Уреазы ( EC 3.5.1.5) функционально относятся к суперсемейству амидогидролаз и фосфотриэстераз . [2] Уреазы встречаются во многих бактериях , грибах , водорослях , растениях и некоторых беспозвоночных , а также в почвах в качестве почвенного фермента . Они представляют собой никельсодержащие металлоферменты с высокой молекулярной массой. [3]
Эти ферменты катализируют гидролиз мочевины до углекислого газа и аммиака :
Гидролиз мочевины происходит в два этапа. На первом этапе образуются аммиак и карбаминовая кислота . Карбамат спонтанно и быстро гидролизуется до аммиака и угольной кислоты . Активность уреазы повышает pH ее среды, поскольку образуется аммиак, который является основным.
Его активность была впервые идентифицирована в 1876 году Фредериком Альфонсом Мускулюсом как растворимый фермент. [4] В 1926 году Джеймс Б. Самнер показал, что уреаза является белком, исследуя его кристаллизованную форму. [5] Работа Самнера была первой демонстрацией того, что белок может функционировать как фермент, и в конечном итоге привела к признанию того, что большинство ферментов на самом деле являются белками. Уреаза была первым кристаллизованным ферментом. За эту работу Самнер был удостоен Нобелевской премии по химии в 1946 году . [6] Кристаллическая структура уреазы была впервые решена П. А. Карплюсом в 1995 году. [5]
Исследование 1984 года, посвященное уреазе из бобов, показало, что активный участок содержит пару никелевых центров. [7] Активация in vitro также была достигнута с использованием марганца и кобальта вместо никеля. [8] Соли свинца являются ингибирующими .
Молекулярная масса уреазы бобов составляет либо 480 кДа , либо 545 кДа (масса рассчитана на основе аминокислотной последовательности). 840 аминокислот на молекулу, из которых 90 являются остатками цистеина. [9]
Оптимальный pH — 7,4, а оптимальная температура — 60 °C. Субстраты включают мочевину и гидроксимочевину .
Бактериальные уреазы состоят из трех отдельных субъединиц, одной большой каталитической (α 60–76 кДа) и двух маленьких (β 8–21 кДа, γ 6–14 кДа), обычно образующих (αβγ) 3 тримера стехиометрии с 2-кратной симметричной структурой (обратите внимание, что изображение выше дает структуру асимметричной единицы, одной трети истинной биологической сборки), они являются ферментами, богатыми цистеином, в результате чего молярные массы ферментов составляют от 190 до 300 кДа. [9]
Исключительная уреаза получена из Helicobacter sp. Они состоят из двух субъединиц, α(26–31 кДа)-β(61–66 кДа). Эти субъединицы образуют супрамолекулярный (αβ) 12- додекамерный комплекс. [10] повторяющихся субъединиц α-β, каждая связанная пара субъединиц имеет активный сайт, всего 12 активных сайтов. [10] Она играет важную функцию для выживания, нейтрализуя желудочную кислоту , позволяя мочевине проникать в периплазму через протон-зависимый мочевинный канал . [11] Наличие уреазы используется в диагностике видов Helicobacter .
