stringtranslate.com

Люцифераза светлячка

Люцифераза светлячков — это светоизлучающий фермент, отвечающий за биолюминесценцию светлячков и жуков-щелкунов . Фермент катализирует окисление люциферина светлячков , требуя кислорода и АТФ . Из-за потребности в АТФ люциферазы светлячков широко используются в биотехнологии.

Механизм реакции

Химическая реакция, катализируемая люциферазой светлячков, происходит в два этапа:

Свет вырабатывается, потому что реакция образует оксилюциферин в электронно- возбужденном состоянии . Реакция высвобождает фотон света, поскольку оксилюциферин возвращается в основное состояние .

Люцифериладенилат может дополнительно участвовать в побочной реакции с O 2 с образованием перекиси водорода и дегидролюциферил-АМФ. Около 20% промежуточного продукта люцифериладенилата окисляется в этом пути. [1]

Люцифераза светлячка генерирует свет из люциферина в многоступенчатом процессе. Сначала D-люциферин аденилируется MgATP с образованием люцифериладенилата и пирофосфата. После активации АТФ люцифериладенилат окисляется молекулярным кислородом с образованием диоксетанонового кольца. Реакция декарбоксилирования образует возбужденное состояние оксилюциферина, который таутомеризуется между кето-енольной формой. В результате реакции в конечном итоге испускается свет, поскольку оксилюциферин возвращается в основное состояние. [2]

Механизм действия люциферазы. [2]
Люцифераза имеет два режима ферментативной активности: биолюминесцентную активность и активность синтетазы КоА. [3]

Бифункциональность

Люцифераза может функционировать в двух различных путях: биолюминесцентном пути и пути CoA -лигазы. [4] В обоих путях люцифераза изначально катализирует реакцию аденилирования с MgATP. Однако в пути CoA-лигазы CoA может вытеснять AMP с образованием люциферил-CoA.

Жирная ацил-КоА-синтетаза аналогичным образом активирует жирные кислоты с помощью АТФ, с последующим замещением АМФ с помощью КоА. Благодаря схожим действиям люцифераза способна заменить жирную ацил-КоА-синтетазу и преобразовать длинноцепочечные жирные кислоты в жирный ацил-КоА для бета-окисления . [4]

Структура

Структура белка люциферазы светлячков состоит из 550 аминокислот в двух компактных доменах : N-концевом домене и C-концевом домене. N-концевой домен состоит из двух β-слоев в структуре αβαβα и β-бочонка . Два β-слоя накладываются друг на друга, причем β-бочонок покрывает конец листов. [2]

C-концевой домен соединен с N-концевым доменом гибким шарниром, который может разделять два домена. Аминокислотные последовательности на поверхности двух доменов, обращенных друг к другу, сохраняются в бактериальной и светлячковой люциферазе, тем самым убедительно указывая на то, что активный сайт расположен в щели между доменами. [5]

Во время реакции люцифераза претерпевает конформационные изменения и переходит в «закрытую» форму, в которой два домена объединяются, чтобы охватить субстрат. Это гарантирует, что вода исключена из реакции и не гидролизует АТФ или электронно-возбужденный продукт. [5]

Схема вторичной структуры люциферазы светлячков. Стрелки представляют β-тяжи, а круги представляют α-спирали. Расположение каждого из субдоменов в последовательности люциферазы показано на нижней схеме. [5]

Спектральные различия в биолюминесценции

Цвет биолюминесценции люциферазы светлячков может варьироваться от желто-зеленого (λ max = 550 нм) до красного (λ max = 620). [6] В настоящее время существует несколько различных механизмов, описывающих, как структура люциферазы влияет на спектр испускания фотона и , по сути, на цвет испускаемого света.

Один механизм предполагает, что цвет испускаемого света зависит от того, находится ли продукт в кето- или енольной форме. Механизм предполагает, что красный свет испускается из кето-формы оксилюциферина, в то время как зеленый свет испускается из енольной формы оксилюциферина. [7] [8] Однако 5,5-диметилоксилюциферин испускает зеленый свет, хотя он ограничен кето-формой, поскольку не может таутомеризоваться. [9]

Другой механизм предполагает, что скручивание угла между кольцами бензотиазола и тиазола в оксилюциферине определяет цвет биолюминесценции. Это объяснение предполагает, что плоская форма с углом 0° между двумя кольцами соответствует более высокому энергетическому состоянию и излучает более высокоэнергетический зеленый свет, тогда как угол 90° переводит структуру в более низкое энергетическое состояние и излучает более низкоэнергетический красный свет. [10]

