Бактериальные глутатионтрансферазы (GST; EC 2.5.1.18) являются частью суперсемейства ферментов , которые играют решающую роль в клеточной детоксикации . [2] Основная роль GST заключается в катализе конъюгации глутатиона (GSH) с электрофильными центрами самых разных молекул. Наиболее известными субстратами GST являются ксенобиотические синтетические химикаты. Существуют также классы GST, которые используют глутатион в качестве кофактора, а не субстрата. Часто эти GST участвуют в восстановлении реактивных окислительных видов, токсичных для бактерий. Конъюгация с рецепторами глутатиона делает токсичные вещества более растворимыми и, следовательно, более легко экзоцитозируемыми из клетки. [3]
Бактериальные глутатионтрансферазы широко распространены в аэробных бактериях и подразделяются на несколько классов. Эти классы организованы в соответствии с последовательностью и структурой белка. У бактерий класс тета GST включает все известные в настоящее время бактериальные глутатионтрансферазы. Между классами эти белки имеют менее 25% идентичности последовательностей, в то время как члены одного класса соответствуют примерно 40% идентичности аминокислотных последовательностей. По сравнению с эукариотами исследования показали, что большинство остатков, которые высококонсервативны в тета и других бактериальных классах GST, не сохраняются в классах альфа, мю и пи эукариотических GST. Значительное количество вариаций последовательностей белков привело к общему убеждению, что GST выполняют очень широкий спектр функций конъюгации, зависящих от глутатиона. Ни один другой известный в настоящее время белок не имеет такой же общей топологии, как ферменты GST. [4]
Бактериальные глутатионтрансферазы не обнаружены в анаэробных бактериях или археях . Эти антиоксидантные ферменты являются частью пути биосинтеза глутатиона, который присутствует в цианобактериях, протеобактериях и некоторых грамотрицательных бактериях. [4]
Бактериальные GST участвуют в различных различных процессах, таких как биотрансформация токсичных соединений , защита от нескольких стрессов и устойчивость к антибактериальным препаратам . GST также играют важную роль в метаболизме , например, в биосинтезе сигнальных лигандов, разрушении тирозина, расщеплении перекиси и восстановлении дегидроаскорбата. [4]
Как ключевой субстрат в реакциях, опосредованных GST, глутатион является одним из наиболее консервативных восстановителей в бактериальных клетках. В своей восстановленной форме глутатион играет ключевую роль в регуляции активных форм кислорода (ROS) в клетке. ROS специфичны для аэробных клеток и обычно вырабатываются в их метаболических процессах. Они функционируют для поддержания динамического баланса в нормальных условиях, действуя как внутриклеточные и внеклеточные сигнальные молекулы. [3] Регулирование уровней ROS, уровней окисленного и восстановленного глутатиона и других тиолов , а также антиоксидантных ферментов (таких как GST и глутатионредуктаза) важны для определения наиболее стабильных условий для окислительно-восстановительного контроля или для активации апоптоза . Глутатионредуктаза является еще одним ферментом, который помогает поддерживать клеточный окислительно-восстановительный гомеостаз, поддерживая запас восстановленного глутатиона. Без глутатиона в восстановленной форме глутатионтрансферазы не могут использовать его в качестве субстрата в окислительно-восстановительных реакциях. [5]
Глутатион содержит значительное количество остатков цистеина , что способствует его природе легко окисляющегося. Группы -SH на этих остатках действуют как сильные нуклеофилы , которые могут конъюгировать с различными молекулами, включая другие молекулы глутатиона. [3] Сама сера способна существовать в нескольких различных степенях окисления ; эта окислительно-восстановительная гибкость в сочетании с ее сильными нуклеофильными свойствами позволяет глутатиону окисляться/легко забирать электроны из реактивных форм кислорода. Глутатионтрансферазы играют ключевую роль в катализе таких реакций. [5]
Бактериальные глутатионтрансферазы всех классов являются гомодимерными ферментами (хотя известны также гетеродимерные изоферменты некоторых классов). Мономеры сворачиваются в двухдоменную конфигурацию, образуя активную структуру фермента. Эти глобулярные белки имеют N-концевой домен , состоящий из смеси альфа-спиралей и бета-нитей, в то время как C-концевой домен полностью спиральный. [3]
