stringtranslate.com

Малатсинтаза

В энзимологии малатсинтаза ( EC 2.3.3.9) — это фермент , катализирующий химическую реакцию

ацетил-КоА + H 2 O + глиоксилат ( S )-малат + КоА

Три субстрата этого фермента — ацетил-КоА , Н2О и глиоксилат , тогда как два его продукта — ( S )-малат и КоА . Этот фермент участвует в метаболизме пирувата , а также в метаболизме глиоксилата и дикарбоксилата .

Номенклатура

Этот фермент принадлежит к семейству трансфераз , а именно ацилтрансфераз , которые преобразуют ацильные группы в алкильные при переносе. Систематическое название этого класса ферментов — ацетил-КоА:глиоксилат С-ацетилтрансфераза (тиоэфир-гидролизующая, карбоксиметил-образующая). Другие общеупотребительные названия включают L-малатглиоксилатлиазу (КоА-ацетилирование), глиоксилаттрансацетилазу, глиоксилаттрансацетазу, глиоксиловую трансацетазу, малатконденсирующий фермент, малатсинтетазу, яблочную синтетазу и яблочно-конденсирующий фермент.

Структура

Кристаллографическая структура фермента малатсинтазы (слева) и увеличенный вид активного центра (справа) в комплексе с его продуктом, малатом, и координирующим катионом магния. [1]

Малатсинтазы делятся на два основных семейства, изоформы A и G. Изоформа G является мономерной с размером около 80 кДа и встречается исключительно у бактерий . [2] Изоформа A имеет массу около 65 кДа на субъединицу и может образовывать гомомультимеры у эукариот . [3] Этот фермент содержит центральный ствол TIM , зажатый между N-концевым альфа-спиральным зажимом и альфа/бета-доменом, происходящим из двух вставок в последовательность ствола TIM . Фермент заканчивается C-концевой пятиспиральной заглушкой. Активный сайт, где ацетил-КоА и глиоксилат связываются с ферментом, находится между стволом TIM и C-концевой заглушкой. [4] После связывания молекула ацетил-КоА образует J-образную форму, вставленную в связывающий карман, посредством внутримолекулярной водородной связи между N7 аденинового кольца и гидроксильной группой на пантетеиновом хвосте. [4] Кроме того, критический ион магния в активном центре координируется с глиоксилатом , глутаминовой кислотой 427, аспарагиновой кислотой 455 и двумя молекулами воды. [4] Аминокислоты, взаимодействующие с ацетил-КоА при связывании, высококонсервативны. [2] Идентичность последовательностей высока в пределах каждого класса изоформ, но между обоими классами идентичность последовательностей падает примерно до 15%. [5] Альфа/бета-домен, который не имеет очевидной функции, не виден в изоформе А. [6]

Полная длина
Активный центр малатсинтазы связан с пируватом и ацетил-КоА (АСО), что показано в его изогнутой J-конфигурации. Октаэдрический координирующий катион Mg2 + показан зеленым цветом, молекулы воды — красными точками, а полярные контакты — пунктирными желтыми линиями.

Механизм

Механизм малатсинтазы представляет собой альдольную реакцию с последующим гидролизом тиоэфира . Первоначально аспартат 631 действует как каталитическое основание, отрывая протон от альфа-углерода ацетил -КоА и создавая енолят , который стабилизируется аргинином 338. [6] Это считается этапом , определяющим скорость механизма. [7] Затем вновь образованный енолят действует как нуклеофил , который атакует альдегид глиоксилата , сообщая отрицательный заряд кислороду , который стабилизируется аргинином 338 и координирующим катионом магния . Этот промежуточный продукт малил-КоА затем подвергается гидролизу в части ацил-КоА , образуя карбоксилатный анион. [2] Фермент в конечном итоге высвобождает малат и кофермент А.

Функция

Роль малатсинтазы в глиоксилатном цикле.