Все бактериальные уреазы являются исключительно цитоплазматическими, за исключением уреаз Helicobacter pylori , которые наряду с цитоплазматической активностью обладают внешней активностью по отношению к клеткам-хозяевам. Напротив, все растительные уреазы являются цитоплазматическими. [9]
Грибковые и растительные уреазы состоят из идентичных субъединиц (~90 кДа каждая), чаще всего собранных в виде тримеров и гексамеров. Например, уреаза бобов имеет две структурные и одну каталитическую субъединицу. Субъединица α содержит активный центр, она состоит из 840 аминокислот на молекулу (90 цистеинов), ее молекулярная масса без ионов Ni(II) составляет 90,77 кДа. Масса гексамера с 12 ионами никеля составляет 545,34 кДа. Другими примерами гомогексамерных структур растительных уреаз являются ферменты сои, голубиного гороха и семян хлопка. [9]
Важно отметить, что, хотя уреазы из разных источников, от бактерий до растений и грибов, состоят из разных типов субъединиц, они демонстрируют высокую гомологию аминокислотных последовательностей. Одна растительная цепочка уреазы эквивалентна слитой γ-β-α организации. Helicobacter " α" эквивалентна слиянию нормальных бактериальных γ-β субъединиц, в то время как ее "β" субъединица эквивалентна нормальной бактериальной α. [9] Организация из трех цепей, вероятно, является предковой. [12]
K cat / K m уреазы при переработке мочевины в 10 14 раз больше, чем скорость некатализируемой реакции элиминации мочевины . [5] В природе существует множество причин для этого наблюдения. Близость мочевины к активным группам в активном центре вместе с правильной ориентацией мочевины позволяют гидролизу происходить быстро. Сама по себе мочевина очень стабильна из-за резонансных форм, которые она может принимать. Стабильность мочевины, как предполагается, обусловлена ее резонансной энергией, которая оценивается в 30–40 ккал/моль. [5] Это происходит потому, что все цвиттер-ионные резонансные формы отдают электроны карбонильному углероду, делая его менее электрофильным , делая его менее реактивным к нуклеофильной атаке. [5]
Активный центр уреаз расположен в субъединицах α (альфа) . Это бис-μ-гидроксодимерный никелевый центр с межатомным расстоянием ~3,5 Å. [5] > Пара Ni(II) слабо антиферромагнитно связана. [13] Исследования рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS) Canavalia ensiformis (фасоль), Klebsiella aerogenes и Sporosarcina pasteurii (ранее известной как Bacillus pasteurii ) [14] подтверждают 5–6-координационные ионы никеля с исключительно O/N-связыванием, включая два имидазольных лиганда на никель. [8] Предполагается, что субстрат мочевины вытесняет лиганды aqua .
Молекулы воды, расположенные по направлению к отверстию активного центра, образуют тетраэдрический кластер, который заполняет полость сайта посредством водородных связей . Предполагается, что некоторые аминокислотные остатки образуют подвижный лоскут сайта, который является воротами для субстрата. [3] Остатки цистеина часто встречаются в области лоскута ферментов, которые, как было установлено, не являются необходимыми для катализа, хотя и участвуют в правильном позиционировании других ключевых остатков в активном центре. [15] В уреазе Sporosarcina pasteurii лоскут был обнаружен в открытой конформации, в то время как его закрытая конформация, по-видимому, необходима для реакции. [14]
При сравнении α-субъединицы уреазы Helicobacter pylori и других бактериальных уреаз совпадают с уреазами фасоли. [15]
Связывание мочевины с активным центром уреазы не наблюдалось. [9]
Один из механизмов катализа этой реакции уреазой был предложен Блейкли и Зернером. [16] Он начинается с нуклеофильной атаки карбонильного кислорода молекулы мочевины на 5-координированный Ni (Ni-1). Слабо координированный водный лиганд вытесняется на его место. Неподеленная пара электронов от одного из атомов азота молекулы мочевины создает двойную связь с центральным углеродом, и полученный NH 2 − координированного субстрата взаимодействует с близлежащей положительно заряженной группой. Блейкли и Зернер предположили, что эта близлежащая группа является ионом карбоксилата , хотя депротонированные карбоксилаты заряжены отрицательно.
Гидроксидный лиганд на шестикоординированном Ni депротонируется основанием. Карбонильный углерод затем атакуется электроотрицательным кислородом. Пара электронов из двойной связи азот-углерод возвращается к азоту и нейтрализует заряд на нем, в то время как теперь 4-координированный углерод принимает промежуточную тетраэдрическую ориентацию.
Затем расщеплению этого промежуточного продукта способствует сульфгидрильная группа цистеина , расположенная вблизи активного центра. Водород связывается с одним из атомов азота, разрывая его связь с углеродом и высвобождая молекулу NH 3. Одновременно разрывается связь между кислородом и никелем с 6-координацией. Это оставляет ион карбамата, координированный с никелем с 5-координацией, который затем вытесняется молекулой воды, восстанавливая фермент.
