stringtranslate.com

Малеат-изомераза

В энзимологии малеат -изомераза ( EC 5.2.1.1) или малеат-цис-транс-изомераза является членом суперсемейства Asp/Glu рацемазы , обнаруженного у бактерий. Она отвечает за катализ цис-транс-изомеризации двойной связи C2-C3 в малеате с образованием фумарата , [1] который является критическим промежуточным продуктом в цикле лимонной кислоты . [2] Для катализа требуется присутствие экзогенного меркаптана . [3]

Иллюстрация общей изомеризации, катализируемой малеатизомеразой

Малеат-изомераза участвует в метаболизме бутаноата , а также никотината и никотинамида . [4] Это важный фермент для последнего этапа пути метаболического распада никотиновой кислоты . В последнее время малеат-изомераза стала промышленной целью для распада табачных отходов. [5] [6] Она также привлекла внимание своей причастностью к производству аспарагиновой и малеиновой кислот . [7] [8] [9]

Малеат-изомераза используется многими видами бактерий, включая Pseudomonas fluorescens , [3] Alcaligenes faecalis , [10] Bacillus stearothermophilus , [11] Serratia marcescens [8] , Pseudomonas putida [12] и Nocardia farcinica . [1] [5] Фермент имеет молекулярную массу 74 000 и число оборотов 1 800 моль на моль белка в минуту. [3]

Структура

Аналогично другим членам Asp/Glu рацемазы, малеат-изомераза образована двумя идентичными протомерами с плоской поверхностью димеризации. [13] [14] Каждый протомер малеат-изомеразы имеет два домена, соединенных псевдодвукратной симметрией, причем каждый домен вносит один каталитический цистеин, который имеет решающее значение для активности изомеразы в активном центре. [5] Эксперимент показывает, что замена любого цистеина на серин значительно снижает скорость реакции фермента. [1]

Помимо каталитических цистеинов, несколько других остатков в активном центре важны для распознавания субстрата и помогают стабилизировать промежуточные продукты реакции. [5] [1] Например, малеатоизомераза из Pseudomonas putida S16 использует Asn17 и Asn169 для образования водородных связей с карбоксилатной группой малеата, дистальной к Cys82. [5] Tyr139 образует водородные связи с карбоксилатной группой малеата, проксимальной к Cys82. [5] Pro14 и Val84 осуществляют ван-дер-ваальсовы взаимодействия с атомами углерода C2 и C3 малеата. [5]

Механизм

Механизм малеатизомеразы считается схожим с механизмами других членов Asp/Glu рацемазы, хотя и не полностью изучен. Один из предложенных механизмов реакции малеатизомеразы Nocardia farcinia выглядит следующим образом. [1] [9] В активном центре малеатизомеразы Cys76 сначала депротонируется, чтобы легче действовать как нуклеофил. [1] Затем атом серы депротонированного Cys76 осуществляет прямую нуклеофильную атаку на атом C2 малеата, ковалентно связываясь с атомом C2. [9] [1] Одновременно тиоловый протон Cys194 переносится на атом C3 малеата с образованием промежуточного соединения сукцинилцистеина. [9] [1] Затем вновь образованная одинарная связь C2–C3 поворачивается, при этом связь Cys76S–C2 диссоциирует, а атом C3 малеата депротонируется Cys194, образуя таким образом фумарат с регенерацией нейтрального Cys194. [9] [1] У некоторых типов бактерий малеат, по-видимому, полностью скрыт внутри полости малеатизомеразы и не виден на поверхности фермента. [5]

Один из предложенных механизмов реакции малеатизомеразы (C1, C2, C3, C4 — четыре атома углерода в малеате сверху вниз)

Промышленная значимость

Малеатизомеразу можно использовать для получения фумаровой кислоты, важного строительного материала для реакций полимеризации и этерификации , путем изомеризации малеиновой кислоты. [7] Малеиновая кислота производится из малеинового ангидрида . [7]