Цикл лимонной кислоты (также известный как цикл трикарбоновых кислот или цикл Кребса) используется аэробными организмами для производства энергии посредством окисления ацетил -КоА , который образуется из пирувата (продукта гликолиза ). Цикл лимонной кислоты принимает ацетил-КоА и метаболизирует его с образованием углекислого газа . Связанный цикл, называемый глиоксилатным циклом , обнаружен во многих бактериях и растениях. У растений глиоксилатный цикл происходит в глиоксисомах . [8] В этом цикле изоцитратлиаза и малатсинтаза пропускают этапы декарбоксилирования цикла лимонной кислоты. Другими словами, малатсинтаза работает вместе с изоцитратлиазой в глиоксилатном цикле , чтобы обойти два окислительных этапа цикла Кребса и разрешить включение углерода из ацетата или жирных кислот во многих микроорганизмах. [9] Вместе эти два фермента служат для производства сукцината (который выходит из цикла, чтобы использоваться для синтеза сахаров) и малата (который остается в глиоксилатном цикле). Во время этого процесса в качестве субстратов используются ацетил-КоА и вода. В результате клетка не теряет 2 молекулы углекислого газа , как это происходит в цикле Кребса . Глиоксилатный цикл, поддерживаемый малатсинтазой и изоцитратлиазой, позволяет растениям и бактериям существовать на ацетил-КоА или других двухуглеродных соединениях. Например, Euglena gracilis , одноклеточная эукариотическая водоросль , потребляет этанол для образования ацетил-КоА и впоследствии углеводов . [10] В прорастающих растениях глиоксилатный цикл позволяет преобразовывать резервные липиды в углеводы внутри глиоксисом . [11]

Эволюционная история

Малатсинтаза обнаружена в виде октамера идентичных субъединиц (каждая примерно 60 кДа) в некоторых растениях, включая кукурузу. Она обнаружена в виде гомотетрамера в грибке Candida и в виде гомодимера в эубактериях . Малатсинтаза слита с С-концом изоцитратлиазы в C. elegans , что приводит к образованию одного бифункционального белка. Хотя в настоящее время недостаточно информации о последовательности для определения точной эволюционной истории малатсинтазы, последовательности растений, грибов и C. elegans различны и не показывают гомологов из архебактерий . [12]

Активность у людей

Традиционно малатсинтазы описываются в бактериях как часть глиоксилатного цикла, а малатсинтазная активность не была описана для человеческого белка до исследования Strittmatter и др. В этом исследовании было обнаружено, что CLYBL является человеческим митохондриальным ферментом с малатсинтазной активностью. Он обнаружен во многих эукариотических таксонах и сохраняется в бактериях. CLYBL отличается от других малатсинтаз тем, что у него отсутствует большая часть С-концевого домена и он демонстрирует более низкую удельную активность и эффективность. [13] CLYBL связан с путем метаболизма витамина B12 , поскольку он сильно коэкспрессируется с MUT, MMAA и MMAB, тремя членами митохондриального пути B12. [13] Кроме того, потеря полиморфизма функции , которая приводит к потере белка CLYBL, одновременно связана с низким уровнем B12 в плазме человека. [13] Хотя точный механизм участия CLYBL в метаболизме B12 не совсем понятен, считается, что он преобразует цитрамалил-КоА в пируват и ацетил-КоА. Без этого преобразования итаконил-КоА, предшественник цитрамалил-КоА, накапливается в клетке, что приводит к инактивации витамина B12. Эта инактивация ингибирует цикл метионина, что приводит к снижению метаболизма серина , глицина , одноуглеродного и фолиевой кислот . [14] [15]

Клиническое значение

Поскольку глиоксилатный цикл происходит в бактериях и грибах, изучение механизмов малатсинтазы (а также изоцитратлиазы) важно для понимания патогенеза человека, животных и растений . Изучение малатсинтазы может пролить свет на метаболические пути, которые позволяют патогенам выживать внутри хозяина, а также прояснить возможные методы лечения. [16] Было проведено много исследований активности малатсинтазы у патогенов, включая Mycobacterium tuberculosis , Pseudomonas aeruginosa , Brucella melitensis и Escherichia coli .