Образовавшийся карбамат затем самопроизвольно распадается , образуя еще один аммиак и угольную кислоту . [17]
Механизм, предложенный Хаузингером и Карплюсом, пытается пересмотреть некоторые проблемы, очевидные в пути Блейкли и Цернера, и фокусируется на положениях боковых цепей, составляющих карман связывания мочевины. [5] Из кристаллических структур уреазы K. aerogenes было высказано предположение, что общее основание, используемое в механизме Блейкли, His 320 , находится слишком далеко от связанной с Ni2 воды, чтобы депротонироваться для образования атакующего гидроксидного фрагмента. Кроме того, общий кислотный лиганд, необходимый для протонирования азота мочевины, не был идентифицирован. [18] Хаузингер и Карплюс предлагают схему обратного протонирования, где протонированная форма лиганда His 320 играет роль общей кислоты, а связанная с Ni2 вода уже находится в депротонированном состоянии. [5] Механизм следует тому же пути, с опущенным общим основанием (поскольку в нем больше нет необходимости) и His 320, отдающим свой протон для образования молекулы аммиака, которая затем высвобождается из фермента. Хотя большинство лигандов His 320 и связанной воды не будут находиться в своих активных формах (протонированных и депротонированных соответственно), было подсчитано, что приблизительно 0,3% от общего фермента уреазы будут активны в любой момент времени. [5] Хотя логически это означало бы, что фермент не очень эффективен, вопреки устоявшимся знаниям, использование схемы обратного протонирования обеспечивает преимущество в повышенной реактивности для активной формы, уравновешивая недостаток. [5] Размещение лиганда His 320 в качестве существенного компонента в механизме также учитывает подвижную область лоскута фермента. Поскольку этот гистидиновый лиганд является частью подвижного лоскута, связывание субстрата мочевины для катализа закрывает этот лоскут над активным сайтом, а с добавлением паттерна водородных связей с мочевиной от других лигандов в кармане, это говорит об селективности фермента уреазы к мочевине. [5]
Механизм, предложенный Ciurli и Mangani [19], является одним из последних и в настоящее время принятых взглядов на механизм уреазы и основан в первую очередь на различных ролях двух ионов никеля в активном центре. [14] Один из которых связывает и активирует мочевину, другой ион никеля связывает и активирует нуклеофильную молекулу воды. [14] Что касается этого предложения, мочевина попадает в полость активного центра, когда открыт подвижный «заслон» (который позволяет мочевине попадать в активный центр). Стабильность связывания мочевины с активным центром достигается с помощью сети водородных связей , ориентирующей субстрат в каталитическую полость. [14] Мочевина связывается с пятикоординированным никелем (Ni1) с помощью карбонильного атома кислорода . Она приближается к шестикоординированному никелю (Ni2) с помощью одной из его аминогрупп и впоследствии соединяет два никелевых центра. [14] Связывание атома кислорода карбонила мочевины с Ni1 стабилизируется через состояние протонирования His α222 Nԑ. Кроме того, конформационное изменение из открытого в закрытое состояние подвижного лоскута генерирует перестройку карбонильной группы Ala α222 таким образом, что ее атом кислорода указывает на Ni2. [14] Ala α170 и Ala α366 теперь ориентированы таким образом, что их карбонильные группы действуют как акцепторы водородных связей по отношению к группе NH 2 мочевины, тем самым способствуя ее связыванию с Ni2. [14] Мочевина является очень плохим хелатирующим лигандом из-за низкого характера основания Льюиса ее групп NH 2. Однако карбонильные кислороды Ala α170 и Ala α366 усиливают основность групп NH 2 и позволяют связываться с Ni2. [14] Таким образом, в этом предложенном механизме расположение мочевины в активном центре обусловлено структурными особенностями остатков активного центра, которые расположены так, чтобы действовать как доноры водородных связей вблизи Ni1 и как акцепторы вблизи Ni2. [14] Основное структурное отличие между механизмом Чиурли/Мангани и двумя другими заключается в том, что он включает азот -кислородную мостиковую мочевину, которая подвергается атаке мостикового гидроксида . [17]
Бактериальные уреазы часто являются способом патогенеза многих медицинских состояний. Они связаны с печеночной энцефалопатией / печеночной комой , инфекционными камнями и пептической язвой. [20]
