stringtranslate.com

Фенилаланин аммиак-лиаза

Фермент фенилаланинаммиаклиаза (EC 4.3.1.24) катализирует превращение L - фенилаланина в аммиак и транс -коричную кислоту .: [1]

L -фенилаланин = транс -циннамат + NH 3

Фенилаланиновая аммиачная лиаза (PAL) является первым и обязательным этапом в фенилпропаноидном пути и, следовательно, участвует в биосинтезе полифенольных соединений , таких как флавоноиды , фенилпропаноиды и лигнин в растениях . [2] [3] Фенилаланиновая аммиачная лиаза широко встречается в растениях, а также в некоторых бактериях , дрожжах и грибах , при этом изоферменты существуют во многих различных видах. Она имеет молекулярную массу в диапазоне 270–330  кДа . [1] [4] Активность PAL резко индуцируется в ответ на различные стимулы, такие как ранение тканей, патогенная атака, свет, низкие температуры и гормоны . [1] [5] Недавно PAL изучалась на предмет возможных терапевтических преимуществ у людей, страдающих фенилкетонурией . [6] Он также использовался при получении L -фенилаланина в качестве предшественника подсластителя аспартама . [7]

Фермент является членом семейства аммиачных лиаз , которые расщепляют связи углерод-азот. Как и другие лиазы, PAL требует только один субстрат для прямой реакции, но два для обратной. Считается, что он механистически похож на родственный фермент гистидинаммиачную лиазу (EC:4.3.1.3, HAL). [8] Систематическое название этого класса ферментов - L -фенилаланинаммиачную лиазу ( транс -циннаматобразующую) . Ранее он был обозначен как EC 4.3.1.5, но этот класс был переименован в EC 4.3.1.24 (фенилаланинаммиачные лиазы), EC 4.3.1.25 (тирозинаммиачные лиазы) и EC 4.3.1.26 (фенилаланин/тирозинаммиачные лиазы). Другие общеупотребительные названия включают тиразу , фенилаланиндезаминазу , тирозинаммиаклиазу , L -тирозинаммиаклиазу , фенилаланинаммонийлиазу , PAL и L- фенилаланинаммиаклиазу .

Механизм

Фенилаланиновая аммиачная лиаза специфична для L -фенилаланина и, в меньшей степени, для L - тирозина . [9] [10] Реакция, катализируемая PAL, представляет собой спонтанную реакцию элиминирования , а не окислительное дезаминирование . [11]

Кофактор 3,5-дигидро - 5-метилдиен-4H-имидазол-4-он (MIO) участвует в реакции и находится на положительном полюсе трех полярных спиралей в активном центре, что помогает увеличить его электрофильность . [12] MIO подвергается атаке ароматического кольца L - phe , которое активирует связь CH на β-углероде для депротонирования основным остатком. [13] [14] Промежуточный карбанион этой реакции элиминирования E1cB , который стабилизируется частичными положительными областями в активном центре, затем вытесняет аммиак с образованием циннаматного алкена. Механизм реакции PAL , как полагают, аналогичен механизму родственного фермента гистидин-аммиачной лиазы. [13]

Предложено автокаталитическое образование кофактора MIO из трипептида Ala-Ser-Gly посредством двух стадий удаления воды. [15]

Остаток дегидроаланина долгое время считался ключевым электрофильным каталитическим остатком в PAL и HAL, но позже было обнаружено, что активным остатком является MIO, который является еще более электрофильным. [16] [17] Он образуется путем циклизации и дегидратации консервативного трипептидного сегмента Ala-Ser-Gly. Первым шагом образования MIO является циклизация-элиминирование путем внутримолекулярной нуклеофильной атаки азота Gly204 на карбонильную группу Ala202. Последующее удаление воды из боковой цепи Ser203 завершает систему перекрестно сопряженных двойных связей. [15] Номера приведены для фенилаланиновой аммиачной лиазы из Petroselinum crispum ( PDB 1W27). Хотя MIO является модификацией полипептида, было предложено назвать ее простетической группой, поскольку она имеет качество добавленного органического соединения. [8]

PAL ингибируется транс-коричной кислотой, а у некоторых видов может ингибироваться производными транс- коричной кислоты. [1] [18] Неприродные аминокислоты D -Phe и D -Tyr, энантиомерные формы нормального субстрата, являются конкурентными ингибиторами . [9]