Микобактерии туберкулеза

Малатсинтаза и глиоксилатный путь особенно важны для M. tuberculosis , обеспечивая длительную персистенцию ее инфекции. [2] Когда клетки M. tuberculosis подвергаются фагоцитозу , бактерия активирует гены, кодирующие ферменты глиоксилатного шунта . [17] Mycobacterium tuberculosis является одним из наиболее хорошо изученных патогенов в связи с ферментом малатсинтазой. Структура и кинетика малатсинтазы Mycobacterium tuberculosis хорошо классифицированы. [18] [2] Малатсинтаза необходима для выживания Mycobacterium tuberculosis , поскольку она позволяет бактериям ассимилировать ацетил-КоА в длинноцепочечные углеводы и выживать в суровых условиях. Помимо этого, малатсинтаза предотвращает токсичность от накопления глиоксилата , производимого изоцитратлиазой . [19] Снижение регуляции малатсинтазы приводит к снижению стрессоустойчивости, персистенции и роста Mycobacterium tuberculosis внутри макрофагов. [20] Фермент может быть ингибирован малыми молекулами (хотя ингибирование зависит от микросреды), что предполагает, что их можно использовать в качестве новых химиотерапевтических средств. [21]

Синегнойная палочка

Pseudomonas aeruginosa вызывает тяжелые инфекции у людей и считается критической угрозой Всемирной организацией здравоохранения из-за ее устойчивости к множественным методам лечения. Глиоксилатный шунт необходим для роста Pseudomonas aeruginosa в организме хозяина. В 2017 году Маквей и др. исследовали трехмерную структуру малатсинтазы G P. aeruginosa . Они обнаружили, что это мономер, состоящий из четырех доменов, и он высококонсервативен у других патогенов. Они также использовали вычислительный анализ для выявления двух связывающих карманов, которые могут служить мишенями для лекарственных препаратов. [22]

Бруцелла мелитенсис

Brucella melitensis — патогенная бактерия, вызывающая лихорадку и воспаление придатка яичка уовец и крупного рогатого скота, которая может передаваться человеку через употребление непастеризованного молока. Малатсинтаза была идентифицирована как потенциальный фактор вирулентности этой бактерии. В 2016 году Ади и др. построили трехмерную кристаллизованную структуру белка для идентификации каталитических доменов и исследования потенциальных ингибиторов . Они идентифицировали пять ингибиторов с непероральной токсичностью, которые служили лекарствами против бактерий, предлагая возможные пути лечения бруцеллеза . [23]

Escherichia coli

В Escherichia coli гены, кодирующие ферменты, необходимые для глиоксилатного цикла, экспрессируются из полицистронного ace- оперона . Этот оперон содержит гены, кодирующие малатсинтазу (aceB), изоцитратлиазу (aceA) и изоцитратдегидрогеназу киназу/фосфатазу (aceK). [24]

Структурные исследования

По состоянию на начало 2018 года было решено несколько структур для малатсинтаз, включая структуры с кодами доступа PDB 2GQ3, 1D8C, 3OYX, 3PUG, 5TAO, 5H8M, 2JQX, 1P7T и 1Y8B. [25]