N-концевой домен содержит сайт связывания глутатиона и является высококонсервативной областью среди всех GST. Этот домен имеет состав, аналогичный тиоредоксинам, которые действуют как антиоксиданты, способствуя восстановлению других белков. Для сравнения, область, которая содержит наибольшее количество вариабельности между классами GST, содержится в альфа-2-спирали на C-концевом домене. Преимущественно альфа-спиральный C-концевой домен участвует в связывании гидрофобных субстратов (таких как гидрофобные части ксенобиотиков). Специфичность альфа-2-спирали обусловлена ассортиментом аминокислот в домене, который взаимодействует с остатком глицина глутатиона. [4]
Бактериальные глутатионтрансферазы специфичны для аэробных бактерий и в основном выполняют функцию детоксикации экзогенных соединений и снятия окислительного стресса. [4]
Аэробные бактерии неизбежно склонны к образованию активных форм кислорода из-за природы их дыхательных процессов. В нормальных условиях эти ROS стремятся поддерживать динамическое равновесие; однако, это равновесие часто может быть нарушено биотическими или абиотическими стрессорами, такими как супероксидные радикалы , эндогенные липиды, гидроперекиси ДНК, перекись водорода, гидроксильные радикалы и гидроксиалкеналы. Поэтому эти восприимчивые организмы имеют внутренние механизмы защиты от окислительного повреждения; глутатион играет ключевую роль в большинстве этих антиоксидантных механизмов. [5]
После восстановления глутатион взаимодействует с этими активными формами кислорода и азота. Это взаимодействие катализируется GST, и их участие жизненно важно для успешного окисления глутатиона. GST связывают субстрат ROS в его гидрофобном альфа-спиральном C-концевом домене, а также восстановленный глутатион с его сайтом связывания глутатиона в N-концевом домене. Эти два домена соседствуют друг с другом на ферменте и вместе образуют активный сайт GST, где происходит окислительно-восстановительная реакция. Как только оба субстрата связываются в активном сайте фермента, мономерный GST взаимодействует с другим связанным с субстратом мономером GST и катализирует дисульфидный мостик между двумя молекулами глутатиона. Это дает активную димерную структуру фермента. Затем активные формы кислорода отдают один электрон молекуле глутатиона, завершая окислительно-восстановительную реакцию и делая ее неспособной наносить окислительный ущерб клетке. [5]
После завершения этой реакции глутатионредуктаза перерабатывает окисленный глутатион обратно в восстановленную форму, чтобы его снова могли захватить GST. Эта система глутатиона действует как основной буфер восстановления-окисления в аэробных бактериальных клетках, способствуя общей восстановленной клеточной среде цитозоля . [ 5]
Одной из основных функций бактериальных глутатионтрансфераз является снижение токсического воздействия ксенобиотиков из клетки с использованием системы детоксикационного метаболизма фазы II . Ксенобиотики — это соединения, чуждые естественной биохимии бактерий, и фаза II их детоксикации включает их конъюгацию с полярными, растворимыми соединениями, которые могут быть безопасно выведены из клетки. [3]
GST играют важную роль в этом процессе, поскольку они катализируют нуклеофильную атаку глутатиона на различные электрофильные остатки ксенобиотических субстратов, тем самым предотвращая их разрушение жизненно важных клеточных белков и нуклеиновых кислот. Подобно механизму, который GST используют для катализа окислительно-восстановительных реакций, механизм детоксикации сначала включает связывание двух субстратов с ферментом. Мономер GST связывает молекулу глутатиона с его N-концевым сайтом связывания глутатиона. На соседнем гидрофобном альфа-спиральном сайте связывания на C-концевом домене GST связывает гидрофобную молекулу ксенобиотика. Образование активного сайта привлекает другой мономер GST для взаимодействия с системой, и ферменты димеризуются. Активный комплекс GST катализирует остаток -SH на глутатионе для выполнения нуклеофильной атаки на электрофильные атомы углерода, серы или азота ксенобиотического субстрата. Конъюгация глутатиона с ранее гидрофобно-токсичным субстратом приводит к образованию растворимого соединения, которое легче подвергается экзоцитозу клеткой. [3]