Малеиновую кислоту также можно преобразовать в фумаровую кислоту путем термической или каталитической цис - транс- изомеризации. [15] [16] Однако эти методы преобразования происходят при высоких температурах, что приводит к образованию побочных продуктов из малеиновой и фумаровой кислот, в результате чего выходы ниже равновесных выходов. [17] Эта проблема была основной мотивацией для альтернативной ферментативной стратегии с малеатизомеразой, которая способствовала бы изомеризации без побочных продуктов. [7]

Известно, что даже при умеренных температурах природная малеатизомераза нестабильна. [18] По этой причине разрабатываются и применяются термостабильные малеатизомеразы. [7] Например, термостабильные малеатизомеразы, полученные из Bacillus stearothermophilus, Bacillus brevis и Bacillus sporothermodurans , использовались для улучшения процесса. [7] [17] В исследовании с использованием Pseudomonas alcaligenes XD-1 скорость превращения малеиновой кислоты в фумаровую кислоту могла достигать 95%. [19] [20] [7]

Ссылки

  1. ^ abcdefghi Fisch F, Fleites CM, Delenne M, Baudendistel N, Hauer B, Turkenburg JP, Hart S, Bruce NC, Grogan G (август 2010 г.). «Ковалентный сукцинилцистеин-подобный промежуточный продукт в катализируемом ферментом превращении малеата в фумарат малеатизомеразой». Журнал Американского химического общества . 132 (33): 11455–7. doi :10.1021/ja1053576. PMID  20677745.
  2. ^ Танака К, Кобаяши К, Огасавара Н (сентябрь 2003 г.). «Двухкомпонентная система Bacillus subtilis YufLM регулирует экспрессию транспортеров малата MaeN (YufR) и YflS и необходима для утилизации малата в минимальной среде». Микробиология . 149 (Pt 9): 2317–29. doi : 10.1099/mic.0.26257-0 . PMID  12949159.
  3. ^ abc Scher W, Jakoby WB (апрель 1969). "Малеатизомераза". Журнал биологической химии . 244 (7): 1878–82. doi : 10.1016/S0021-9258(18)91762-X . PMID  5780844.
  4. ^ Behrman EJ, Stanier RY (октябрь 1957 г.). «Бактериальное окисление никотиновой кислоты». Журнал биологической химии . 228 (2): 923–45. doi : 10.1016/S0021-9258(18)70671-6 . PMID  13475371.
  5. ^ abcdefgh Chen D, Tang H, Lv Y, Zhang Z, Shen K, Lin K, Zhao YL, Wu G, Xu P (март 2013 г.). «Структурные и вычислительные исследования малеатизомеразы из Pseudomonas putida S16 выявляют дыхательное движение, обволакивающее субстрат внутри». Молекулярная микробиология . 87 (6): 1237–44. doi : 10.1111/mmi.12163 . PMID  23347155. S2CID  13313674.
  6. ^ Tang H, Yao Y, Wang L, Yu H, Ren Y, Wu G, Xu P (2012). «Геномный анализ Pseudomonas putida: гены на геномном острове имеют решающее значение для деградации никотина». Scientific Reports . 2 : 377. doi :10.1038/srep00377. PMC 3332521 . PMID  22530095. 
  7. ^ abcdefg Роа Энгель Калифорния, Страатхоф А.Дж., Зийлманс Т.В., ван Гулик В.М., ван дер Вилен Л.А. (март 2008 г.). «Производство фумаровой кислоты ферментацией». Прикладная микробиология и биотехнология . 78 (3): 379–89. дои : 10.1007/s00253-007-1341-x. ПМК 2243254 . ПМИД  18214471. 
  8. ^ ab Hatakeyama K, Goto M, Kobayashi M, Terasawa M, Yukawa H (июль 2000 г.). «Анализ чувствительности к окислению малеат-цис-транс-изомеразы из Serratia marcescens». Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry . 64 (7): 1477–85. doi :10.1271/bbb.64.1477. PMID  10945267.