Инфекционные мочевые камни представляют собой смесь струвита (MgNH 4 PO 4 • 6H 2 O) и карбонатного апатита [Ca 10 (PO 4 )6 • CO 3 ]. [20] Эти поливалентные ионы растворимы, но становятся нерастворимыми, когда аммиак вырабатывается из микробной уреазы во время гидролиза мочевины , так как это увеличивает pH окружающей среды примерно с 6,5 до 9. [20] Полученное в результате подщелачивание приводит к кристаллизации камня . [20] У людей микробная уреаза, Proteus mirabilis , является наиболее распространенной в мочевых камнях, вызванных инфекцией. [21]
Исследования показали, что Helicobacter pylori вместе с циррозом печени вызывают печеночную энцефалопатию и печеночную кому . [22] Helicobacter pylori выделяет микробные уреазы в желудок. Уреаза гидролизует мочевину , образуя аммиак и угольную кислоту . Поскольку бактерии локализуются в желудке, вырабатываемый аммиак легко поглощается кровеносной системой из просвета желудка . [22] Это приводит к повышению уровня аммиака в крови, состоянию, известному как гипераммониемия ; эрадикация Helicobacter pylori показывает заметное снижение уровня аммиака . [22]
Helicobacter pylori также является причиной язвенной болезни, ее проявление составляет 55–68% зарегистрированных случаев. [23] Это было подтверждено снижением язвенного кровотечения и рецидива язвы после эрадикации возбудителя . [ 23] В желудке происходит повышение pH слизистой оболочки в результате гидролиза мочевины , что предотвращает перемещение ионов водорода между желудочными железами и просветом желудка . [20] Кроме того, высокие концентрации аммиака оказывают влияние на межклеточные плотные соединения, увеличивая проницаемость, а также нарушая слизистую оболочку желудка. [20] [24]
Мочевина встречается в природе в окружающей среде, а также вводится искусственно, составляя более половины всех синтетических азотных удобрений, используемых в мире. [25] Считается, что интенсивное использование мочевины способствует эвтрофикации , несмотря на наблюдение, что мочевина быстро трансформируется микробными уреазами и, таким образом, обычно не сохраняется. [26] Активность уреазы в окружающей среде часто измеряется как индикатор здоровья микробных сообществ. При отсутствии растений активность уреазы в почве обычно приписывается гетеротрофным микроорганизмам, хотя было продемонстрировано, что некоторые хемоавтотрофные бактерии, окисляющие аммоний, способны расти на мочевине как единственном источнике углерода, азота и энергии. [27]
Ингибирование уреазы является важной целью в сельском хозяйстве, поскольку быстрое разложение удобрений на основе мочевины является расточительным и наносит вред окружающей среде. [28] Фенилфосфородиамидат и N- ( н -бутил)тиофосфорный триамид являются двумя такими ингибиторами. [29]
Способствуя образованию карбоната кальция , уреазы потенциально полезны для процессов, вдохновленных биоминерализацией . [30] В частности, микробиологически индуцированное образование карбоната кальция может быть использовано при изготовлении биобетона . [31]
Помимо действия в качестве фермента, некоторые уреазы (особенно растительные) обладают дополнительными эффектами, которые сохраняются даже при отключении каталитической функции. К ним относятся энтомотоксичность, ингибирование грибов, нейротоксичность у млекопитающих, стимулирование эндоцитоза и воспалительной продукции эйкозаноидов у млекопитающих, а также индукция хемотаксиса у бактерий. Эти действия могут быть частью защитного механизма. [12]
Токсичность уреазы для насекомых была первоначально отмечена в канатоксине, ортологичной изоформе уреазы бобов джек. Расщепление пептида выявило часть 10 кДа, наиболее ответственную за этот эффект, названную джабуретокс. Аналогичная часть из уреазы сои называется союретокс. Исследования на насекомых показывают, что весь белок токсичен, не требуя никакого переваривания. Тем не менее, пептиды «уретокс», будучи более концентрированными в токсичности, показывают перспективность в качестве биопестицидов . [12]
Многие патогены желудочно-кишечного тракта и мочевыводящих путей вырабатывают уреазу, что позволяет использовать ее обнаружение в качестве диагностического метода для обнаружения присутствия патогенов.
К уреаза-положительным патогенам относятся:
Известен широкий спектр ингибиторов уреазы различных структурных семейств. Ингибирование уреазы представляет интерес не только для сельского хозяйства, но и для медицины, поскольку патогены, такие как H. pylori , вырабатывают уреазу в качестве механизма выживания. Известные структурные классы ингибиторов включают: [33] [34]
Впервые выделен в виде кристалла в 1926 году Самнером с использованием ацетоновой сольватации и центрифугирования. [36] Современная биохимия увеличила спрос на уреазу. Мука из бобов Джека , [37] семена арбуза , [38] и семена гороха [39] — все это доказали свою полезность в качестве источников уреазы.