Структура

PAL активный сайт

Фенилаланиновая аммиачная лиаза состоит из четырех идентичных субъединиц, состоящих в основном из альфа-спиралей , с парами мономеров , образующих один активный центр . [17] Катализ в PAL может регулироваться дипольными моментами семи различных альфа-спиралей, связанных с активным центром. [19] Активный центр содержит электрофильную группу MIO, нековалентно связанную с тремя спиралями. Leu266, Asn270, Val269, Leu215, Lys486 и Ile472 расположены на спиралях активного центра, в то время как Phe413, Glu496 и Gln500 способствуют стабилизации кофактора MIO. Ориентация дипольных моментов, генерируемых спиралями в активном центре, создает электроположительную область для идеальной реакционной способности с MIO. Частично положительные области в активном центре также могут помочь стабилизировать заряд промежуточного карбаниона. PAL структурно похож на механически связанную гистидинаммиачную лиазу, хотя PAL имеет приблизительно 215 дополнительных остатков. [17]

Функция

Фенилаланиновая аммиачная лиаза может выполнять различные функции у разных видов. Она встречается в основном в некоторых растениях и грибах (например, дрожжах). В клетках грибов и дрожжей PAL играет важную катаболическую роль, генерируя углерод и азот . [2] В растениях это ключевой биосинтетический фермент, который катализирует первый этап синтеза различных полифенильных соединений [2] [3] и в основном участвует в защитных механизмах. PAL участвует в 5 метаболических путях : метаболизм тирозина , метаболизм фенилаланина , метаболизм азота , биосинтез фенилпропаноидов и биосинтез алкалоидов .

Актуальность заболевания

Изучается заместительная ферментная терапия с использованием PAL для лечения фенилкетонурии (ФКУ), аутосомно-рецессивного генетического заболевания у людей, при котором мутации в гене фенилаланингидроксилазы (PAH, EC 1.14.16.1) инактивируют фермент. [6] Это приводит к неспособности пациента метаболизировать фенилаланин, вызывая повышенный уровень Phe в кровотоке ( гиперфенилаланинемия ) и умственную отсталость, если терапия не начата при рождении. [6]

В мае 2018 года FDA одобрило пегвалиазу , рекомбинантную пегилированную фенилаланинаммиачную лиазу для лечения фенилкетонурии, разработанную компанией Biomarin. [20] [21]

В растениях

Lactuca sativa была исследована Васкесом и др. в 2017 году. Они обнаружили, что обработка ультрафиолетом-С увеличила активность фермента PAL. Это увеличение приводит к снижению восприимчивости к Botrytis cinerea . [22]

Исследовать

Искусственные подсластители

Обратная реакция, катализируемая PAL, была исследована для использования в преобразовании транс -коричной кислоты в L -фенилаланин, который является предшественником подсластителя аспартама. Этот процесс был разработан Genex Corporation, но никогда не был коммерчески принят. [23]

Неестественный синтез аминокислот

Аналогично тому, как синтезируется аспартам, PAL также используется для синтеза неприродных аминокислот из различных замещенных коричных кислот в исследовательских целях. [24] Однако стерические препятствия от замены арена ограничивают полезность PAL для этой цели. [25] Например, когда Rhodotorula glutinis использовался для воздействия на эту биотрансформацию, было обнаружено, что фермент не переносит все пара- заместители, кроме фтора , предположительно из-за малого атомного радиуса элемента . Было обнаружено, что мета- и орто- позиции более терпимы, но все еще ограничены более крупными заместителями. Например, активный центр фермента допускает замену орто -метокси, но запрещает мета -этокси . Другие организмы с другими версиями фермента могут быть менее ограничены в этом отношении. [26] [27]

Структурные исследования

По состоянию на конец 2007 года для этого класса ферментов было решено 5 структур с кодами доступа PDB 1T6J, 1T6P, 1W27, 1Y2M и 2NYF.

