Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Изопептидная связь между лизином и аспартатом / аспарагином

Изопептида связь представляет собой амидную св зь , которые могут образовывать, например , между карбоксильной группой одной аминокислоты и аминогруппой другой. По крайней мере, одна из этих присоединяющихся групп является частью боковой цепи одной из этих аминокислот. Это отличается от пептидной связи, которую иногда называют эупептидной связью [1], особенно при обсуждении обоих этих типов связи в одном контексте, чтобы провести различие между ними.

Лизин, например, имеет аминогруппу на боковой цепи, а глутаминовая кислота имеет карбоксигруппу на боковой цепи. Эти аминокислоты среди других подобных аминокислот могут соединяться вместе или с некоторыми другими аминокислотами с образованием изопептидной связи.

Изопептидная связь может также образовываться между γ- карбоксамидной группой (  - (C = O) NH
2 ) глутамина и первичного амина (RNH 2  ) некоторых аминокислот следующим образом [2]

Gln− (C = O) NH
2 + RNH
2 → Gln− (C = O) NH − R + NH
3

Образование связи может быть либо ферментом , катализируемой, как и в случае для изопептида связи , образованной между лизином и глютамином , катализируемой трансглутаминаз (их реакция аналогична реакции выше), [2] , или он может образовывать самопроизвольно , как наблюдалось в HK97 бактериофага капсида формирования [3] и грамположительные бактериальные пили. [4] Спонтанное образование изопептидной связи требует присутствия другого остатка, глутаминовой кислоты, которая катализирует образование связи индуцированным близостью образом. [5]

Примером небольшого пептида, содержащего изопептидную связь, является глутатион , который имеет связь между боковой цепью остатка глутамата и аминогруппой остатка цистеина. Примером белка, участвующего в изопептидной связи, является убиквитин , который присоединяется к другим белкам за счет связи между С-концевым остатком глицина убиквитина и боковой цепью лизина субстратного белка.

Биосигналы и биоструктурные роли [ править ]

Функцию изопептидных связей, генерируемых ферментом, можно грубо разделить на две отдельные категории; сигнализация и структура. В первом случае это может быть широкий спектр функций, влияющих на функцию белка, [6] конденсацию хроматина [7] или период полужизни белка. [8] Что касается последней категории, изопептиды могут играть роль в различных структурных аспектах, от помощи в образовании сгустков при заживлении ран, [9] ролей в поддержании внеклеточного матрикса и пути апоптоза, [10] ролей в образование патогенного пилина, [11] реструктуризация актинового скелета клетки-хозяина, чтобы помочь в патогенности V. cholerae, [12]и изменение свойств микротубилина, чтобы влиять на его роль в структуре клетки. [13]

Химия, участвующая в образовании этих изопептидных связей, также имеет тенденцию попадать в эти две категории. В случае убиквитина и убиквитиноподобных белков , как правило, существует структурированный путь непрерывного прохождения пептида с серией реакций с использованием нескольких промежуточных ферментов для достижения целевого белка для реакции конъюгации. [6] Структурные ферменты, хотя и различаются от бактериальных и эукариотических доменов, как правило, представляют собой отдельные ферменты, которые обычно за одну стадию сливают два субстрата вместе для более крупного повторяющегося процесса связывания и взаимодействия указанных субстратов с образованием и влиянием больших макромолекулярные структуры. [14] [15] [12] [16]

Химия ферментативных связей [ править ]

Биосигнальная химия связи [ править ]

Химия образования изопептидной связи разделена таким же образом, как и их биологические роли. В случае изопептидов, используемых для конъюгирования одного белка с другим с целью передачи сигнала, в литературе обычно преобладают очень хорошо изученный белок убиквитин и родственные ему белки. Хотя существует множество белков, родственных убиквитину, таких как SUMO, Atg8, Atg12 и т. Д., Все они имеют тенденцию следовать относительно одному и тому же пути лигирования белков. [6]

Поэтому лучший пример - это посмотреть на убиквитин, поскольку, хотя могут быть определенные различия, убиквитин, по сути, является моделью, которой следуют во всех этих случаях. Процесс по существу состоит из трех уровней: на начальном этапе активирующий белок, обычно обозначаемый как E1, активирует белок убиквитин, аденилируя его с помощью АТФ. Затем аденилированный убиквитин по существу активируется и может быть перенесен в консервативный цистеин с использованием тиоэфирной связи, которая находится между карбоксильной группой с-концевого глицина убиквитина и серой цистеина E1. [6] [8]Затем активирующий фермент E1 связывается с убиквитином и переносит его на следующий уровень, фермент E2, который принимает белок и снова образует тиоэфир с консервативной связью. E2 действует до определенной степени как посредник, который затем связывается с ферментом E3 лигазой на последнем уровне, что приводит к возможному переносу убиквитина или убиквитин-родственного белка к сайту лизина на целевом белке или, чаще, убиквитину, на сам убиквитин с образованием цепочек указанного белка. [6]

