stringtranslate.com

Глюкансахараза

Глюкансахараза в Streptococcus mutans . Домены имеют цветовую кодировку. Для доменов, состоящих из несмежных сегментов, каждому сегменту был присвоен номер. Здесь показаны сегменты IV1 (оранжевый), B1 (красный), A1 (синий), C (розовый), A2 (фиолетовый), B2 (желтый) и IV2 (зеленый).

Глюкансахараза (также известная как глюкозилтрансфераза ) — это фермент семейства гликозидгидролаз GH70, используемый молочнокислыми бактериями для расщепления сахарозы ; затем он использует полученные молекулы глюкозы для построения длинных липких цепей биопленки . Эти внеклеточные гомополисахариды называются полимерами α- глюкана .

Ферменты глюкансахараза могут синтезировать различные глюканы с различной растворимостью , реологией и другими свойствами, изменяя тип гликозидной связи, степень разветвления, длину, массу и конформацию полимеров. Глюкансахаразы классифицируются в соответствии с гликозидной связью, которую они катализируют. Они могут быть мутансахаразами, декстрансукразами, альтернансахаразами или рейтерансахаразами. [1] Эта универсальность сделала глюкансахаразу полезной для промышленного применения. [2] Роль глюкансахаразы в кариесгенезе представляет большой интерес. Полимеры глюкана прилипают к зубам во рту человека и вызывают кариес . [3]

Структура

Глюкансахараза — это крупные внеклеточные белки со средней молекулярной массой около 160 000 дальтон . Поэтому кристаллографические исследования проводились только для фрагментов ферментов, а не для полных структур. Однако глюкансахараза очень похожа на α-амилазу , другой фермент, расщепляющий сахар. [2] Таким образом, глюкансахараза имеет много одинаковых структурных особенностей. Например, оба фермента имеют три домена в своем каталитическом ядре и (β/α) 8 ствол. [4]

Глюкансахараза имеет пять основных доменов: A, B, C, IV и V. Однако домены в глюкансахаразе имеют иное расположение, чем в α-амилазе. Характеристики сворачивания α-амилазы и глюкансахаразы по-прежнему очень похожи, но их домены переставлены. [5] [6] [3] Домены A, B, IV и V построены из двух несмежных частей полипептидной цепи, в результате чего цепь следует U-образной форме. [1] От N-конца к C-концу полипептидная цепь идет в следующем порядке: V, IV, B, A, C, A, B, IV, V (см. рисунок вверху справа). [4] Домен C является единственным, состоящим из непрерывной полипептидной последовательности.

Домен A содержит (β/α) 8 ствол и каталитический сайт. В каталитическом сайте три остатка в частности играют важную роль для ферментативной активности: нуклеофильный аспартат , кислотно-основной глутамат и дополнительный аспартат для стабилизации переходного состояния . [4] [3]

Домен B образует скрученный антипараллельный β-слой . Некоторые петли в домене B помогают формировать канавку около каталитического сайта. Кроме того, некоторые аминокислоты между доменами A и B образуют сайт связывания кальция около нуклеофильного аспартата. Ион Ca 2+ необходим для активности фермента. [4] [3]

Реакция и механизм

Реакция глюкансахаразы состоит из двух частей. Сначала она расщепляет гликозидную связь , чтобы расщепить сахарозу. Продуктами реакции являются составляющие моносахариды глюкоза и фруктоза . Эта глюкоза добавляется к растущей глюкановой цепи. Глюкансахараза использует энергию, высвобождаемую при расщеплении связи, для запуска синтеза глюкана. [2] И распад сахарозы, и синтез глюкана происходят в одном и том же активном центре. [3]

Первый шаг осуществляется через механизм трансгликозилирования, включающий промежуточный гликозил-фермент в подсайте-1. Глутамат, вероятно, является каталитической кислотой/основанием, аспартат — нуклеофилом, а другой аспартат — стабилизатором переходного состояния. [5] [7] Все эти три остатка высококонсервативны, и их мутация приводит к значительному снижению ферментативной активности. [3]

Активный центр глюкансахаразы в Lactobacillus reuteri

Механизм глюкансахаразы исторически был спорным в научной литературе. [8] [9] [10] Механизм включает два смещения. Первое происходит из гликозидного расщепления субстрата сахарозы между подсайтами -1 и +1. Это высвобождает фруктозу и образует промежуточное соединение сахар-фермент, когда единица глюкозы присоединяется к нуклеофилу.