Ссылки

  1. ^ PDB : 5T8G ​; Huang HL, Krieger IV, Parai MK, Gawandi VB, Sacchettini JC (декабрь 2016 г.). «Структуры синтазы малата Mycobacterium tuberculosis с фрагментами открывают портал для обмена субстратом/продуктом». Журнал биологической химии . 291 (53): 27421–32. doi : 10.1074/jbc.m116.750877 . PMC  5207166 . PMID  27738104.
  2. ^ abcde Smith CV, Huang CC, Miczak A, Russell DG, Sacchettini JC, Höner zu Bentrup K (январь 2003 г.). «Биохимические и структурные исследования малатсинтазы из Mycobacterium tuberculosis». Журнал биологической химии . 278 (3): 1735–43. doi : 10.1074/jbc.M209248200 . PMID  12393860.
  3. ^ Durchschlag H, Biedermann G, Eggerer H (февраль 1981). «Крупномасштабная очистка и некоторые свойства малатсинтазы из пекарских дрожжей». European Journal of Biochemistry . 114 (2): 255–62. doi :10.1111/j.1432-1033.1981.tb05144.x. PMID  7011808.
  4. ^ abc Anstrom DM, Kallio K, Remington SJ (сентябрь 2003 г.). "Структура малатсинтазы G:пируват:ацетил-коэнзим A абортивного тройного комплекса Escherichia coli при разрешении 1,95 A". Protein Science . 12 (9): 1822–32. doi :10.1110/ps.03174303. PMC 2323980 . PMID  12930982. 
  5. ^ Серрано Дж.А., Бонете MJ (август 2001 г.). «Секвенирование, филогенетический и транскрипционный анализ глиоксилатного обходного оперона (ace) у галофильных архей Haloferax volcanii». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Структура и экспрессия генов . 1520 (2): 154–62. дои : 10.1016/s0167-4781(01)00263-9. ПМИД  11513957.
  6. ^ ab Howard BR, Endrizzi JA, Remington SJ (март 2000). «Кристаллическая структура малатсинтазы G Escherichia coli в комплексе с магнием и глиоксилатом при разрешении 2,0 А: механистические последствия». Биохимия . 39 (11): 3156–68. doi :10.1021/bi992519h. PMID  10715138.
  7. ^ Clark JD, O'Keefe SJ, Knowles JR (август 1988). «Малатсинтаза: доказательство ступенчатой ​​конденсации Кляйзена с использованием теста двойного изотопного фракционирования». Биохимия . 27 (16): 5961–71. doi :10.1021/bi00416a020. PMID  2847778.
  8. ^ Страйер Л., Берг Дж.М., Тимочко Дж.Л. (2003). Биохимия (пятое изд.). Нью-Йорк: Фриман. ISBN 978-0-7167-4684-3. OCLC  48055706.
  9. ^ Kornberg HL, Sadler JR (декабрь 1961 г.). «Метаболизм соединений C2 в микроорганизмах. VIII. Цикл дикарбоновых кислот как путь окисления гликолята Escherichia coli». The Biochemical Journal . 81 (3): 503–13. doi :10.1042/bj0810503. PMC 1243371. PMID  14458448 . 
  10. ^ Nakazawa M (2017). "C2 метаболизм у Euglena". Euglena: биохимия, клеточная и молекулярная биология . Достижения в экспериментальной медицине и биологии. Том 979. С. 39–45. doi :10.1007/978-3-319-54910-1_3. ISBN 978-3-319-54908-8. PMID  28429316.
  11. ^ Cioni M, Pinzauti G, Vanni P (1981). «Сравнительная биохимия глиоксилатного цикла». Comparative Biochemistry and Physiology B. 70 : 1–26. doi :10.1016/0305-0491(81)90118-8.
  12. ^ Schnarrenberger C, Martin W (февраль 2002 г.). «Эволюция ферментов цикла лимонной кислоты и глиоксилатного цикла высших растений. Исследование случая эндосимбиотического переноса генов». European Journal of Biochemistry . 269 (3): 868–83. doi : 10.1046/j.0014-2956.2001.02722.x . PMID  11846788.
  13. ^ abc Strittmatter L, Li Y, Nakatsuka NJ, Calvo SE, Grabarek Z, Mootha VK (май 2014 г.). «CLYBL — полиморфный человеческий фермент с активностью малатсинтазы и β-метилмалатсинтазы». Human Molecular Genetics . 23 (9): 2313–23. doi :10.1093/hmg/ddt624. PMC 3976331 . PMID  24334609. 