Однако на последнем уровне также существует расхождение в том, что в зависимости от типа лигазы E3 она может фактически не вызывать конъюгацию. Поскольку существуют лигазы E3, содержащие домены HECT, в которых они продолжают эту «цепь передачи», снова принимая убиквитин через другой консервативный цистеин, а затем направляя его и передавая на желаемую мишень. Однако в случае домена пальца RING, который использует координационные связи с ионами цинка для стабилизации своих структур, они действуют в большей степени, чтобы направлять реакцию. Это означает, что как только лигаза RING finger E3 связывается с E2, содержащим убиквитин, она просто действует как нацеливающее устройство, которое направляет E2 на прямое лигирование целевого белка в лизиновом участке. [6] [17]

Хотя в этом случае убиквитин действительно представляет другие белки, связанные с ним, очевидно, что каждый белок будет иметь свои собственные неприятности, такие как SUMO, который, как правило, является лигазой домена пальца RING, где E3 просто действует как нацеливающее устройство, чтобы направлять лигирование с помощью E2, и фактически не осуществляя саму реакцию, такую ​​как лигазы убиквитина E3-HECT. [8] Таким образом, хотя внутренние механизмы различаются, например, как белки участвуют в транспортной цепи, общие химические аспекты, такие как использование тиоэфиров и специфических лигаз для нацеливания, остаются неизменными.

Биоструктурная химия связи [ править ]

Ферментативная химия, участвующая в образовании изопептидов для структурных целей, отличается от случая убиквитина и связанных с убиквитином белков. В этом случае вместо последовательных этапов с участием нескольких ферментов для активации, конъюгирования и нацеливания на субстрат. [18] Катализ осуществляется одним ферментом, и единственная стадия-предшественник, если таковая имеется, - это, как правило, расщепление для активации фермента из зимогена. Однако однородность, которая существует в случае убиквитина, здесь не так, поскольку существует множество различных ферментов, каждый из которых выполняет реакцию образования изопептидной связи.

Первый случай - сортазы, семейство ферментов, которые распространены среди множества грамположительных бактерий. Было показано, что он является важным фактором патогенности и вирулентности. Общая реакция, выполняемая сортазами, включает использование собственной марки «каталитической триады»: то есть использование гистидина, аргинина и цистеина для реактивного механизма. His и Arg помогают создавать реактивную среду, а Cys снова действует как реакционный центр, используя тиоэфир, помогающий удерживать карбоксильную группу до тех пор, пока амин лизина не сможет выполнить нуклеофильную атаку для переноса белка и образования изопептидной связи. Ион, который иногда может играть важную, хотя и косвенную роль в ферментативной реакции, - это кальций, который связывается сортазой.Он играет важную роль в поддержании структуры фермента в оптимальной конформации для катализа. Однако есть случаи, когда было показано, что кальций не является необходимым для катализа.[15]

Другой аспект, который отличает сортазы в целом, заключается в том, что они имеют очень специфическое нацеливание на свой субстрат, поскольку сортазы обычно выполняют две функции: первая - это слияние белков с клеточной стенкой бактерий, а вторая - полимеризация пилина. Для процесса локализации белков на клеточной стенке существует тройное требование, чтобы белок содержал гидрофобный домен, положительно заряженную хвостовую область и конечную специфическую последовательность, используемую для распознавания. [19] Наиболее изученным из этих сигналов является LPXTG, который действует как точка расщепления, где сортаза атакует между Thr и Gly, конъюгируя с карбоксильной группой Thr. [15]Затем тиоэфир разделяется путем переноса пептида на первичный амин, и это обычно имеет очень высокую специфичность, что видно на примере B. cereus, где фермент сортировки D помогает полимеризовать белок BcpA посредством двух сигналов распознавания. , LPXTG в качестве точки расщепления и образования тиоэфира и сайт YPKN, который действует как сигнал распознавания, где будет образовываться изопептид. [20] Хотя у разных бактерий особенности могут различаться, основы ферментативной химии сортазы остаются теми же.

