Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Глутамат рацемаза
Идентификаторы
ЕС нет.5.1.1.3
№ CAS9024-08-2
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

В энзимологии, глютамат рацемаза ( MURI с капиталом я ) ( EC 5.1.1.3 ) является ферментом , который катализирует в химическую реакцию

L-глутамат D-глутамат

Следовательно, этот фермент RacE имеет один субстрат , L-глутамат , и один продукт , D-глутамат.

Этот фермент принадлежит к семейству изомераз , в частности к тем рацемазам и эпимеразам, которые действуют на аминокислоты и производные, включая пролинрацемазу, аспартатрацемазу и диаминопимелатэпимеразу. [1] Этот фермент участвует в метаболизме глутамата, который необходим для биосинтеза клеточной стенки у бактерий. [2] Глутаматрацемаза выполняет дополнительную функцию ингибирования гиразы , предотвращая связывание гиразы с ДНК. [3]

Глутаматрацемаза (MurI) выполняет две различные метаболические функции: в первую очередь, это критический фермент в биосинтезе клеточной стенки [2], но также играет роль в ингибировании гиразы . [3] Способность глутаматрацемазы и других белков выполнять две различные функции известна как « подработка ».

Лунный фон [ править ]

Основная статья: белковые подработки

До открытия подрабатывающих белков ученые обычно считали, что фермент выполняет только одну функцию, что привело к концепции «один ген, один фермент». Однако эта концепция больше не применяется в науке после открытия, что некоторые белки имеют как основные, так и второстепенные функции. Это привело к многочисленным исследованиям, в которых пытались связать эти две функции друг с другом. Второстепенные функции этих уникальных ферментов называются функциями подработки, в которых белок может иметь второстепенные функции, не зависящие от основной функции. Эти две функции подрабатывающего белка находятся в одной полипептидной цепи.. Многофункциональные белки не включаются из-за слияния генов, семейств гомологичных белков, вариантов сплайсинга или беспорядочной активности ферментов. Фермент глутаматрацемаза (MurI) является примером подрабатывающего белка, функционирующего как в биосинтезе бактериальной клеточной стенки, так и в ингибировании гиразы.

Структура [ править ]

Размер MurI составляет примерно 35 Å × 40 Å × 45 Å и состоит из двух компактных доменов α / β-структуры . [1] [4] Поскольку активный сайт находится между двумя доменами, N-концевой домен содержит остатки 1-97 и 207-264, а C-концевой домен включает остатки 98-206. [1] Это позволяет ферменту производить L-изомер из D-глутамата. Кроме того, N-домен состоит из пятицепочечных β-листов по сравнению с четырехцепочечными β-листами C-домена. [1] Эти структурные характеристики не идентичны для MurI разных видов; S. pyogenes и B. subtilisна самом деле обладают наиболее сходными по структуре ферментами MurI, которые когда-либо были обнаружены. Также нередко можно встретить MurI в виде димера .

Активный сайт, поскольку он равномерно расположен между N-доменом и C-доменом, также находится между двумя остатками цистеина. Он доступен для растворителей, так как несколько молекул воды, таких как W1, находятся в активном центре. У некоторых видов активный центр также включает в себя ионы сульфата , которые образуют водородные связи на амидной основной цепи и боковых цепях . [1] [5]

Функция [ править ]

Синтез бактериальной стенки [ править ]

Глутамат рацемаза
Идентификаторы
Организмкишечная палочка
Условное обозначениеМУРИ
Entrez948467
RefSeq (Prot)NP_418402
UniProtP22634
Прочие данные
Номер ЕС5.1.1.3
Хромосомагеном: 4.16 - 4.16 Мб
Искать
СтруктурыШвейцарская модель
ДоменыИнтерПро

