Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлен с гликозидгидролаз )
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.

Гликозидгидролаза 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 ферментов, закрепленных за гликозилфосфатидилом на эндотелиальных клетках . Фермент лактазанеобходим для разложения лактозы молочного сахара и присутствует в высоких концентрациях 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 также можно 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 последовательностей [ править ]

Классификации, основанные на последовательностях, являются одним из самых мощных методов прогнозирования для предположения функции недавно 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, связанный с субстратом, а не через фермент. Такие механизмы являются общими для некоторых N-ацетилгексозаминидаз, которые имеют ацетамидную группу, способную участвовать в соседней группе с образованием промежуточного оксазолинового или оксазолиниевого иона. Этот механизм работает 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 важную роль в качестве катализаторов в приложениях биологической очистки в будущей биоэкономике. [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 гемицеллюлоз 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 можно использовать 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 противомикробным 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 много 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 типа TIM-баррель

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). «Сохраненный каталитический аппарат 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 типа TIM-баррель» (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 разрушают 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)