Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Альфа- амилаза поджелудочной железы 1HNY, гликозидгидролаза

Гликозид гидролазы (также называемые гликозидазы или гликозилгидролаз ) катализируют на гидролиз из гликозидных связей в сложных сахаров . [1] [2] Это чрезвычайно распространенные ферменты, играющие роль в природе, включая разложение биомассы, такой как целлюлоза ( целлюлаза ), гемицеллюлоза и крахмал ( амилаза ), в стратегиях антибактериальной защиты (например, лизоцим ), в механизмах патогенеза ( например, вирусныйнейраминидазы ) и нормальной клеточной функции (например, сокращение маннозидаз, участвующих в биосинтезе N-связанных гликопротеинов ). Вместе с гликозилтрансферазами гликозидазы образуют основной каталитический аппарат для синтеза и разрыва гликозидных связей.

Гликозид гидролаза mech.svg

Возникновение и важность [ править ]

Гликозидгидролазы встречаются практически во всех сферах жизни. У прокариот они обнаруживаются как внутриклеточные, так и внеклеточные ферменты, которые в значительной степени участвуют в усвоении питательных веществ. Одним из важных проявлений гликозидгидролаз у бактерий является фермент бета-галактозидаза (LacZ), который участвует в регуляции экспрессии lac- оперона в E. coli . У высших организмов гликозидгидролазы находятся в эндоплазматическом ретикулуме и аппарате Гольджи, где они участвуют в процессинге N-связанных гликопротеинов , а также в лизосомах.как ферменты, участвующие в деградации углеводных структур. Дефицит конкретных лизосомальных гликозидгидролаз может привести к ряду лизосомных нарушений накопления, которые приводят к проблемам развития или смерти. Гликозидгидролазы обнаруживаются в кишечном тракте и в слюне, где они разлагают сложные углеводы, такие как лактоза , крахмал , сахароза и трегалоза . В кишечнике они обнаруживаются в виде заякоренных ферментов гликозилфосфатидила на эндотелиальных клетках . Фермент лактазанеобходим для разложения лактозы молочного сахара и присутствует в больших количествах у младенцев, но в большинстве популяций будет снижаться после отлучения от груди или в младенчестве, что может привести к непереносимости лактозы во взрослом возрасте. Фермент O-GlcNAcase участвует в удалении N-ацетилглюкозаминовых групп из остатков серина и треонина в цитоплазме и ядре клетки. Гликозидгидролазы участвуют в биосинтезе и расщеплении гликогена в организме.

Классификация [ править ]

Основная статья: Список семейств гликозидгидролаз

Гликозидгидролазы классифицируются в EC 3.2.1 как ферменты, катализирующие гидролиз O- или S-гликозидов. Гликозидгидролазы также можно классифицировать в соответствии со стереохимическим исходом реакции гидролиза: таким образом, они могут быть классифицированы как удерживающие или инвертирующие ферменты. [3] Гликозидгидролазы можно также классифицировать как экзо- или эндо-действующие, в зависимости от того, действуют ли они на (обычно невосстанавливающем) конце или в середине олиго / полисахаридной цепи соответственно. Гликозидгидролазы также можно классифицировать методами, основанными на последовательности или структуре. [4]

Классификация на основе последовательности [ править ]

Классификации на основе последовательностей являются одними из самых мощных методов прогнозирования для предположения функции для вновь секвенированных ферментов, функция которых не была продемонстрирована биохимически. Система классификации гликозилгидролаз, основанная на сходстве последовательностей, привела к определению более 100 различных семейств. [5] [6] [7] Эта классификация доступна на веб-сайте CAZy (CArbohydrate-Active EnZymes). [4] [8] База данных предоставляет серию регулярно обновляемой классификации на основе последовательностей, которая позволяет надежно предсказывать механизм (сохранение / инвертирование), остатки активного сайта и возможные субстраты. Онлайн-база данных поддерживается CAZypedia, онлайн-энциклопедией углеводно-активных ферментов. [9]Основываясь на трехмерном структурном сходстве, основанные на последовательностях семьи были разделены на «кланы» родственной структуры. Недавний прогресс в анализе последовательностей гликозидаз и сравнении трехмерных структур позволил предложить расширенную иерархическую классификацию гликозидгидролаз. [10] [11]

Механизмы [ править ]

Обращение гликозидгидролаз [ править ]

Инвертирующие ферменты используют два ферментных остатка, обычно карбоксилатные остатки, которые действуют как кислота и основание соответственно, как показано ниже для β-глюкозидазы :

Удерживающие гликозидгидролазы [ править ]

Удерживающие гликозидазы действуют по двухступенчатому механизму, каждый этап которого приводит к инверсии , для чистого сохранения стереохимии. Опять же, задействованы два остатка, которые обычно представляют собой ферментативные карбоксилаты . Один действует как нуклеофил, а другой как кислота / основание. На первом этапе нуклеофил атакует аномерный центр, что приводит к образованию промежуточного гликозильного фермента с кислотной помощью, обеспечиваемой кислым карбоксилатом. На второй стадии теперь депротонированный кислый карбоксилат действует как основание и помогает нуклеофильной воде гидролизовать промежуточный гликозильный фермент, давая гидролизованный продукт. Механизм действия показан ниже для лизоцима куриного яичного белка .[12]