Самое последнее объяснение цвета биолюминесценции рассматривает микроокружение возбужденного оксилюциферина. Исследования показывают, что взаимодействия между продуктом возбужденного состояния и близлежащими остатками могут заставить оксилюциферин перейти в еще более высокоэнергетическую форму, что приводит к излучению зеленого света. Например, Arg 218 имеет электростатические взаимодействия с другими близлежащими остатками, ограничивая таутомеризацию оксилюциферина в енольной форме. [11] Аналогичным образом, другие результаты показали, что микроокружение люциферазы может заставить оксилюциферин перейти в более жесткую, высокоэнергетическую структуру, заставляя его излучать высокоэнергетический зеленый свет. [12]

Регулирование

D-люциферин является субстратом для реакции биолюминесценции люциферазы светлячка, тогда как L-люциферин является субстратом для активности люциферил-КоА-синтетазы. Обе реакции ингибируются энантиомером субстрата: L-люциферин и D-люциферин ингибируют путь биолюминесценции и путь КоА-лигазы соответственно. [3] Это показывает, что люцифераза может различать изомеры структуры люциферина.

L-люциферин способен излучать слабый свет, хотя он является конкурентным ингибитором D-люциферина и пути биолюминесценции. [13] Свет излучается, поскольку путь синтеза CoA может быть преобразован в реакцию биолюминесценции путем гидролиза конечного продукта через эстеразу обратно в D-люциферин. [3]

Активность люциферазы дополнительно ингибируется оксилюциферином [14] и аллостерически активируется АТФ. Когда АТФ связывается с двумя аллостерическими сайтами фермента, сродство люциферазы к связыванию АТФ в ее активном сайте увеличивается. [6]

Гомология

Люцифераза светлячков считается гомологом длинноцепочечной жирной ацил-КоА-синтетазы из-за ее способности синтезировать люциферил-КоА из КоА и дегидролюциферил-АМФ. Иноуэ проверил эту гипотезу в 2010 году, экспрессируя кДНК люциферез Photinus pyralis и Lychocoriolaus lateralis в E. coli посредством экспрессии генов холодового шока. [15] Полученные ферменты затем подвергались воздействию длинноцепочечных жирных кислот, короткоцепочечных жирных кислот, аминокислот и иминокислот. Неудивительно, что Иноуэ обнаружил, что люциферазы проявляли активность аденилирования только при воздействии длинноцепочечных жирных кислот.

Также было обнаружено, что генный продукт CG6178 в Drosophila имеет высокое сходство аминокислотной последовательности с люциферазой светлячков. Хотя он и показал высокую активность аденилирования при воздействии длинноцепочечных жирных кислот, не было никакой люминесценции при воздействии кислорода и LH 2 -AMP–, что дополнительно предполагает, что люцифераза возникла как гомолог длинноцепочечного жирного ацил-КоА из-за дупликации гена.

