутаций резко улучшают активность фермента ebg по отношению к лактозе. [27] [28], и в результате мутантный фермент способен заменять lacZ β-галактозидазу. [29] EbgA и LacZ идентичны на 50% на уровне ДНК и на 33% на уровне аминокислот. [30] Активный фермент ebg представляет собой совокупность продуктов ebgA-гена и ebgC-гена в соотношении 1: 1, причем активная форма ферментов ebg представляет собой гетерооктамер α 4 β4. [31]

Распространение видов [ править ]

Большая часть работы, проделанной с β-галактозидазой, была получена из E. coli. Однако β-гал может быть обнаружен во многих растениях (особенно фруктах), млекопитающих, дрожжах, бактериях и грибах. [32] Гены β-галактозидазы могут различаться по длине кодирующей последовательности и по длине белков, образованных аминокислотами. [33] Это разделяет β-галактозидазы на четыре семейства: GHF-1, GHF-2, GHF-35 и GHF- 42. [34] E. Coli принадлежит к GHF-2, все растения принадлежат к GHF-35, и Thermus thermophilus принадлежит к GHF-42. [34] [33]Различные фрукты могут экспрессировать несколько генов β-gal. В развитии плодов томатов экспрессируется по крайней мере 7 генов β-gal, аминокислотное сходство которых составляет от 33% до 79%. [35] Исследование, направленное на определение размягчения плодов персиков, обнаружило 17 различных экспрессий генов β-галактозидазы. [33] Единственная другая известная кристаллическая структура β-гал получена от Thermus thermophilus . [34]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Иллюстрированный медицинский словарь Дорланда . Архивировано из оригинала на 2006-10-16 . Проверено 22 октября 2006 .
  2. ^ «Классификация ферментов» . www.qmul.ac.uk . Проверено 19 октября 2020 .
  3. ^ a b c «Гликозидгидролаза, семейство 1, бета-глюкозидаза (IPR017736) <InterPro <EMBL-EBI» . www.ebi.ac.uk . Проверено 11 декабря 2015 .
  4. Перейти ↑ Garrett R (2013). Биохимия . Бельмонт, Калифорния: Cengage Learning. п. 1001. ISBN. 978-1133106296.
  5. ^ a b c d Juers DH, Hakda S, Matthews BW, Huber RE (ноябрь 2003 г.). «Структурная основа измененной активности вариантов Gly794 бета-галактозидазы Escherichia coli». Биохимия . 42 (46): 13505–11. DOI : 10.1021 / bi035506j . PMID 14621996 . 
  6. ^ Камель Z, Mohamed Н.М., Фарахат MG. «Оптимизация условий культивирования для производства B-галактозидазы бациллой megaterium NM56, выделенной из сырого молока» (PDF) . Научно-исследовательский журнал фармацевтических, биологических и химических наук . 7 (1): 366–376.
  7. ^ Салехи S, Экли L, Sawyer GJ, Zhang X, Dong X, Freund JN, Фабр JW (январь 2009). «Кишечная лактаза как аутологичный репортерный ген бета-галактозидазы для исследований экспрессии генов in vivo». Генная терапия человека . 20 (1): 21–30. DOI : 10.1089 / hum.2008.101 . PMID 20377368 . 
  8. ^ Ишикав К, Катаок М, Yanamoto Т, Nakabayashi М, М Ватанаба, Исихар S, S Yamaguchi (июль 2015). «Кристаллическая структура β-галактозидазы из Bacillus circans ATCC 31382 (BgaD) и построение термофильных мутантов» . Журнал FEBS . 282 (13): 2540–52. DOI : 10.1111 / febs.13298 . PMID 25879162 . S2CID 33928719 .  
  9. Перейти ↑ Kalnins A, Otto K, Rüther U, Müller-Hill B (1983). «Последовательность гена lacZ кишечной палочки» . Журнал EMBO . 2 (4): 593–7. DOI : 10.1002 / j.1460-2075.1983.tb01468.x . PMC 555066 . PMID 6313347 .  
  10. ^ a b Якобсон Р., Чжан XJ, Дюбоз РФ, Мэтьюз Б.В. (июнь 1994 г.). «Трехмерная структура бета-галактозидазы E. coli». Природа . 369 (6483): 761–6. Bibcode : 1994Natur.369..761J . DOI : 10.1038 / 369761a0 . PMID 8008071 . S2CID 4241867 .  