Ссылки

  1. ^ abcd Camm EL, Towers G (1 мая 1973 г.). "Фенилаланиновая аммиачная лиаза". Фитохимия . 12 (5): 961–973. Bibcode :1973PChem..12..961C. doi :10.1016/0031-9422(73)85001-0.
  2. ^ abc Fritz RR, Hodgins DS, Abell CW (август 1976). "Фенилаланиновая аммиачная лиаза. Индукция и очистка от дрожжей и клиренс у млекопитающих". Журнал биологической химии . 251 (15): 4646–50. doi : 10.1016/S0021-9258(17)33251-9 . PMID  985816.
  3. ^ ab Tanaka Y, Matsuoka M, Yamanoto N, Ohashi Y, Kano-Murakami Y, Ozeki Y (август 1989). "Структура и характеристика клона кДНК для фенилаланиновой аммиачной лиазы из поврежденных корней батата". Plant Physiology . 90 (4): 1403–7. doi :10.1104/pp.90.4.1403. PMC 1061903 . PMID  16666943. 
  4. ^ Appert C, Logemann E, Hahlbrock K, Schmid J, Amrhein N (октябрь 1994 г.). «Структурные и каталитические свойства четырех изоферментов аммиака фенилаланина из петрушки (Petroselinum crispum Nym.)». European Journal of Biochemistry . 225 (1): 491–9. doi : 10.1111/j.1432-1033.1994.00491.x . PMID  7925471.
  5. ^ Hahlbrock K, Grisebach H (1 июня 1979 г.). «Ферментативный контроль в биосинтезе лигнина и флавоноидов». Annual Review of Plant Physiology . 30 (1): 105–130. doi :10.1146/annurev.pp.30.060179.000541.
  6. ^ abc Sarkissian CN, Gámez A (декабрь 2005 г.). «Фенилаланин-аммиачная лиаза, ферментная заместительная терапия фенилкетонурии, где мы сейчас?». Молекулярная генетика и метаболизм . 86 (Приложение 1): S22-6. doi :10.1016/j.ymgme.2005.06.016. PMID  16165390.
  7. ^ Evans C, Hanna K, Conrad D, Peterson W, Misawa M (1 февраля 1987 г.). «Производство фенилаланиновой аммиачной лиазы (PAL): изоляция и оценка штаммов дрожжей, подходящих для коммерческого производства L-фенилаланина». Прикладная микробиология и биотехнология . 25 (5): 406–414. doi :10.1007/BF00253309. S2CID  40066810.
  8. ^ ab Schwede TF, Rétey J, Schulz GE (апрель 1999). «Кристаллическая структура аммиачно-лиазы гистидина, раскрывающая новую модификацию полипептида в качестве каталитического электрофила». Биохимия . 38 (17): 5355–61. doi :10.1021/bi982929q. PMID  10220322.
  9. ^ ab Hodgins DS (май 1971). "Дрожжевая фенилаланиновая аммиачная лиаза. Очистка, свойства и идентификация каталитически необходимого дегидроаланина". Журнал биологической химии . 246 (9): 2977–85. doi : 10.1016/S0021-9258(18)62279-3 . PMID  5102931.
  10. ^ Barros J, Serrani-Yarce JC, Chen F, Baxter D, Venables BJ, Dixon RA (май 2016 г.). "Роль бифункциональной аммиачной лиазы в биосинтезе клеточной стенки злаков". Nature Plants . 2 (6): 16050. Bibcode :2016NatPl...216050B. doi :10.1038/nplants.2016.50. PMID  27255834. S2CID  3462127.
  11. ^ Koukol J, Conn EE (октябрь 1961 г.). «Метаболизм ароматических соединений в высших растениях. IV. Очистка и свойства фенилаланиндезаминазы Hordeum vulgare». Журнал биологической химии . 236 (10): 2692–8. doi : 10.1016/S0021-9258(19)61721-7 . PMID  14458851.
  12. ^ Alunni S, Cipiciani A, Fioroni G, Ottavi L (апрель 2003 г.). «Механизмы ингибирования фенилаланиновой аммиачно-лиазы ингибиторами фенола и синергическими ингибиторами фенола/глицина». Архивы биохимии и биофизики . 412 (2): 170–5. doi :10.1016/s0003-9861(03)00007-9. PMID  12667480.
  13. ^ ab Langer B, Langer M, Rétey J (2001). "Метилиден-имидазолон (MIO) из гистидина и фенилаланиновой аммиачной лиазы". Advances in Protein Chemistry . 58 : 175–214. doi :10.1016/s0065-3233(01)58005-5. ISBN 9780120342587. PMID  11665488.
