Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Люцифераза светлячка
Кристаллическая структура люциферазы светлячка.rsh.png
Структура люциферазы светлячков Photinus pyralis .
Идентификаторы
ОрганизмPhotinus pyralis
СимволN / A
PDB1LCI
UniProtP08659
Искать
СтруктурыШвейцарская модель
ДоменыИнтерПро
Люцифераза светлячка
Идентификаторы
ЕС нет.1.13.12.7
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

Светлячок люциферазы является светоизлучающие фермент , ответственный за биолюминесценции из светлячков и щелкунов . Фермент катализирует окисление в светлячка люциферин , что требует кислорода и АТФ . Из-за потребности в АТФ люциферазы светлячков широко используются в биотехнологии.

Механизм реакции [ править ]

Химическая реакция, катализируемая люциферазой светлячков, протекает в два этапа:

Свет возникает, потому что в результате реакции образуется оксилюциферин в электронно- возбужденном состоянии . Реакция высвобождает фотон света, когда оксилюциферин возвращается в основное состояние .

Люцифериладенилат может дополнительно участвовать в побочной реакции с О 2 с образованием перекиси водорода и дегидролюциферил-АМФ. Около 20% промежуточного люцифериладенилата окисляется по этому пути. [1]

Люцифераза светлячков генерирует свет из люциферина в многоступенчатом процессе. Во- первых, D-люциферин является adenylated по MgATP с образованием luciferyl аденилатциклазы и пирофосфат. После активации АТФ люцифериладенилат окисляется молекулярным кислородом с образованием диоксетанонового кольца. Декарбоксилирование реакция образуется возбужденное состояние оксилюциферина, который таутомеризовано между формой кето-енольной. В результате реакция излучает свет, когда оксилюциферин возвращается в основное состояние. [2]

Механизм люциферазы. [2]
Люцифераза имеет два режима ферментативной активности: биолюминесцентная активность и активность КоА-синтетазы. [3]

Бифункциональность [ править ]

Люциферазы могут функционировать в двух различных путях: биолюминесценции пути и КоА -ligase путь. [4] В обоих путях люцифераза первоначально катализирует реакцию аденилирования с помощью MgATP. Однако в пути КоА-лигазы КоА может замещать АМФ с образованием люциферил-КоА .

Жирная ацил-КоА-синтетаза аналогичным образом активирует жирные кислоты АТФ с последующим замещением АМФ КоА. Благодаря сходной активности люцифераза способна заменять жирную ацил-КоА синтетазу и превращать длинноцепочечные жирные кислоты в жирно-ацил-КоА для бета-окисления . [4]

Структура [ править ]

Белковая структура люциферазы светлячков состоит из двух компактных доменов : N-концевого домена и C-концевого домена. N-концевой домен состоит из двух β-листов в структуре αβαβα и β-ствола . Два β-листа укладываются друг на друга, при этом β-цилиндр закрывает конец листов. [2]

С-концевой домен соединен с N-концевым доменом гибким шарниром, который может разделять два домена. Эти аминокислотные последовательности на поверхности двух доменов , обращенных друг к другу, сохраняются в бактериальных и люциферазах светлячка, тем самым сильно предполагая , что активный центр расположен в щели между доменами. [5]

Во время реакции люцифераза претерпевает конформационные изменения и переходит в «закрытую» форму с двумя доменами, соединяющимися вместе, чтобы заключить субстрат. Это гарантирует, что вода исключена из реакции и не гидролизует АТФ или электронно-возбужденный продукт. [5]

Схема вторичной структуры люциферазы светлячков. Стрелки представляют β-нити, а кружки представляют α-спирали. Расположение каждого из субдоменов в последовательности люциферазы показано на нижней диаграмме. [5]

Спектральные различия в биолюминесценции [ править ]

Цвет биолюминесценции люциферазы светлячков может варьироваться от желто-зеленого (λ max = 550 нм) до красного (λ max = 620). [6] Есть в настоящее время несколько различных механизмов , описывающие , каким образом структура люциферазы влияет на спектр излучения от фотона и эффективно цвет света , излучаемого.

Один из механизмов предполагает, что цвет излучаемого света зависит от того, находится ли продукт в кето или енольной форме. Механизм предполагает, что красный свет излучается кето-формой оксилюциферина, а зеленый свет излучается енольной формой оксилюциферина. [7] [8] Однако 5,5-диметилоксилюциферин излучает зеленый свет, даже несмотря на то, что он ограничен до кето-формы, поскольку не может таутомеризоваться. [9]

Другой механизм предполагает, что поворот угла между бензотиазольным и тиазольным кольцами в оксилюциферине определяет цвет биолюминесценции. Это объяснение предполагает, что плоская форма с углом 0 ° между двумя кольцами соответствует более высокому энергетическому состоянию и излучает зеленый свет с более высокой энергией, тогда как угол 90 ° переводит структуру в более низкое энергетическое состояние и излучает более низкую энергию. -энергетический красный свет. [10]

Самое последнее объяснение цвета биолюминесценции исследует микросреду возбужденного оксилюциферина. Исследования показывают, что взаимодействия между продуктом возбужденного состояния и близлежащими остатками могут заставить оксилюциферин перейти в еще более высокую энергетическую форму, что приводит к излучению зеленого света. Например, Arg 218 имеет электростатические взаимодействия с другими близлежащими остатками, ограничивая таутомеризацию оксилюциферина до енольной формы. [11] Аналогичным образом, другие результаты показали, что микросреда люциферазы может заставить оксилюциферин образовывать более жесткую высокоэнергетическую структуру, заставляя его излучать высокоэнергетический зеленый свет. [12]

Регламент [ править ]

D-люциферин является субстратом для реакции биолюминесценции люциферазы светлячков, а L-люциферин является субстратом для активности люциферил-CoA синтетазы. Обе реакции ингибируются энантиомером субстрата: L-люциферин и D-люциферин ингибируют путь биолюминесценции и путь CoA-лигазы, соответственно. [3] Это показывает, что люцифераза может различать изомеры структуры люциферина.