Возможен альтернативный механизм гидролиза с сохранением стереохимии, который протекает через нуклеофильный остаток, который связан с субстратом, а не прикрепляется к ферменту. Такие механизмы являются общими для определенных N-ацетилгексозаминидаз, которые имеют ацетамидную группу, способную участвовать в соседней группе с образованием промежуточного оксазолинового или оксазолиниевого иона. Этот механизм выполняется в два этапа: отдельные инверсии приводят к чистому сохранению конфигурации.

Вариант механизма участия соседних групп был описан для эндо-α-маннаназ, который включает участие 2-гидроксильных групп с образованием промежуточного эпоксида. Гидролиз эпоксида приводит к чистому сохранению конфигурации. [13]

Номенклатура и примеры [ править ]

Гликозидгидролазы обычно называют в честь субстрата, на который они действуют. Таким образом, глюкозидазы катализируют гидролиз глюкозидов, а ксиланазы катализируют расщепление гомополимера ксилана на основе ксилозы. Другие примеры включают лактазу , амилазу , хитиназу , сукразу , мальтазу , нейраминидазу , инвертазу , гиалуронидазу и лизоцим .

Использует [ редактировать ]

Прогнозируется, что гликозидгидролазы будут играть все более активную роль в качестве катализаторов в приложениях для биоочистки в биоэкономике будущего. [14] Эти ферменты имеют множество применений, включая разложение растительных материалов (например, целлюлазы для разложения целлюлозы до глюкозы, которые могут быть использованы для производства этанола ), в пищевой промышленности ( инвертаза для производства инвертного сахара, амилаза для производства мальтодекстрины), а также в целлюлозно-бумажной промышленности ( ксиланазыдля удаления гемицеллюлозы из бумажной массы). Целлюлазы добавляются в моющие средства для стирки хлопчатобумажных тканей и помогают поддерживать цвет, удаляя микроволокна, которые поднимаются с поверхности нитей во время носки.

В органической химии гликозидгидролазы могут использоваться в качестве синтетических катализаторов для образования гликозидных связей посредством обратного гидролиза (кинетический подход), когда положение равновесия меняется на противоположное; или трансгликозилированием (кинетический подход), при котором сохранение гликозидгидролаз может катализировать перенос гликозильной части от активированного гликозида к акцепторному спирту с получением нового гликозида.

Были разработаны мутантные гликозидгидролазы, называемые гликозинтазами , которые могут обеспечивать синтез гликозидов с высоким выходом из активированных гликозильных доноров, таких как гликозилфториды. Гликозинтазы обычно образуются из удержания гликозидгидролаз путем сайт-направленного мутагенеза ферментного нуклеофила в какую-либо другую менее нуклеофильную группу, такую ​​как аланин или глицин. Другая группа мутантных гликозидгидролаз, называемых тиогликолигазами, может быть образована сайт-направленным мутагенезом кислотно-основного остатка удерживающей гликозидгидролазы. Тиогликолигазы катализируют конденсацию активированных гликозидов и различных тиолсодержащих акцепторов.

Различные гликозидгидролазы продемонстрировали эффективность в разрушении полисахаридов матрикса во внеклеточном полимерном веществе (EPS) микробных биопленок . [15] С медицинской точки зрения биопленки предоставляют инфекционным микроорганизмам ряд преимуществ по сравнению с их планктонными свободно плавающими аналогами, включая значительно повышенную толерантность к антимикробным агентам и иммунной системе хозяина. Таким образом, разрушение биопленки может повысить эффективность антибиотика и усилить иммунную функцию хозяина и способность к заживлению. Например, было показано , что комбинация альфа-амилазы и целлюлазы разрушает полимикробные бактериальные биопленки как in vitro, так и in vivo.источников, и повысить эффективность антибиотиков против них. [16]

Ингибиторы [ править ]

Известно множество соединений, которые могут ингибировать действие гликозидгидролазы. Азотсодержащие, «сахарные-образную форму» гетероциклы были найдены в природе , в том числе deoxynojirimycin , swainsonine , australine и кастаноспермин . На основе этих природных матриц было разработано множество других ингибиторов, включая изофагомин и дезоксигалактоноджиримицин , а также различные ненасыщенные соединения, такие как PUGNAc. Ингибиторы, которые в клинической практике включают антидиабетические препараты акарбоза и миглитол , а также противовирусные препараты осельтамивир изанамивир . Было обнаружено, что некоторые белки действуют как ингибиторы гликозидгидролазы.