  14. ^ Фрей П.А., Хегеман А.Д. (2007). «Метиленимидазолонозависимое устранение и присоединение: фенилаланиновая аммиачная лиаза». Механизмы ферментативных реакций . Oxford University Press. С. 460–466. ISBN 9780195352740.
  15. ^ ab Ritter H, Schulz GE (декабрь 2004 г.). «Структурная основа для входа в метаболизм фенилпропаноидов, катализируемый фенилаланиновой аммиачно-лиазой». The Plant Cell . 16 (12): 3426–36. doi :10.1105/tpc.104.025288. PMC 535883 . PMID  15548745. 
  16. ^ Ретей, Янош (2003). «Открытие и роль метилиденимидазолона, высокоэлектрофильной простетической группы». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1647 (1–2): 179–184. doi :10.1016/S1570-9639(03)00091-8. PMID  12686130.
  17. ^ abc Calabrese JC, Jordan DB, Boodhoo A, Sariaslani S, Vannelli T (сентябрь 2004 г.). «Кристаллическая структура фенилаланиновой аммиачной лиазы: множественные спиральные диполи, участвующие в катализе». Биохимия . 43 (36): 11403–16. doi :10.1021/bi049053+. PMID  15350127.
  18. ^ Sato T, Kiuchi F, Sankawa U (1 января 1982 г.). «Ингибирование аммиачно-фенилаланиновой лиазы производными коричной кислоты и родственными соединениями». Фитохимия . 21 (4): 845–850. Bibcode : 1982PChem..21..845S. doi : 10.1016/0031-9422(82)80077-0.
  19. ^ Pilbák S, Tomin A, Rétey J, Poppe L (март 2006 г.). «Основная тирозинсодержащая петлевая конформация и роль C-концевой многоспиральной области в эукариотических фенилаланиновых аммиачных лиазах». Журнал FEBS . 273 (5): 1004–19. doi : 10.1111/j.1742-4658.2006.05127.x . PMID  16478474. S2CID  33002042.
  20. ^ Powers M (29 мая 2018 г.). «Biomarin успешно сдает выпускной экзамен: Palynziq получает одобрение FDA для лечения ФКУ у взрослых». BioWorld .
  21. ^ Levy HL, Sarkissian CN, Stevens RC, Scriver CR (июнь 2018 г.). «Фенилаланиновая аммиачная лиаза (PAL): от открытия до заместительной ферментной терапии фенилкетонурии». Молекулярная генетика и метаболизм . 124 (4): 223–229. doi :10.1016/j.ymgme.2018.06.002. PMID  29941359. S2CID  49411168.
  22. ^ Urban, L.; Chabane Sari, D.; Orsal, B.; Lopes, M.; Miranda, R.; Aarrouf, J. (2018). «УФ-С-свет и импульсный свет как альтернативы химическим и биологическим элиситорам для стимуляции естественной защиты растений от грибковых заболеваний». Scientia Horticulturae . 235 . Elsevier : 452–459. Bibcode :2018ScHor.235..452U. doi :10.1016/j.scienta.2018.02.057. ISSN  0304-4238. S2CID  90436989.
  23. ^ Straathof AJ, Adlercreutz P (2014). Прикладной биокатализ. CRC Press. стр. 146. ISBN 9781482298420.
  24. ^ Хьюз А. (2009). Аминокислоты, пептиды и белки в органической химии, том 1. Weinheim, Германия: Wiley VCH. стр. 94. ISBN 9783527320967.
  25. ^ Renard G, Guilleux J, Bore C, Malta-Valette V, Lerner D (1992). «Синтез аналогов L-фенилаланина с помощью Rhodotorula glutinis. Биоконверсия производных коричных кислот». Biotechnology Letters . 14 (8): 673–678. doi :10.1007/BF01021641. S2CID  46423586.
  26. ^ Lovelock SL, Turner NJ (октябрь 2014 г.). «Бактериальная фенилаланиновая аммиачная лиаза Anabaena variabilis: биокатализатор с широкой субстратной специфичностью». Bioorganic & Medicinal Chemistry . 22 (20): 5555–7. doi :10.1016/j.bmc.2014.06.035. PMID  25037641.
  27. ^ Showa D, Hirobumi A. "Процесс производства производных L-фенилаланина микроорганизмами". Google Patents . Hirobumi Central Research Laboratory . Получено 20 июля 2014 г.

Дальнейшее чтение