Глутамат рацемаз является бактериальным ферментом , который кодируется MURI геном . Этот фермент чаще всего известен как ответственный за синтез стенок бактериальных клеток. Путем экспериментов было обнаружено, что этот фермент способен создавать эти клеточные стенки путем синтеза D-глутамата из L-глутамата посредством рацемизации . [4] D-глутамат является мономером пептидогликанового слоя в стенках прокариотических клеток. Пептидогликан - важный структурный компонент клеточной стенки бактерий. Слой пептидогликана также отвечает за жесткость клеточной стенки. [6]Этот процесс, в котором MurI помогает катализировать взаимное превращение энантиомеров глутамата, таких как L-глутамат, в основной D-глутамат, также не зависит от кофактора. По существу, он может протекать без необходимости в дополнительном источнике, который мог бы связываться с аллостерическим сайтом, изменяя форму фермента, чтобы способствовать катализу реакции. [7] Murl включает двухэтапный процесс катализации энантиомеров глутамата до D-глутамата. Первый шаг - это депротонирование субстрата с образованием аниона. [7]Впоследствии субстрат повторно протонируется. Как только глутамат оказывается в активном центре фермента, он претерпевает очень большие конформационные изменения своих доменов. Это изменение помогает наложить два каталитических остатка цистеина, Cys73 и Cys184, расположенные по обе стороны от субстрата в равных положениях. Те домены, упомянутые ранее, являются симметричными, и эта симметрия предполагает, что эта рацемазная активность белка могла возникнуть в результате дупликации гена. [5] Из-за этой основной функции биосинтеза клеточных стенок бактерий MurI был выбран в качестве антибактериального средства при открытии новых лекарств. [8]

Подавление гиразы [ править ]

Наряду со своей основной функцией биосинтеза клеточной стенки, подрабатывающая протеин-глутамат рацемаза также независимо действует как ингибитор гиразы. [2] Присутствующий в некоторых формах бактерий, MurI снижает активность ДНК-гиразы, предотвращая связывание гиразы с ДНК. [2] Когда гираза связывается с ДНК, фермент снижает натяжение цепей ДНК по мере их разматывания и вызывает сверхспирализацию цепей. [9] Это критический шаг в репликации ДНК в этих клетках, что приводит к размножению бактериальных клеток. [10]Присутствие в этом процессе глутаматрацемазы препятствует эффективному связыванию гиразы с ДНК за счет деформации формы активного центра фермента. По сути, это не позволяет гиразе катализировать реакцию, которая скручивает спирали цепей ДНК. [10]

Эта функция MurI была обнаружена экспериментально. ДНК-гиразу инкубировали с ферментом MurI, а затем добавляли к образцу ДНК; результаты этого эксперимента показали ингибирование активности суперспирализации в присутствии MurI. [2] Функция биосинтеза клеточной стенки MurI не связана напрямую с его функцией подработки. Способность MurI ингибировать связывание гиразы может происходить независимо от его основной функции. [2] Это означает, что ДНК-гираза, в свою очередь, не будет иметь никакого эффекта на рацемизацию MurI, что было подтверждено в исследовании рацемизации с присутствием ДНК-гиразы и без нее. [2]В ходе экспериментального анализа было определено, что MurI использует два разных ферментативных активных центра для выполнения двух своих функций. Это было показано включением субстрата рацемазы L-глутамата в анализ с выделенным сайтом ингибирования гиразы. Ингибирование гиразы происходит как при суперспиральной, так и при релаксирующей активности ДНК-гиразы, и исследование пришло к выводу, что ингибирующая активность может продолжаться без изменений в присутствии рацемазного субстрата. [10] Это означает, что эти две функции могут выполняться независимо друг от друга, на неперекрывающихся сайтах, что делает MurI настоящим подрабатывающим белком. [2]Мутантные формы MurI, которые не способны проявлять свою рацемазную функцию, независимо от того, насколько скомпрометированы их рацемазные способности, все же было доказано в ходе исследования, что они способны выполнять ингибирование ДНК-гиразы, с сопоставимыми результатами с немутантной формой MurI. [10]

Связь между основными и подработающими функциями [ править ]

Глутаматрацемаза (MurI) выполняет множество функций для бактериальных клеток. MurI - это фермент, который в первую очередь известен своей ролью в синтезе стенок бактериальных клеток. Выполняя функцию синтеза клеточной стенки, MurI также действует как ингибитор гиразы, предотвращая связывание гиразы с ДНК. Было показано, что эти два процесса не связаны между собой. [2] Чтобы установить влияние ингибирования гиразы на синтез клеточной стенки, была измерена эффективность превращения D-глутамата в L-глутамат при изменении концентрации ДНК-гиразы. Напротив, влияние продукции клеточной стенки на ингибирование гиразы было обнаружено путем варьирования концентрации субстрата рацемизации. [2] Результаты этих экспериментов показывают, что нет значительного эффекта рацемизации на ингибирование гиразы или наоборот. [2] Две функции MurI действуют независимо друг от друга, подтверждая тот факт, что MurI является подрабатывающим белком.