  11. ^ Matthews BW (июнь 2005). «Структура бета-галактозидазы E. coli». Comptes Rendus Biologies . 328 (6): 549–56. DOI : 10.1016 / j.crvi.2005.03.006 . PMID 15950161 . 
  12. ^ Juers DH, Matthews BW, Huber RE (декабрь 2012). «LacZ β-галактозидаза: структура и функция фермента, имеющего историческое и молекулярно-биологическое значение» . Белковая наука . 21 (12): 1792–807. DOI : 10.1002 / pro.2165 . PMC 3575911 . PMID 23011886 .  
  13. ^ Геблер JC, Aebersold R, Холка SG (июнь 1992). «Glu-537, а не Glu-461, является нуклеофилом в активном центре (lac Z) бета-галактозидазы из Escherichia coli» . Журнал биологической химии . 267 (16): 11126–30. PMID 1350782 . 
  14. Перейти ↑ Yuan J, Martinez-Bilbao M, Huber RE (апрель 1994). «Замены на Glu-537 бета-галактозидазы из Escherichia coli вызывают значительное снижение каталитической активности» . Биохимический журнал . 299 (Pt 2): 527–31. DOI : 10.1042 / bj2990527 . PMC 1138303 . PMID 7909660 .  
  15. ^ Маккартер JD, Burgoyne DL, мяо S, Чжан S, Каллахан JW, Холка SG (январь 1997). «Идентификация Glu-268 как каталитического нуклеофила лизосомального предшественника бета-галактозидазы человека с помощью масс-спектрометрии» (PDF) . Журнал биологической химии . 272 (1): 396–400. DOI : 10.1074 / jbc.272.1.396 . PMID 8995274 . S2CID 35101194 .   
  16. ^ Ninfa AJ, Балл DP (2009). Фундаментальные лабораторные подходы к биохимии и биотехнологии . ISBN 978-0-470-47131-9.
  17. ^ Гэри RK, Кинделл SM (август 2005). «Количественный анализ связанной со старением активности бета-галактозидазы в экстрактах клеток млекопитающих». Аналитическая биохимия . 343 (2): 329–34. DOI : 10.1016 / j.ab.2005.06.003 . PMID 16004951 . 
  18. ^ Камель Z, Mohamed Н.М., Фарахат MG (2016). «Оптимизация условий культивирования для продукции B-галактозидазы Bacillus Megaterium NM56, выделенной из сырого молока» (PDF) . Научно-исследовательский журнал фармацевтических, биологических и химических наук . 7 (1): 366–376. CS1 maint: дата и год ( ссылка )
  19. ^ Анализ бета-галактозидазы (лучший Миллер) - OpenWetWare
  20. ^ Добсон CL, Уоррен AJ, Pannell R, Forster A, Rabbitts TH (март 2000). «Онкогенез у мышей со слиянием онкогена лейкемии Mll и бактериального гена lacZ» . Журнал EMBO . 19 (5): 843–51. DOI : 10.1093 / emboj / 19.5.843 . PMC 305624 . PMID 10698926 .  
  21. ^ Кривцов А.В., Армстронг С.А. (ноябрь 2007 г.). «Транслокации MLL, модификации гистонов и развитие стволовых клеток лейкемии». Обзоры природы. Рак . 7 (11): 823–33. DOI : 10.1038 / nrc2253 . PMID 17957188 . S2CID 9183717 .  
  22. ^ Dimri GP, Ли X, Базиль G, Акоста M, Скотт G, Роскелли C и др. (Сентябрь 1995 г.). «Биомаркер, который идентифицирует стареющие клетки человека в культуре и в стареющей коже in vivo» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 92 (20): 9363–7. Bibcode : 1995PNAS ... 92.9363D . DOI : 10.1073 / pnas.92.20.9363 . PMC 40985 . PMID 7568133 .  
  23. ^ Bassaneze V, Миякав А.А., Кригер JE (январь 2008). «Количественный хемилюминесцентный метод изучения репликативного и стресс-индуцированного преждевременного старения в клеточных культурах». Аналитическая биохимия . 372 (2): 198–203. DOI : 10.1016 / j.ab.2007.08.016 . PMID 17920029 . 
  24. ^ Гэри RK, Кинделл SM (август 2005). «Количественный анализ связанной со старением активности бета-галактозидазы в экстрактах клеток млекопитающих». Аналитическая биохимия . 343 (2): 329–34. DOI : 10.1016 / j.ab.2005.06.003 . PMID 16004951 . 