Второе смещение — это перенос глюкозильного фрагмента на акцептор, например, на растущую глюкановую цепь. В прошлом спор шел о том, присоединена ли глюкозильная группа к невосстанавливающему или восстанавливающему концу входящего акцептора. Дополнительные исследования указали на невосстанавливающий механизм с одним активным сайтом. [1] [2] [11] [3]

Эволюция

Белки глюкансахараза, вероятно, произошли от предшественника фермента амилазы. [3] Оба фермента имеют схожие паттерны сворачивания и белковые домены. Фактически, прошлые попытки создать препараты, нацеленные на глюкансахаразу, не увенчались успехом, поскольку препараты также разрушали амилазу, которая необходима для расщепления крахмалов . [12] [13] Это произошло из-за того, что активные центры двух ферментов почти одинаковы. Глюкансахараза, вероятно, сохранила высококонсервативный активный центр, поскольку она прошла другой эволюционный путь.

Здоровье

Глюкансахараза позволяет бактериям полости рта Streptococcus mutans метаболизировать сахарозу в молочную кислоту. Эта молочная кислота снижает pH вокруг зубов и растворяет фосфат кальция в зубной эмали , что приводит к кариесу. [14] Кроме того, синтез глюкана помогает S. mutans прикрепляться к поверхности зубов. [15] [16] По мере накопления полимеров они помогают большему количеству кислотопродуцирующих бактерий оставаться на зубах. Следовательно, глюкансахараза является такой привлекательной лекарственной мишенью для предотвращения кариеса. Если S. mutans больше не могут расщеплять сахарозу и синтезировать глюкан, фосфат кальция не разрушается, и бактерии не могут так легко прикрепляться к зубам.