  14. ^ Shen H, Campanello GC, Flicker D, Grabarek Z, Hu J, Luo C, Banerjee R, Mootha VK (ноябрь 2017 г.). «Человеческий нокаутирующий ген CLYBL связывает итаконат с витамином B12». Cell . 171 (4): 771–782.e11. doi :10.1016/j.cell.2017.09.051. PMC 5827971 . PMID  29056341. 
  15. ^ Reid MA, Paik J, Locasale JW (ноябрь 2017 г.). «Недостающее звено метаболизма витамина B12». Cell . 171 (4): 736–737. doi : 10.1016/j.cell.2017.10.030 . PMID  29100069.
  16. ^ Dunn MF, Ramírez-Trujillo JA, Hernández-Lucas I (октябрь 2009 г.). «Основные роли изоцитратлиазы и малатсинтазы в бактериальном и грибковом патогенезе». Microbiology . 155 (Pt 10): 3166–75. doi : 10.1099/mic.0.030858-0 . PMID  19684068.
  17. ^ Höner Zu Bentrup K, Miczak A, Swenson DL, Russell DG (декабрь 1999 г.). «Характеристика активности и экспрессии изоцитратлиазы в Mycobacterium avium и Mycobacterium tuberculosis». Журнал бактериологии . 181 (23): 7161–7. doi :10.1128/JB.181.23.7161-7167.1999. PMC 103675. PMID  10572116 . 
  18. ^ Quartararo CE, Blanchard JS (август 2011 г.). «Кинетический и химический механизм малатсинтазы из Mycobacterium tuberculosis». Биохимия . 50 (32): 6879–87. doi :10.1021/bi2007299. PMC 3153559. PMID  21728344 . 
  19. ^ Puckett S, Trujillo C, Wang Z, Eoh H, Ioerger TR, Krieger I, Sacchettini J, Schnappinger D, Rhee KY, Ehrt S (март 2017 г.). «Детоксикация глиоксилата — важная функция малатсинтазы, необходимая для ассимиляции углерода в Mycobacterium tuberculosis». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 114 (11): E2225–E2232. Bibcode : 2017PNAS..114E2225P. doi : 10.1073/pnas.1617655114 . PMC 5358392. PMID  28265055 . 
  20. ^ Singh KS, Sharma R, Keshari D, Singh N, Singh SK (сентябрь 2017 г.). «Понижение регуляции малатсинтазы в Mycobacterium tuberculosis H37Ra приводит к снижению толерантности к стрессу, стойкости и выживаемости в макрофагах». Туберкулез . 106 : 73–81. doi :10.1016/j.tube.2017.07.006. PMID  28802408. S2CID  38331939.
  21. ^ May EE, Leitão A, Tropsha A, Oprea TI (декабрь 2013 г.). «Исследование системной химической биологии ингибирования малатсинтазы и изоцитратлиазы у Mycobacterium tuberculosis во время активного роста и роста NRP». Computational Biology and Chemistry . 47 : 167–80. doi :10.1016/j.compbiolchem.2013.07.002. PMC 4010430. PMID  24121675 . 
  22. ^ McVey AC, Medarametla P, Chee X, Bartlett S, Poso A, Spring DR, Rahman T, Welch M (октябрь 2017 г.). «Структурная и функциональная характеристика малатсинтазы G из условно-патогенного Pseudomonas aeruginosa». Биохимия . 56 (41): 5539–5549. doi : 10.1021/acs.biochem.7b00852 . PMID  28985053.
  23. ^ Adi PJ, Yellapu NK, Matcha B (декабрь 2016 г.). «Моделирование, молекулярная стыковка, зондирование каталитического режима связывания ацетил-КоА малатсинтазы G в Brucella melitensis 16M». Biochemistry and Biophysics Reports . 8 : 192–199. doi : 10.1016 /j.bbrep.2016.08.020. PMC 5613768. PMID  28955956. 
  24. ^ Cortay JC, Bleicher F, Duclos B, Cenatiempo Y, Gautier C, Prato JL, Cozzone AJ (сентябрь 1989 г.). «Использование ацетата в Escherichia coli: структурная организация и дифференциальная экспрессия оперона ace». Biochimie . 71 (9–10): 1043–9. doi :10.1016/0300-9084(89)90109-0. PMID  2512996.
  25. ^ Банк, RCSB Protein Data. "RCSB PDB: Домашняя страница". www.rcsb.org . Получено 05.03.2018 .