L-люциферин способен излучать слабый свет, хотя он является конкурентным ингибитором D-люциферина и пути биолюминесценции. [13] Свет излучается, потому что путь синтеза КоА может быть преобразован в реакцию биолюминесценции путем гидролиза конечного продукта через эстеразу обратно до D-люциферина. [3]

Активность люциферазы дополнительно ингибируется оксилюциферином [14] и аллостерически активируется АТФ. Когда АТФ связывается с двумя аллостерическими участками фермента, сродство люциферазы к связыванию АТФ в ее активном центре увеличивается. [6]

См. Также [ править ]

  • Биолюминесцентная визуализация

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Fraga H, Fernandes D, Novotny J, Fontes R, Esteves da Silva JC (июнь 2006 г.). «Люцифераза светлячка производит перекись водорода в качестве побочного продукта при образовании дегидролюцифериладенилата». ChemBioChem . 7 (6): 929–35. DOI : 10.1002 / cbic.200500443 . PMID  16642538 . S2CID  33899357 .
  2. ^ a b c Болдуин ТО (март 1996 г.). «Люцифераза светлячков: структура известна, но загадка остается» . Структура . 4 (3): 223–28. DOI : 10.1016 / S0969-2126 (96) 00026-3 . PMID 8805542 . 
  3. ^ a b c Nakamura M, Maki S, Amano Y, Ohkita Y, Niwa K, Hirano T, Ohmiya Y, Niwa H (июнь 2005 г.). «Люцифераза светлячков проявляет бимодальное действие в зависимости от хиральности люциферина». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях . 331 (2): 471–75. DOI : 10.1016 / j.bbrc.2005.03.202 . PMID 15850783 . 
  4. ^ a b Оба Y, Ojika M, Inouye S (апрель 2003 г.). «Люцифераза светлячка - это бифункциональный фермент: АТФ-зависимая монооксигеназа и длинноцепочечная жирная ацил-КоА синтетаза». Письма FEBS . 540 (1–3): 251–54. DOI : 10.1016 / S0014-5793 (03) 00272-2 . PMID 12681517 . S2CID 12075190 .  
  5. ^ a b c Conti E, Franks NP, Brick P (март 1996 г.). «Кристаллическая структура люциферазы светлячков проливает свет на суперсемейство аденилат-образующих ферментов». Структура . 4 (3): 287–98. DOI : 10.1016 / S0969-2126 (96) 00033-0 . PMID 8805533 . 
  6. ^ a b Угарова Н.Н. (июль 1989 г.). «Люцифераза светлячков Luciola mingrelica. Кинетика и механизм регуляции». Журнал биолюминесценции и хемилюминесценции . 4 (1): 406–18. DOI : 10.1002 / bio.1170040155 . PMID 2801227 . 
  7. ↑ White EH, Rapaport E, Hopkins TA, Seliger HH (апрель 1969). «Хеми- и биолюминесценция люциферина светлячков». Журнал Американского химического общества . 91 (8): 2178–80. DOI : 10.1021 / ja01036a093 . PMID 5784183 . 
  8. ↑ Fraga H (февраль 2008 г.). «Люминесценция светлячков: историческая перспектива и недавние события». Фотохимические и фотобиологические науки . 7 (2): 146–58. DOI : 10.1039 / b719181b . PMID 18264582 . 
  9. ^ Branchini BR, Southworth TL, Murtiashaw MH, Magyar RA, Гонсалес SA, Руджеро MC, Стро JG (июнь 2004). «Альтернативный механизм определения цвета биолюминесценции люциферазы светлячков». Биохимия . 43 (23): 7255–62. DOI : 10.1021 / bi036175d . PMID 15182171 . 
  10. ^ McCapra F, Gilfoyle DJ, Young DW, и др. (1994). Биолюминесценция и хемилюминесценция: основы и приложения .
  11. ^ Накатани N, Hasegawa JY, Nakatsuji H (июль 2007). «Красный свет в хемилюминесценции и желто-зеленый свет в биолюминесценции: механизм настройки цвета светлячка Photinus pyralis, изученный с помощью метода взаимодействия кластера и конфигурации, адаптированного к симметрии». Журнал Американского химического общества . 129 (28): 8756–65. DOI : 10.1021 / ja0611691 . PMID 17585760 . 
  12. ^ Накамура М., Нива К., Маки С. и др. (Декабрь 2006 г.). «Построение новой системы биолюминесценции светлячков с использованием L-люциферина в качестве субстрата». Анальный. Биохим . 47 (1): 1197–1200. DOI : 10.1016 / j.tetlet.2005.12.033 .
  13. ^ Lembert N (июль 1996). «Люцифераза светлячков может использовать L-люциферин для получения света» . Биохимический журнал . 317 (Pt 1) (1): 273–77. DOI : 10.1042 / bj3170273 . PMC 1217473 . PMID 8694774 .  
  14. ↑ Ribeiro C, Esteves da Silva JC (сентябрь 2008 г.). «Кинетика ингибирования люциферазы светлячков оксилюциферином и дегидролюциферил-аденилатом». Фотохимические и фотобиологические науки . 7 (9): 1085–90. DOI : 10.1039 / b809935a . PMID 18754056 .