Нерибосомные пептиды ( NRP ) представляют собой класс вторичных метаболитов пептидов , обычно продуцируемых такими микроорганизмами, как бактерии и грибы . Нерибосомные пептиды также обнаруживаются у высших организмов, таких как голожаберные , но считается, что они производятся бактериями внутри этих организмов. [1] Хотя существует широкий спектр пептидов, которые не синтезируются рибосомами , термин « нерибосомный пептид» обычно относится к очень специфическому набору пептидов, как обсуждается в этой статье.
Нерибосомные пептиды синтезируются негрибосомными пептидными синтетазами , которые, в отличие от рибосом , не зависят от матричной РНК . Каждая нерибосомальная пептидная синтетаза может синтезировать только один тип пептида. Нерибосомальных пептиды часто имеют циклические и / или разветвленные структуры, может содержать не - протеиногенные аминокислоты , включая D - аминокислоту, модификацию , перенесенную как N - метил и N - формил группы, или гликозилированные , ацилирует , галогенированный или гидроксилированное. Часто выполняется циклизация аминокислот против пептидного «скелета», в результате чего образуются оксазолины и тиазолины ; они могут быть дополнительно окислены или восстановлены. Иногда происходит обезвоживание серинов , в результате чего образуется дегидроаланин . Это всего лишь несколько примеров различных манипуляций и вариаций, которые могут выполнять нерибосомные пептиды. Нерибосомные пептиды часто представляют собой димеры или тримеры идентичных последовательностей, связанных вместе или циклизованных, или даже разветвленных.
Нерибосомные пептиды представляют собой очень разнообразное семейство натуральных продуктов с чрезвычайно широким спектром биологической активности и фармакологических свойств. Часто это токсины, сидерофоры или пигменты . Нерибосомные пептидные антибиотики , цитостатики и иммунодепрессанты используются в коммерческих целях.
Примеры
- Антибиотики
- Актиномицин
- Бацитрацин
- Кальцийзависимый антибиотик
- Даптомицин
- Ванкомицин
- Тейксобактин
- Тироцидин
- Грамицидин
- Цвиттермицин А
- Предшественники антибиотиков
- Цитостатики
- Эпотилон
- Блеомицин
- Иммунодепрессанты
- Циклоспорин (Циклоспорин А)
- Сидерофоры
- Пиовердин
- Энтеробактин
- Миксохелин А
- Пигменты
- Индигоидин
- Токсины
- Микроцистины и
- Nodularins , цианотоксины от цианобактерий .
- Полимеры для хранения азота
- Цианофицин - продуцируется некоторыми цианобактериями.
- Фитотоксины
- HC-токсин - фактор вирулентности, вырабатываемый патогенным грибом растений Cochliobolus (Helminthosporium) carbonum [2]
- AM-токсин - вырабатывается патогенным грибком Alternaria alternata pv. Мали [3]
- Викторин - хлорированный циклический пентапептид, вырабатываемый патогенным грибком Cochliobolus victoriae . Его негрибосомный синтез не установлен.
Биосинтез
Нерибосомальных пептиды синтезируют путем одного или нескольких специализированных нерибосомальных пептид-синтетазы (NRPS) ферменты . Гены NRPS для определенного пептида обычно организованы в один оперон у бактерий и в кластеры генов у эукариот . Однако первым обнаруженным грибковым NRP был циклоспорин . Он синтезируется одним NRPS 1,6MDa. [4] Ферменты организованы в модули, которые отвечают за введение одной дополнительной аминокислоты. Каждый модуль состоит из нескольких доменов с определенными функциями, разделенных короткими спейсерами из примерно 15 аминокислот. [5]
Биосинтез из пептидов нерибосомальных акций характеристик с поликетидный и жирной кислоты биосинтеза. Из-за этих структурных и механистических сходств некоторые нерибосомные пептидные синтетазы содержат поликетидсинтазные модули для встраивания субъединиц, производных от ацетата или пропионата, в пептидную цепь. [6]
Обратите внимание, что до 10% бактериальных NRPS представлены не в виде больших модульных белков, а в виде отдельных ферментов. [6] Некоторые модули NRPS отклоняются от стандартной доменной структуры, и были описаны некоторые дополнительные домены. Существуют также ферменты NRPS, которые служат каркасом для других модификаций субстрата с целью включения необычных аминокислот. [7]
Модули
Порядок модулей и доменов полной нерибосомальной пептидной синтетазы следующий:
- Инициирование или Запуск модуля: [F / NMT] -A-PCP-
- Удлинение или Продление модулей: - (С / Су) - [NMT] -A-PCP- [Е] -
- Модуль завершения или освобождения : - (TE / R)
(Порядок: от N-конца к C-концу ; [] : необязательно; () : альтернативно)
Домены
- F: Формилирование (необязательно)
- A: Аденилирование (требуется в модуле)
- PCP: белок- носитель тиоляции и пептид с присоединенным 4'-фосфопантетеином (требуется в модуле)
- C: Конденсация с образованием амидной связи (требуется в модуле)
- Cy: Циклизация в тиазолин или оксазолины (необязательно)
- Ox: окисление тиазолинов или оксазолинов до тиазолов или оксазолов (необязательно)
- Красный: восстановление тиазолинов или оксазолинов до тиазолидинов или оксазолидинов (необязательно)
- E: эпимеризация в D-аминокислоты (необязательно)
- NMT: N- метилирование (необязательно)
- TE: Прерывание тио-эстеразой (обнаруживается только один раз в NRPS)
- R: Восстановление до концевого альдегида или спирта (необязательно)
- X: задействует ферменты цитохрома P450 (необязательно)
Стартовый этап
- Загрузка: Первая аминокислота активируется с АТФ в виде смешанного ацил - фосфорной кислоты , ангидрида с AMP по А-доменом , и наносили на серин -attached 4'-фосфо- пантетин (4'PP) боковую цепь из PCP-домена , катализируемой PCP-доменом (тиоляция).