  9. ^ abcde Dokainish HM, Ion BF, Gauld JW (июнь 2014). "Вычислительные исследования каталитического механизма малеатизомеразы: роль остатков цистеина активного центра". Physical Chemistry Chemical Physics . 16 (24): 12462–74. doi :10.1039/c4cp01342e. PMID  24827730.
  10. ^ Хатакеяма К, Асаи И, Учида И, Кобаяши М, Терасава М, Юкава Х (октябрь 1997 г.). «Клонирование генов и характеристика малеат цис-транс изомеразы из Alcaligenes faecalis». Biochemical and Biophysical Research Communications . 239 (1): 74–9. doi :10.1006/bbrc.1997.7430. PMID  9345272.
  11. ^ Хатакеяма К, Гото М, Учида Й, Кобаяши М, Терасава М, Юкава Х (март 2000 г.). «Молекулярный анализ малеат-цис-транс-изомеразы из термофильных бактерий». Бионаука, биотехнология и биохимия . 64 (3): 569–76. doi :10.1271/bbb.64.569. PMID  10803955. S2CID  43798064.
  12. ^ Хименес JI, Каналес A, Хименес-Барберо J, Джинальски K, Рыхлевски L, Гарсия JL, Диас E (август 2008 г.). «Расшифровка генетических детерминант аэробной деградации никотиновой кислоты: кластер nic из Pseudomonas putida KT2440». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 105 (32): 11329–34. doi : 10.1073/pnas.0802273105 . PMC 2516282. PMID  18678916 . 
  13. ^ Ружейников СН, Таал МА, Седельникова СЭ, Бейкер ПДж, Райс ДВ (ноябрь 2005 г.). «Субстрат-индуцированные конформационные изменения в рацемазе глутамата Bacillus subtilis и их значение для открытия лекарств». Структура . 13 (11): 1707–13. doi : 10.1016/j.str.2005.07.024 . PMID  16271894.
  14. ^ Ohtaki A, Nakano Y, Iizuka R, Arakawa T, Yamada K, Odaka M, Yohda M (март 2008 г.). «Структура аспартатрацемазы в комплексе с двойным аналогом субстрата, лимонной кислотой, и ее влияние на механизм реакции». Proteins . 70 (4): 1167–74. doi :10.1002/prot.21528. PMID  17847084. S2CID  38854552.
  15. ^ Lohbeck K, Haferkorn H, Fuhrmann W, Fedtke N (2000). Энциклопедия промышленной химии Ульмана . Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. doi :10.1002/14356007.a16_053. ISBN 978-3-527-30673-2.
  16. ^ Otsuka K (январь 1961). «Цис-транс-изомераза изомеризации малеиновой кислоты в фумаровую кислоту». Сельскохозяйственная и биологическая химия . 25 (9): 726–730. doi : 10.1271/bbb1961.25.726 .
  17. ^ ab Гото М, Нара Т, Токумару И, Фугоно Н, Учида Ю, Терасава М (февраль 1997 г.). «Способ получения фумаровой кислоты». {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
  18. ^ Takamura Y, Takamura T, Soejima M, Uemura T (январь 1969). «Исследования индуцированного синтеза малеат-цис-транс-изомеразы малонатом: Часть III. Очистка и свойства малеат-цис-транс-изомеразы, индуцированной малонатом». Журнал сельскохозяйственной и биологической химии . 33 (5): 718–728. doi :10.1080/00021369.1969.10859369.
  19. ^ Накадзима-Камбе, Тошиаки; Нозуэ, Такехиро; Мукояма, Масахару; Накахара, Тадаацу (январь 1997 г.). «Биоконверсия малеиновой кислоты в фумаровую кислоту штаммом Pseudomonas alcaligenes XD-1». Журнал ферментации и биоинженерии . 84 (2): 165–168. doi :10.1016/S0922-338X(97)82549-4.
  20. ^ Ичикава, Сосаку; Иино, Томоко; Сато, Сейго; Накахара, Тадаатсу; Мукатака, Сукекуни (январь 2003 г.). «Улучшение скорости производства и выхода фумаровой кислоты из малеиновой кислоты путем тепловой обработки штамма Pseudomonas alcaligenes XD-1». Biochemical Engineering Journal . 13 (1): 7–13. doi :10.1016/S1369-703X(02)00080-3.