Следующий случай - трансглутаминазы (ТГазы), которые действуют в основном внутри эукариот для слияния различных белков по разным причинам, таким как заживление ран или прикрепление белков к липидным мембранам. [21] [9] Сами ТГазы также содержат свою собственную «каталитическую триаду» с гистидином, аспартатом и цистеином. Роли этих остатков аналогичны или те же, что и ранее описанные Сортазы, в том, что His и Asp играют вспомогательную роль во взаимодействии с целевым остатком, в то время как Cys образует тиоэфир с карбоксильной группой для последующей нуклеофильной атаки первичной амин, в данном случае из-за интереса к лизину. Хотя на этом каталитическое сходство с сортазой заканчивается, поскольку фермент и его семейство зависят от кальция, который играет решающую структурную роль в поддержании жесткой конформации фермента. ТГазы также обладают совершенно другой субстратной специфичностью в том смысле, что они нацелены конкретно на средний Gln в последовательности «Gln-Gln-Val». Общая субстратная специфичность, т.е.специфический белок обусловлен общей структурой различных ТГаз, которые направляют их на субстрат.[22]

В TGases отмечена специфичность, так что разные TGases будут реагировать с разными Gln одного и того же белка, что означает, что ферменты имеют очень специфическое начальное нацеливание. [23] Также было показано, что у него есть некоторая специфичность в отношении того, к какому лизину-мишени он передает белок, как в случае фактора XIII, где соседний остаток с Lys решает, произойдет ли реакция. [9] Таким образом, хотя ТГазы изначально могут показаться эукариотической сортазой, они представляют собой отдельный набор ферментов.

Другим случаем изопептидного связывающего фермента для структурных целей является сшивающий с актином домен (ACD) токсинового белка MARTX, генерируемого V. cholerae. Хотя было показано, что ACD при проведении катализа использует магний и АТФ для образования поперечных связей, специфика механизма остается неопределенной. Хотя интересным аспектом поперечной сшивки, образующейся в этом случае, является то, что она использует нетерминальный Glu для лигирования с нетерминальным Lys, что, по-видимому, редко в процессе образования изопептидной связи. [12] Хотя химию ACD еще предстоит решить, это показывает, что образование изопептидной связи не зависит просто от Asp / Asn для неконцевых изопептидных связей между белками.

Последний случай, который следует рассмотреть, - это любопытный случай посттрансляционных модификаций микротубилина (МТ). MT содержит широкий спектр посттрансляционных модификаций; однако двумя наиболее интересными являются полиглутамилирование и полиглицилирование. Обе модификации подобны в том смысле, что они представляют собой повторяющиеся участки одной и той же аминокислоты, слитой с карбоксильной группой боковой цепи глутамата в c-концевой области MT. Ферментативные механизмы изучены не полностью, так как о полигликирующем ферменте мало что известно. В случае полиглутамилирования точный механизм также неизвестен, но, похоже, он зависит от АТФ. [24] Хотя опять же отсутствует ясность в отношении химии ферментов, все еще существует ценная информация об образовании изопептидных связей с использованием карбоксила R-группы Glu в сочетании с N-концевым амино модифицирующих пептидов.

Спонтанное образование [ править ]

Исследователи использовали спонтанное образование изопептидной связи для разработки пептидной метки под названием SpyTag . SpyTag может спонтанно и необратимо реагировать со своим партнером по связыванию (белком, называемым SpyCatcher) через ковалентную изопептидную связь. [5] Этот молекулярный инструмент может найти применение для нацеливания на белки in vivo , флуоресцентной микроскопии и необратимого прикрепления к белковому микрочипу . После этого были разработаны другие системы Tag / Catcher, такие как SnoopTag / SnoopCatcher [25] и SdyTag / SdyCatcher [26], которые дополняют SpyTag / SpyCatcher.