- Некоторые A-домены требуют взаимодействия с MbtH-подобными белками для своей активности. [8] [9]
- Иногда аминогруппа связанной аминокислоты формилируется F-доменом или метилируется NMT-доменом.
Стадии удлинения
- Загрузка: аналогично начальной стадии каждый модуль загружает свою конкретную аминокислоту в свой PCP-домен.
- Конденсация : C-домен катализирует образование амидной связи между тиоэфирной группой растущей пептидной цепи из предыдущего модуля с аминогруппой текущего модуля. Удлиненный пептид теперь присоединен к текущему PCP-домену.
- Конденсация - Циклизация : иногда C-домен заменяется Cy-доменом, который, помимо образования амидной связи, катализирует реакцию боковой цепи серина , треонина или цистеина с амидом- N , тем самым образуя оксазолидины и тиазолидин. , соответственно.
- Эпимеризация : Иногда E-домен эпимеризует самую внутреннюю аминокислоту пептидной цепи в D-конфигурацию.
- Этот цикл повторяется для каждого модуля удлинения.
Этап прекращения
- Окончание: TE-домен (тио-эстеразный домен) гидролизует завершенную полипептидную цепь из PCP-домена предыдущего модуля, тем самым часто образуя циклические амиды ( лактамы ) или циклические сложные эфиры ( лактоны ).
- Также пептид может высвобождаться R-доменом, который восстанавливает тиоэфирную связь до концевого альдегида или спирта .
Обработка
Конечный пептид часто модифицируют, например, гликозилированием , ацилированием , галогенированием или гидроксилированием . Ответственные ферменты обычно связаны с комплексом синтетазы, и их гены организованы в одни и те же опероны или кластеры генов .
Грунтовка и деблокирование
Чтобы стать функциональной, 4'-фосфопантетеиновая боковая цепь молекул ацил-КоА должна быть присоединена к PCP-домену с помощью 4'PP трансфераз (прайминг), а ацильная группа, присоединенная к S, должна быть удалена специализированными ассоциированными тиоэстеразами ( TE-II) (Деблокирование).
Особенности субстрата
Большинство доменов обладают очень широкой субстратной специфичностью, и обычно только А-домен определяет, какая аминокислота включена в модуль. Были идентифицированы десять аминокислот, которые контролируют субстратную специфичность и могут считаться « кодонами » нерибосомного пептидного синтеза, и рациональный дизайн белка дал методологию для компьютерного переключения специфичности A-доменов. [10] конденсация С-домен также полагает, имеет субстратную специфичность, особенно если они расположена позади модуля эпимераза Е-домен , содержащий , где она функционирует в качестве «фильтра» для epimerized изомера . Вычислительные методы, такие как SANDPUMA [11] и NRPSpredictor2, [12] , были разработаны для прогнозирования субстратной специфичности по данным ДНК или последовательностей белков.
Смешивается с поликетидами
Из-за сходства с поликетидсинтазами (PKS) многие вторичные метаболиты фактически представляют собой слияния NRP и поликетидов. По сути, это происходит, когда модули PK следуют за модулями NRP, и наоборот. Хотя существует высокая степень сходства между доменами-носителями (PCP / ACP) обоих типов синтетаз, механизм конденсации отличается с химической точки зрения:
- PKS, образование углерод-углеродной связи посредством реакции конденсации Клейзена
- NRPs, C-домен катализирует образование амидной связи между аминокислотой, которую он добавляет в цепь (на PCP одного модуля), и растущим пептидом (на PCP следующего модуля). [13]
Смотрите также
- Эпотилон
- Эстераза
- Синтезированные рибосомами и посттрансляционно модифицированные пептиды
Рекомендации
- ^ Дай Л. (2012). Дин К. (ред.). Органическая химия: открытия и перспективы . Вайнхайм, Германия: Wiley-VCH. ISBN 9783527333776.
- ^ Уолтон Дж. Д. (июль 2006 г.). «ХК-токсин» . Фитохимия . 67 (14): 1406–13. DOI : 10.1016 / j.phytochem.2006.05.033 . PMID 16839576 .