Промышленность

Бактерии с ферментами глюкансахаразой широко используются в промышленности для различных целей. Полимерный декстран является одним из ярких примеров очень полезного полимера. Он производится в промышленных масштабах для использования в ветеринарии , технологии разделения, биотехнологии , пищевой промышленности для гелеобразования, загущения и эмульгирования, в медицине как пребиотик , средство для снижения уровня холестерина или расширитель плазмы крови и т. д. [4] [8] [17]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Ито К., Ито С., Симамура Т., Вейанд С., Каварасаки Ю., Мисака Т., Абэ К., Кобаяши Т., Кэмерон А.Д., Ивата С. (апрель 2011 г.). «Кристаллическая структура глюкансахаразы возбудителя кариеса Streptococcus mutans». Журнал молекулярной биологии . 408 (2): 177–86. дои : 10.1016/j.jmb.2011.02.028. ПМИД  21354427.
  2. ^ abcd ван Хиюм С.А., Краль С., Озимек Л.К., Дейхуизен Л., ван Гил-Шуттен И.Г. (март 2006 г.). «Структурно-функциональные взаимоотношения ферментов глюкансахаразы и фруктансахаразы молочнокислых бактерий». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 157–76. doi :10.1128/MMBR.70.1.157-176.2006. ПМЦ 1393251 . ПМИД  16524921. 
  3. ^ abcdefgh Vujicic-Zagar A, Pijning T, Kralj S, López CA, Eeuwema W, Dijkhuizen L, et al. (декабрь 2010 г.). «Кристаллическая структура фрагмента глюкансукразы массой 117 кДа дает представление об эволюции и специфичности продукта ферментов GH70». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 107 (50): 21406–11. Bibcode : 2010PNAS..10721406V. doi : 10.1073/pnas.1007531107 . PMC 3003066. PMID  21118988 . 
    • Дункан Гир (2010-12-07). «Фермент, вызывающий кариес зубов, идентифицирован и направлен». Wired .
  4. ^ abcde Leemhuis H, Pijning T, Dobruchowska JM, van Leeuwen SS, Kralj S, Dijkstra BW, Dijkhuizen L (январь 2013 г.). «Глюкансахаразы: трехмерные структуры, реакции, механизм, анализ α-глюкана и их значение в биотехнологии и пищевых приложениях». Журнал биотехнологии . 163 (2): 250–72. doi :10.1016/j.jbiotec.2012.06.037. PMID  22796091.
  5. ^ ab "Глюкансахараза". PDB101: Молекула месяца .
  6. ^ MacGregor EA, Jespersen HM, Svensson B (январь 1996). "Циклически переставленная структура альфа/бета-бочонка типа альфа-амилазы в глюкан-синтезирующих глюкозилтрансферазах". FEBS Letters . 378 (3): 263–6. Bibcode : 1996FEBSL.378..263M. doi : 10.1016/0014-5793(95)01428-4. PMID  8557114.
  7. ^ Tsumori H, Minami T, Kuramitsu HK (июнь 1997 г.). «Идентификация незаменимых аминокислот в глюкозилтрансферазах Streptococcus mutans». Журнал бактериологии . 179 (11): 3391–6. doi :10.1128/jb.179.11.3391-3396.1997. PMC 179127. PMID  9171379 . 
  8. ^ ab Monchois V, Willemot RM, Monsan P (апрель 1999). «Глюкансахаразы: механизм действия и структурно-функциональные связи». FEMS Microbiology Reviews . 23 (2): 131–51. doi : 10.1111/j.1574-6976.1999.tb00394.x . PMID  10234842.
  9. ^ ван Хиюм С.А., Краль С., Озимек Л.К., Дейхуйзен Л., ван Гил-Шуттен И.Г. (март 2006 г.). «Структурно-функциональные взаимоотношения ферментов глюкансахаразы и фруктансахаразы молочнокислых бактерий». Обзоры микробиологии и молекулярной биологии . 70 (1): 157–76. doi :10.1128/MMBR.70.1.157-176.2006. ПМЦ 1393251 . ПМИД  16524921. 
  10. ^ Робит Дж. Ф., Юн Ш., Мукерджи Р. (декабрь 2008 г.). «Дектранссахараза и механизм биосинтеза декстрана». Исследование углеводов . 343 (18): 3039–48. doi : 10.1016/j.carres.2008.09.012. ПМИД  18922515.
  11. ^ Jensen MH, Mirza O, Albenne C, Remaud-Simeon M, Monsan P, Gajhede M, Skov LK (март 2004). "Кристаллическая структура ковалентного промежуточного соединения амилосахаразы из Neisseria polysaccharea". Биохимия . 43 (11): 3104–10. doi :10.1021/bi0357762. PMID  15023061.
  12. ^ «Исследователи-стоматологи о бактериях полости рта: не привязывайтесь слишком сильно». 2010-12-08. Архивировано из оригинала 2010-12-14 . Получено 2014-02-28 .
  13. ^ «В поисках лекарства от кариеса». 2011-05-12.
  14. ^ Featherstone JD (сентябрь 2008 г.). «Кариес зубов: динамический процесс заболевания». Australian Dental Journal . 53 (3): 286–91. doi :10.1111/j.1834-7819.2008.00064.x. PMID  18782377.
  15. ^ Baron, S.; Loesche, WJ (1996). "Микробиология кариеса зубов и заболеваний пародонта". Медицинская микробиология . Медицинское отделение Техасского университета в Галвестоне. ISBN 978-0-9631172-1-2. PMID  21413316.
  16. ^ Colby SM, McLaughlin RE, Ferretti JJ, Russell RR (февраль 1999). «Влияние инактивации генов gtf на адгезию Streptococcus downei». Oral Microbiology and Immunology . 14 (1): 27–32. doi :10.1034/j.1399-302x.1999.140103.x. PMID  10204477.
  17. ^ Soetaert W, Schwengers D, Buchholz K, Vandamme EJ (январь 1995 г.). «Широкий спектр модификаций углеводов одним микроорганизмом: leuconostoc mesenteroides». Progress in Biotechnology . Vol. 10. Elsevier. pp. 351–358. doi :10.1016/S0921-0423(06)80116-4. ISBN 978-0-444-82223-9.

Внешние ссылки