См. Также [ править ]

  • Мукополисахаридозы
  • Глюкозидаза
  • Лизоцим
  • Гликозилтрансфераза
  • Список семейств гликозидгидролаз
  • Кланы гликозидгидролаз
  • Иерархическая классификация гликозидгидролаз TIM-цилиндрического типа

Ссылки [ править ]

  1. ^ Борн, Ив; Хенриссат, Бернар (2001). «Гликозидгидролазы и гликозилтрансферазы: семейства и функциональные модули». Текущее мнение в структурной биологии . 11 (5): 593–600. DOI : 10.1016 / s0959-440x (00) 00253-0 . PMID  11785761 .
  2. ^ Хенриссат, Бернар; Дэвис, Гидеон (1997). «Структурная и последовательная классификация гликозидгидролаз». Текущее мнение в структурной биологии . 7 (5): 637–644. DOI : 10.1016 / s0959-440x (97) 80072-3 . PMID 9345621 . 
  3. ^ Sinnott, ML "Каталитические механизмы ферментативного переноса гликозила". Chem. Ред. 1990, 90 , 1171-1202. [ постоянная мертвая ссылка ]
  4. ^ a b Гликозидгидролаза семейства CAZy
  5. ^ Henrissat В, Каллебаут я, Mornon JP, Fabrega S, Lehn P, G Дэвис (1995). «Сохранение каталитического аппарата и предсказание общей складки для нескольких семейств гликозилгидролаз» . Proc. Natl. Акад. Sci. США . 92 (15): 7090–7094. DOI : 10.1073 / pnas.92.15.7090 . PMC 41477 . PMID 7624375 .  
  6. ^ Henrissat B, G Дэвис (1995). «Строения и механизмы гликозилгидролаз». Структура . 3 (9): 853–859. DOI : 10.1016 / S0969-2126 (01) 00220-9 . PMID 8535779 . 
  7. ^ Байрох, А. "Классификация семейств гликозилгидролаз и указатель записей гликозилгидролаз в SWISS-PROT". 1999 г.
  8. ^ Хенриссат, Б. и Коутиньо П.М. "Сервер углеводно-активных ферментов". 1999 г.
  9. ^ CAZypedia, онлайн-энциклопедия углеводно-активных ферментов.
  10. ^ Naumoff, DG (2006). «Разработка иерархической классификации гликозидгидролаз TIM-цилиндрического типа» (PDF) . Труды Пятой Международной конференции по биоинформатике регуляции и структуры генома . 1 : 294–298.
  11. ^ Naumoff, DG (2011). «Иерархическая классификация гликозидгидролаз». Биохимия (Москва) . 76 (6): 622–635. DOI : 10.1134 / S0006297911060022 . PMID 21639842 . 
  12. ^ Vocadlo DJ; Davies GJ; Laine R .; Холка С.Г. (2001). «Катализ лизоцимом куриного яичного белка протекает через ковалентный промежуточный продукт» (PDF) . Природа . 412 (6849): 835–8. DOI : 10.1038 / 35090602 . PMID 11518970 .  
  13. ^ Собала, Лукаш Ф .; Speciale, Gaetano; Чжу, Ша; Райх, Луис; Санникова Наталья; Томпсон, Эндрю Дж .; Хакки, Залихе; Лу, Дэн; Шамси Казем Абади, Саидех; Льюис, Эндрю Р .; Рохас-Червеллера, Виктор; Бернардо-Сейсдедос, Ганеко; Чжан, Юнминь; Милле, Оскар; Хименес-Барберо, Хесус; Беннет, Эндрю Дж .; Соллогуб, Матье; Ровира, Карме; Дэвис, Гидеон Дж .; Уильямс, Спенсер Дж. (16 апреля 2020 г.). «Промежуточный эпоксид в гликозидазном катализе» . АСУ Центральная Наука . DOI : 10.1021 / acscentsci.0c00111 .
  14. ^ Линарес-Пастен, JA; Андерссон, М; Нордберг Карлссон, Э (2014). «Термостабильные гликозидгидролазы в технологиях биопереработки» . Текущая биотехнология . 3 (1): 26–44. DOI : 10.2174 / 22115501113026660041 .
  15. ^ Флеминг, Дерек; Рамбо, Кендра П. (2017-04-01). «Подходы к диспергированию медицинских биопленок» . Микроорганизмы . 5 (2): 15. doi : 10.3390 / microorganisms5020015 . PMC 5488086 . PMID 28368320 .  
  16. ^ Флеминг, Дерек; Чахин, Лаура; Рамбо, Кендра (февраль 2017 г.). «Гликозидгидролазы разлагают полимикробные бактериальные биопленки в ранах» . Противомикробные препараты и химиотерапия . 61 (2): AAC.01998–16. DOI : 10,1128 / AAC.01998-16 . ISSN 1098-6596 . PMC 5278739 . PMID 27872074 .   

Внешние ссылки [ править ]

  • Cazypedia, онлайн-энциклопедия "CAZymes", углеводно-активных ферментов и связывающих белков, участвующих в синтезе и разложении сложных углеводов.
  • База данных углеводно-активных ферментов
  • Классификация ExPASy
  • Гликозид + гидролазы в медицинских предметных рубриках Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)