- ^ Johnson RD, Johnson L, Itoh Y, Kodama M, Otani H, Kohmoto K (июль 2000 г.). «Клонирование и характеристика гена циклической пептид синтетазы из патотипа яблока Alternaria alternata, продукт которого участвует в синтезе AM-токсина и патогенности» . Молекулярные взаимодействия растений и микробов . 13 (7): 742–53. DOI : 10.1094 / MPMI.2000.13.7.742 . PMID 10875335 .
- ^ Тургай К., Краузе М., Марахиэль М.А. (февраль 1992 г.). «Четыре гомологичных домена в первичной структуре GrsB связаны с доменами суперсемейства аденилат-образующих ферментов». Молекулярная микробиология . 6 (4): 529–46. DOI : 10.1111 / j.1365-2958.1992.tb01498.x . PMID 1560782 .
- ^ Фишбах М.А., Уолш К.Т. (август 2006 г.). «Сборочная энзимология поликетидных и нерибосомных пептидных антибиотиков: логика, машины и механизмы». Химические обзоры . 106 (8): 3468–96. DOI : 10.1021 / cr0503097 . PMID 16895337 . S2CID 29014161 .
- ^ а б Ван Х, Февер Д.П., Холм Л., Рухайнен Л., Сивонен К. (июнь 2014 г.). «Атлас путей биосинтеза нерибосомальных пептидов и поликетидов выявляет частое появление немодульных ферментов» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 111 (25): 9259–64. Bibcode : 2014PNAS..111.9259W . DOI : 10.1073 / pnas.1401734111 . PMC 4078802 . PMID 24927540 .
- ^ МакЭрлин М., Овербэй Дж., Ван Ланен С. (март 2019 г.). «Уточнение и расширение функции и механизма нерибосомальной пептидной синтетазы» . Журнал промышленной микробиологии и биотехнологии . 46 (3–4): 493–513. DOI : 10.1007 / s10295-018-02130-ш . PMC 6460464 . PMID 30673909 .
- ^ Фелнагл Э.А., Баркей Дж.Дж., Пак Х., Подевелс А.М., МакМахон, доктор медицины, Дротт Д.В., Томас М.Г. (октябрь 2010 г.). «MbtH-подобные белки как неотъемлемые компоненты бактериальных нерибосомных пептидных синтетаз» . Биохимия . 49 (41): 8815–7. DOI : 10.1021 / bi1012854 . PMC 2974439 . PMID 20845982 .
- ^ Чжан В., Хемстра-младший, Уолш Коннектикут, Имкер Х. Дж. (Ноябрь 2010 г.). «Активация домена аденилирования пакидамицина PacL с помощью MbtH-подобных белков» . Биохимия . 49 (46): 9946–7. DOI : 10.1021 / bi101539b . PMC 2982891 . PMID 20964365 .
- ^ Чен С.Ю., Георгиев И., Андерсон А.С., Дональд Б.Р. (март 2009 г.). «Перестройка ферментативной активности на основе вычислительной структуры» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 106 (10): 3764–9. Bibcode : 2009PNAS..106.3764C . DOI : 10.1073 / pnas.0900266106 . PMC 2645347 . PMID 19228942 .
- ^ Chevrette MG, Aicheler F, Kohlbacher O, Currie CR, Medema MH (октябрь 2017 г.). «SANDPUMA: ансамблевые прогнозы химии нерибосомных пептидов показывают биосинтетическое разнообразие актинобактерий» . Биоинформатика . 33 (20): 3202–3210. DOI : 10.1093 / биоинформатики / btx400 . PMC 5860034 . PMID 28633438 .
- ^ Рёттиг М., Медема М.Х., Блин К., Вебер Т., Рауш С., Кольбахер О. (июль 2011 г.). «NRPSpredictor2 - веб-сервер для прогнозирования специфичности домена аденилирования NRPS» . Исследования нуклеиновых кислот . 39 (проблема с веб-сервером): W362-7. DOI : 10.1093 / NAR / gkr323 . PMC 3125756 . PMID 21558170 .
- ^ Bloudoff, Кристьян; Шмайнг, Мартин Т. (2017). «Структурные и функциональные аспекты надсемейства домена конденсации нерибосомальной пептид синтетазы: открытие, анализ и разнообразие» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1865 (11): 1587–1604. DOI : 10.1016 / j.bbapap.2017.05.010 . PMID 28526268 .
дальнейшее чтение
- Schwarzer D, Finking R, Marahiel MA (июнь 2003 г.). «Нерибосомальные пептиды: от генов к продуктам». Отчеты о натуральных продуктах . 20 (3): 275–87. DOI : 10.1039 / b111145k . PMID 12828367 .
- Marahiel MA, Stachelhaus T, Mootz HD (ноябрь 1997 г.). «Модульные пептидные синтетазы, участвующие в синтезе нерибосомальных пептидов». Химические обзоры . 97 (7): 2651–2674. DOI : 10.1021 / cr960029e . PMID 11851476 .
- Кабош С., Пупен М., Леклер В., Фонтен А., Жак П., Кучеров Г. (январь 2008 г.). «NORINE: база данных нерибосомных пептидов» . Исследования нуклеиновых кислот . 36 (выпуск базы данных): D326-31. DOI : 10.1093 / NAR / gkm792 . PMC 2238963 . PMID 17913739 .