См. Также [ править ]

  • Органическая химия
  • Биохимия
  • Белковые метки
  • SpyCatcher

Ссылки [ править ]

  1. ^ "Номенклатура и символика аминокислот и пептидов. Рекомендации 1983" . Европейский журнал биохимии . 138 (1): 9–37. 1984. DOI : 10.1111 / j.1432-1033.1984.tb07877.x . ISSN  0014-2956 . PMID  6692818 .
  2. ^ а б ДеДжонг, штат Джорджия; Коппельман, SJ (2002). «Реакции, катализируемые трансглутаминазой: влияние на пищевые продукты». Журнал пищевой науки . 67 (8): 2798–2806. DOI : 10.1111 / j.1365-2621.2002.tb08819.x . ISSN 0022-1147 . 
  3. ^ Wikoff, WR; и другие. (2000). «Топологически связанные белковые кольца в капсиде бактериофага HK97». Наука . 289 (5487): 2129–2133. Bibcode : 2000Sci ... 289.2129W . DOI : 10.1126 / science.289.5487.2129 .
  4. ^ Канг, HJ; Coulibaly, F .; Clow, F .; Профт, Т .; Бейкер, EN (2007). «Выявлены стабилизирующие изопептидные связи в структуре ворсинок грамположительных бактерий». Наука . 318 (5856): 1625–1628. Bibcode : 2007Sci ... 318.1625K . DOI : 10.1126 / science.1145806 . PMID 18063798 . 
  5. ^ a b Закери, Б. (2012). «Пептидная метка, образующая быструю ковалентную связь с белком посредством конструирования бактериального адгезина» . Труды Национальной академии наук . 109 (12): E690–7. Bibcode : 2012PNAS..109E.690Z . DOI : 10.1073 / pnas.1115485109 . PMC 3311370 . PMID 22366317 .  
  6. ^ Б с д е е Kerscher, O; Фельбербаум, Р; Хохштрассер, М. (2006). «Модификация белков убиквитином и убиквитин-подобными белками». Ежегодный обзор клеточной биологии и биологии развития . 22 : 159–80. DOI : 10.1146 / annurev.cellbio.22.010605.093503 . PMID 16753028 . 
  7. ↑ Тернер, BM (1 ноября 2002 г.). «Клеточная память и гистоновый код». Cell . 111 (3): 285–91. DOI : 10.1016 / S0092-8674 (02) 01080-2 . PMID 12419240 . 
  8. ^ a b c Gill, G (1 сентября 2004 г.). «СУМО и убиквитин в ядре: разные функции, похожие механизмы?» . Гены и развитие . 18 (17): 2046–59. DOI : 10,1101 / gad.1214604 . PMID 15342487 . 
  9. ^ a b c Ариэнс, РА; Лай, Т.С.; Weisel, JW; Гринберг, CS; Грант, П.Дж. (1 августа 2002 г.). «Роль фактора XIII в формировании фибринового сгустка и эффекты генетических полиморфизмов» . Кровь . 100 (3): 743–54. DOI : 10.1182 / blood.v100.3.743 . PMID 12130481 . 
  10. ^ ГРИФФИН, Мартин; КАСАДИО, Рита; БЕРГАМИНИ, Карло М. (2002). «Трансглутаминазы: природные биологические клеи» . Биохимический журнал . 368 (2): 377–96. DOI : 10.1042 / BJ20021234 . PMC 1223021 . PMID 12366374 .  
  11. ^ Марраффини, Лос-Анджелес; Dedent, AC; Шнеуинд, О (март 2006 г.). «Сортазы и искусство прикрепления белков к оболочкам грамположительных бактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 192–221. DOI : 10.1128 / MMBR.70.1.192-221.2006 . PMC 1393253 . PMID 16524923 .  
  12. ^ a b c Кудряшов Д.С. Дюрер, З.А.; Иттерберг, AJ; Савая, MR; Пашков, Я; Прочазкова, К; Йейтс, ТО; Loo, RR; Loo, JA; Satchell, KJ; Reisler, E (25 ноября 2008 г.). «Соединение мономеров актина изопептидной связью является механизмом токсичности токсина MARTX Vibrio cholerae» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (47): 18537–42. Bibcode : 2008PNAS..10518537K . DOI : 10.1073 / pnas.0808082105 . PMC 2587553 . PMID 19015515 .  
  13. ^ Вестерманн, Стефан; Вебер, Клаус (1 декабря 2003 г.). «Посттрансляционные модификации регулируют функцию микротрубочек» (PDF) . Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 4 (12): 938–948. DOI : 10.1038 / nrm1260 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0012-EF93-5 . PMID 14685172 .  