Эволюция

Филогенетический анализ, проведенный Чжаном и др . (2020), предполагает, что люциферазы семейств Lampyridae , Rhagopthalmidae и Phenogodidae отделились от семейства Elateridae 205 млн лет назад. [16] Согласно филогенетическим данным, появление этих двух люцифераз произошло еще до того, как семейства смогли разойтись, что указывает на их аналогичную природу из-за фенотипических конвергенций.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Fraga H, Fernandes D, Novotny J, Fontes R, Esteves da Silva JC (июнь 2006 г.). «Люцифераза светлячков производит перекись водорода как побочный продукт при образовании дегидролюцифериладенилата». ChemBioChem . 7 (6): 929–935. doi :10.1002/cbic.200500443. PMID  16642538. S2CID  33899357.
  2. ^ abc Baldwin TO (март 1996). "Люцифераза светлячка: структура известна, но тайна остается". Структура . 4 (3): 223–228. doi : 10.1016/S0969-2126(96)00026-3 . PMID  8805542.
  3. ^ abc Накамура М., Маки С., Амано Ю., Окита Ю., Нива К., Хирано Т. и др. (июнь 2005 г.). «Люцифераза светлячка проявляет бимодальное действие в зависимости от хиральности люциферина». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 331 (2): 471–475. дои : 10.1016/j.bbrc.2005.03.202. ПМИД  15850783.
  4. ^ ab Oba Y, Ojika M, Inouye S (апрель 2003 г.). «Люцифераза светлячка — это бифункциональный фермент: АТФ-зависимая монооксигеназа и длинноцепочечная жирная ацил-КоА-синтетаза». FEBS Letters . 540 (1–3): 251–254. Bibcode :2003FEBSL.540..251O. doi : 10.1016/S0014-5793(03)00272-2 . PMID  12681517. S2CID  12075190.
  5. ^ abc Conti E, Franks NP, Brick P (март 1996). «Кристаллическая структура люциферазы светлячков проливает свет на суперсемейство ферментов, образующих аденилат». Structure . 4 (3): 287–298. doi : 10.1016/S0969-2126(96)00033-0 . PMID  8805533.
  6. ^ ab Ugarova NN (июль 1989). "Люцифераза светлячков Luciola mingrelica. Кинетика и механизм регуляции". Журнал биолюминесценции и хемилюминесценции . 4 (1): 406–418. doi :10.1002/bio.1170040155. PMID  2801227.
  7. ^ White EH, Rapaport E, Hopkins TA, Seliger HH (апрель 1969). «Хеми- и биолюминесценция люциферина светлячков». Журнал Американского химического общества . 91 (8): 2178–2180. doi :10.1021/ja01036a093. PMID  5784183.
  8. ^ Fraga H (февраль 2008 г.). «Свечение светлячков: историческая перспектива и последние разработки». Photochemical & Photobiological Sciences . 7 (2): 146–158. Bibcode :2008PhPhS...7..146F. doi : 10.1039/b719181b . PMID  18264582.
  9. ^ Branchini BR, Southworth TL, Murtiashaw MH, Magyar RA, Gonzalez SA, Ruggiero MC, Stroh JG (июнь 2004 г.). «Альтернативный механизм определения цвета биолюминесценции в люциферазе светлячков». Biochemistry . 43 (23): 7255–7262. doi :10.1021/bi036175d. PMID  15182171.
  10. ^ Маккапра Ф., Гилфойл Д.Дж., Янг Д.В. и др. (1994). Биолюминесценция и хемилюминесценция: основы и применение .
  11. ^ Nakatani N, Hasegawa JY, Nakatsuji H (июль 2007 г.). «Красный свет в хемилюминесценции и желто-зеленый свет в биолюминесценции: механизм настройки цвета светлячка Photinus pyralis, изученный методом взаимодействия кластерной конфигурации, адаптированной к симметрии». Журнал Американского химического общества . 129 (28): 8756–8765. doi :10.1021/ja0611691. PMID  17585760.
  12. ^ Nakamura M, Niwa K, Maki S, et al. (декабрь 2006 г.). «Конструирование новой системы биолюминесценции светлячков с использованием L-люциферина в качестве субстрата». Anal. Biochem . 47 (1): 1197–1200. doi :10.1016/j.tetlet.2005.12.033.
  13. ^ Lembert N (июль 1996 г.). «Люцифераза светлячков может использовать L-люциферин для получения света». The Biochemical Journal . 317 (1): 273–277. doi :10.1042/bj3170273. PMC 1217473. PMID  8694774 . 
  14. ^ Ribeiro C, Esteves da Silva JC (сентябрь 2008 г.). «Кинетика ингибирования люциферазы светлячков оксилюциферином и дегидролюциферил-аденилатом». Photochemical & Photobiological Sciences . 7 (9): 1085–1090. Bibcode :2008PhPhS...7.1085R. doi :10.1039/b809935a. PMID  18754056. S2CID  2983297.
  15. ^ Inouye S (февраль 2010 г.). «Люцифераза светлячка: аденилатобразующий фермент для мультикаталитических функций». Cellular and Molecular Life Sciences . 67 (3): 387–404. doi :10.1007/s00018-009-0170-8. PMC 11115821 . PMID  19859663. S2CID  31033141. 
  16. ^ Zhang R, He J, Dong Z, Liu G, Yin Y, Zhang X и др. (сентябрь 2020 г.). «Геномные и экспериментальные данные дают новое представление о биосинтезе люциферина и эволюции биолюминесценции у светлячков». Scientific Reports . 10 (1): 15882. Bibcode :2020NatSR..1015882Z. doi :10.1038/s41598-020-72900-z. PMC 7522259 . PMID  32985577.