  25. ^ Itahana K, Campisi J, Dimri GP (2007). Методы обнаружения биомаркеров клеточного старения: анализ бета-галактозидазы, связанной со старением . Методы молекулярной биологии. 371 . С.  21–31 . DOI : 10.1007 / 978-1-59745-361-5_3 . ISBN 978-1-58829-658-0. PMID  17634571 .
  26. ^ Lee BY, Хан JA, Im JS, Morrone A, Johung K, Goodwin EC и др. (Апрель 2006 г.). «Связанная со старением бета-галактозидаза - это лизосомальная бета-галактозидаза». Ячейка старения . 5 (2): 187–95. DOI : 10.1111 / j.1474-9726.2006.00199.x . ЛВП : 2158/216175 . PMID 16626397 . S2CID 82432911 .  
  27. ↑ Hall BG (январь 1977 г.). «Количество мутаций, необходимых для развития новой функции лактазы у Escherichia coli» . Журнал бактериологии . 129 (1): 540–3. DOI : 10.1128 / JB.129.1.540-543.1977 . PMC 234956 . PMID 318653 .  
  28. Перейти ↑ Hall BG (июль 1981). «Изменения в субстратной специфичности фермента при направленной эволюции новых функций». Биохимия . 20 (14): 4042–9. DOI : 10.1021 / bi00517a015 . PMID 6793063 . 
  29. Перейти ↑ Hall BG (октябрь 1976 г.). «Экспериментальная эволюция новой ферментативной функции. Кинетический анализ предковых (ebg) и эволюционировавших (ebg) ферментов». Журнал молекулярной биологии . 107 (1): 71–84. DOI : 10.1016 / s0022-2836 (76) 80018-6 . PMID 794482 . 
  30. ^ Стокса HW, Беттс PW, Зал BG (ноябрь 1985). «Последовательность гена ebgA Escherichia coli: сравнение с геном lacZ» . Молекулярная биология и эволюция . 2 (6): 469–77. DOI : 10.1093 / oxfordjournals.molbev.a040372 . PMID 3939707 . 
  31. ^ Эллиотт AC, KS, Sinnott ML, Smith PJ, Bommuswamy J, Guo Z, et al. (Февраль 1992 г.). «Каталитические последствия экспериментальной эволюции. Исследования субъединичной структуры второй (ebg) бета-галактозидазы Escherichia coli и катализа ebgab, экспериментального эволюционирующего агента, содержащего две аминокислотные замены» . Биохимический журнал . 282 (Pt 1) (1): 155–64. DOI : 10.1042 / bj2820155 . PMC 1130902 . PMID 1540130 .  
  32. Перейти ↑ Richmond ML, Gray JI, Stine CM (1981). «Бета-галактозидаза: обзор последних исследований, связанных с технологическим применением, проблемами питания и иммобилизацией» . Журнал молочной науки . 64 (9): 1759–1771. DOI : 10.3168 / jds.s0022-0302 (81) 82764-6 . ISSN 0022-0302 . 
  33. ^ а б в Го С, Сун Дж, Чжан Б., Цзян Х, Ма Р, Ю М (2018). «Полногеномная идентификация и анализ экспрессии членов семейства бета-галактозидазы во время размягчения плодов персика [Prunus persica (L.) Batsch]». Послеуборочная биология и технология . 136 : 111–123. DOI : 10.1016 / j.postharvbio.2017.10.005 .
  34. ^ a b c Рохас А.Л., Нагем Р.А., Неустроев К.Н., Аранд М., Адамская М., Енейская Е.В. и др. (Ноябрь 2004 г.). «Кристаллические структуры бета-галактозидазы из Penicillium sp. И ее комплекса с галактозой». Журнал молекулярной биологии . 343 (5): 1281–92. DOI : 10.1016 / j.jmb.2004.09.012 . PMID 15491613 . 
  35. ↑ Smith DL, Gross KC (июль 2000 г.). «Семейство по крайней мере из семи генов бета-галактозидазы экспрессируется во время развития плодов томата» . Физиология растений . 123 (3): 1173–83. DOI : 10.1104 / pp.123.3.1173 . PMC 59080 . PMID 10889266 .  

Внешние ссылки [ править ]

  • бета-галактозидаза в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)