Связь с активным сайтом [ править ]

Кристаллографическая структура глутаматрацемазы из бактерий S. pyogenes (рисунок цвета радуги, N-конец = синий, C-конец = красный) в комплексе с ингибитором гамма-2-нафтилметил-D-глутаматом (пурпурные сферы ; углерод = белый, кислород = красный, азот = синий), который занимает активный сайт. [11]

Известно, что глутаматрацемаза использует свой активный центр для рацемизации и участия в пути биосинтеза клеточной стенки бактерий. [2] Основываясь на гомологии с другими рацемазами и эпимеразами, считается, что глутаматрацемаза использует два остатка цистеина в активном центре в качестве кислотно-основных катализаторов. [7] Неожиданно, однако, замена любого из двух остатков серином существенно не изменила скорость реакции; значение k cat оставалось в пределах от 0,3% до 3% по сравнению с ферментом дикого типа . [7]Судя по предыдущим исследованиям, наиболее вероятно, что активный сайт MurI, который выполняет рацемизацию, не совпадает с активным сайтом, который подвергается ингибированию гиразы. Чтобы установить влияние ингибирования гиразы на синтез клеточной стенки, измеряли эффективность превращения D-глутамата в L-глутамат при варьировании концентрации ДНК-гиразы. Напротив, влияние продукции клеточной стенки на ингибирование гиразы было обнаружено путем варьирования концентрации субстрата рацемизации. Было показано, что эти две функции нейтральны друг к другу. [2] Другими словами, субстраты рацемизации нейтральны по отношению к ингибированию гиразы, а ДНК-гираза не влияет на рацемизацию. Это объясняет, как глутаматрацемаза у некоторых бактерий, таких как Glr из B. subtilis, не подавляют гиразу; [12], если один активный сайт задействован в обеих функциях, эта независимость будет невозможна. Следовательно, другой сайт MurI, удаленный от его активного сайта, участвует во взаимодействии с гиразой. [2]

Регулирование ферментов [ править ]

Этот белок может использовать морфеиновую модель аллостерической регуляции . [13]

Заявление [ править ]

Глутаматрацемаза стала потенциальной антибактериальной мишенью, поскольку продукт этого фермента, D-глутамат, является важным компонентом бактериальных стенок. Ингибирование фермента предотвратит образование бактериальной стенки и в конечном итоге приведет к лизису бактериальной клетки под действием осмотического давления. Кроме того, глутаматрацемаза не экспрессируется и не является продуктом этого фермента, D-глутамат обычно обнаруживается у млекопитающих, поэтому ингибирование этого фермента не должно приводить к токсичности для организма-хозяина млекопитающего. [5] Возможные ингибиторы MurI включают азиридиноглутамат, который алкилирует каталитические цистеины; N-гидроксиглутамат, который, имитируя Wat2 (молекула связанной воды, которая взаимодействует с аминогруппой глутамата), предотвращает связывание субстрата; [5]или 4-замещенные аналоги D-глутаминовой кислоты, содержащие арил-, гетероарил-, циннамил- или биарилметильные заместители, которые также могут препятствовать связыванию субстрата. [5]