  14. ^ Гриффин, Мартин; Касадио, Рита; Бергамини, Карло М. (2002). «Трансглутаминазы: природные биологические клеи» . Биохимический журнал . 368 (2): 377–96. DOI : 10.1042 / BJ20021234 . PMC 1223021 . PMID 12366374 .  
  15. ^ a b c Клэнси, Кэтлин В .; Мелвин, Джеффри А .; Маккафферти, Дьюи Г. (30 июня 2010 г.). «Сортазные транспептидазы: понимание механизма, субстратной специфичности и ингибирования» . Биополимеры . 94 (4): 385–396. DOI : 10.1002 / bip.21472 . PMC 4648256 . PMID 20593474 .  
  16. ^ Вестерманн, Стефан; Вебер, Клаус (1 декабря 2003 г.). «Посттрансляционные модификации регулируют функцию микротрубочек» (PDF) . Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 4 (12): 938–948. DOI : 10.1038 / nrm1260 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0012-EF93-5 . PMID 14685172 .  
  17. ^ Джексон, ПК; Элдридж, АГ; Фрид, E; Фюрстенталь, L; Hsu, JY; Kaiser, BK; Рейманн, JD (октябрь 2000 г.). «История колец: распознавание субстрата и катализ убиквитин-лигазами». Тенденции в клеточной биологии . 10 (10): 429–39. DOI : 10.1016 / S0962-8924 (00) 01834-1 . PMID 10998601 . 
  18. ^ Grabbe, C; Дикич, I (апрель 2009 г.). «Функциональные роли белков, содержащих убиквитин-подобный домен (ULD) и убиквитин-связывающий домен (UBD)». Химические обзоры . 109 (4): 1481–94. DOI : 10.1021 / cr800413p . PMID 19253967 . 
  19. ^ Марраффини, Лос-Анджелес; Dedent, AC; Шнеуинд, О (март 2006 г.). «Сортазы и искусство прикрепления белков к оболочкам грамположительных бактерий» . Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 192–221. DOI : 10.1128 / MMBR.70.1.192-221.2006 . PMC 1393253 . PMID 16524923 .  
  20. ^ Будзик, JM; Марраффини, Луизиана; Souda, P; Whitelegge, JP; Faull, KF; Schneewind, O (22 июля 2008 г.). «Амидные связи собирают пили на поверхности бацилл» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (29): 10215–20. Bibcode : 2008PNAS..10510215B . DOI : 10.1073 / pnas.0803565105 . PMC 2481347 . PMID 18621716 .  
  21. ^ Ахвази, B; Steinert, PM (31 августа 2003 г.). «Модель механизма реакции фермента трансглутаминазы 3» . Экспериментальная и молекулярная медицина . 35 (4): 228–42. DOI : 10.1038 / emm.2003.31 . PMID 14508061 . 
  22. ^ Ахвази, B; Steinert, PM (31 августа 2003 г.). «Модель механизма реакции фермента трансглутаминазы 3» . Экспериментальная и молекулярная медицина . 35 (4): 228–42. DOI : 10.1038 / emm.2003.31 . PMID 14508061 . 
  23. ^ Гриффин, М; Casadio, R; Бергамини, CM (1 декабря 2002 г.). «Трансглутаминазы: биологические клеи природы» . Биохимический журнал . 368 (Pt 2): 377–96. DOI : 10.1042 / BJ20021234 . PMC 1223021 . PMID 12366374 .  
  24. ^ Вестерманн, Стефан; Вебер, Клаус (1 декабря 2003 г.). «Посттрансляционные модификации регулируют функцию микротрубочек» (PDF) . Обзоры природы Молекулярная клеточная биология . 4 (12): 938–948. DOI : 10.1038 / nrm1260 . hdl : 11858 / 00-001M-0000-0012-EF93-5 . PMID 14685172 .  
  25. ^ Веггиани, Джанлука; Накамура, Томохико; Бреннер, Майкл Д .; Gayet, Raphaël V .; Ян, июнь; Робинсон, Кэрол В .; Ховарт, Марк (2 февраля 2016 г.). «Программируемые полипротеамы, построенные с использованием двойных пептидных суперклеев» . Труды Национальной академии наук . 113 (5): 1202–1207. Bibcode : 2016PNAS..113.1202V . DOI : 10.1073 / pnas.1519214113 . PMC 4747704 . PMID 26787909 .  
  26. ^ Тан, Ли Линг; Хун, Шон С .; Wong, Fong T .; Ахмед, С. Ашраф (26 октября 2016 г.). «Кинетические контролируемые взаимодействия меток-улавливателей для направленной сборки ковалентных белков» . PLOS ONE . 11 (10): e0165074. Bibcode : 2016PLoSO..1165074T . DOI : 10.1371 / journal.pone.0165074 . PMC 5082641 . PMID 27783674 .