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b c d e Ким К. Х., Бонг Й.Дж., Пак Дж. К., Шин К.Дж., Хван К.Й., Ким Э. (сентябрь 2007 г.). «Структурная основа ингибирования глутаматрацемазы». J. Mol. Биол . 372 (2): 434–43. DOI : 10.1016 / j.jmb.2007.05.003 . PMID  17658548 .
  2. ^ Б с д е е г ч я J к л м н Сенгупта S, S Гош, Нагараджа В (сентябрь 2008 г.). «Подработка глутаматрацемазы из Mycobacterium tuberculosis: рацемизация и ингибирование ДНК-гиразы - два независимых действия фермента» . Микробиология . 154 (Pt 9): 2796–803. DOI : 10.1099 / mic.0.2008 / 020933-0 . PMID 18757813 . 
  3. ^ a b Рис RJ, Максвелл A (1991). «ДНК-гираза: структура и функции». Крит. Rev. Biochem. Мол. Биол . 26 (3–4): 335–75. DOI : 10.3109 / 10409239109114072 . PMID 1657531 . 
  4. ^ a b Hwang KY, Cho CS, Kim SS, Sung HC, Yu YG, Cho Y (май 1999). «Структура и механизм глутамат рацемазы из Aquifex pyrophilus». Nat. Struct. Биол . 6 (5): 422–6. DOI : 10,1038 / 8223 . PMID 10331867 . 
  5. ^ a b c d e Ружейников С.Н., Таал М.А., Седельникова С.Е., Бейкер П.Дж., Райс Д.В. (ноябрь 2005 г.). «Субстрат-индуцированные конформационные изменения в глутаматрацемазе Bacillus subtilis и их значение для открытия лекарств». Структура . 13 (11): 1707–13. DOI : 10.1016 / j.str.2005.07.024 . PMID 16271894 . 
  6. ^ Шлейфер KH, Kandler O (декабрь 1972 г.). «Типы пептидогликанов клеточных стенок бактерий и их таксономическое значение» . Bacteriol Ред . 36 (4): 407–77. DOI : 10.1128 / MMBR.36.4.407-477.1972 . PMC 408328 . PMID 4568761 .  
  7. ^ a b c d Glavas S, Tanner ME (май 2001 г.). «Остатки активного сайта глутамат рацемазы». Биохимия . 40 (21): 6199–204. DOI : 10.1021 / bi002703z . PMID 11371180 . 
  8. ↑ Lundqvist T, Fisher SL, Kern G, Folmer RH, Xue Y, Newton DT, Keating TA, Alm RA, de Jonge BL (июнь 2007 г.). «Использование структурного и регуляторного разнообразия в глутамат рацемазах». Природа . 447 (7146): 817–22. DOI : 10,1038 / природа05689 . PMID 17568739 . 
  9. ^ Сенгупта С, Шах М, Нагараджа В (2006). «Глутаматрацемаза из Mycobacterium tuberculosis ингибирует ДНК-гиразу, влияя на ее связывание с ДНК» . Nucleic Acids Res . 34 (19): 5567–76. DOI : 10.1093 / NAR / gkl704 . PMC 1635304 . PMID 17020913 .  
  10. ^ а б в г Сенгупта С., Нагараджа V (февраль 2008 г.). «Ингибирование активности ДНК-гиразы Mycobacterium smegmatis MurI» . FEMS Microbiol. Lett . 279 (1): 40–7. DOI : 10.1111 / j.1574-6968.2007.01005.x . PMID 18177305 . 
  11. ^ PDB : 2OHV ; Ким К. Х., Бонг Й. Дж., Пак Дж. К., Шин К. Дж., Хван К. Ю., Ким Е. Е. (сентябрь 2007 г.). «Структурная основа ингибирования глутаматрацемазы». J. Mol. Биол . 372 (2): 434–43. DOI : 10.1016 / j.jmb.2007.05.003 . PMID 17658548 . 
  12. ^ Ashiuchi M, Kuwana E, K Komatsu, Сода K, Misono H (июнь 2003). «Различия во влиянии на активность ДНК-гиразы между двумя глутаматрацемазами Bacillus subtilis, ферментом Glr, связывающим синтез поли-гамма-глутамата, и изоферментом YrpC (MurI)» . FEMS Microbiol. Lett . 223 (2): 221–5. DOI : 10.1016 / s0378-1097 (03) 00381-1 . PMID 12829290 . 
  13. ^ Т. Селвуд; EK Jaffe. (2011). «Динамические диссоциирующие гомоолигомеры и контроль функции белка» . Arch. Биохим. Биофиз . 519 (2): 131–43. DOI : 10.1016 / j.abb.2011.11.020 . PMC 3298769 . PMID 22182754 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Глейзер L (1960). «Рацемаза глутаминовой кислоты из Lactobacillus arabinosus». J. Biol. Chem . 235 : 2095–8. PMID  13828348 .