stringtranslate.com

Оротатфосфорибозилтрансфераза

Оротатфосфорибозилтрансфераза ( OPRTase ) или фосфорибозилтрансфераза оротовой кислотыфермент, участвующий в биосинтезе пиримидина . Он катализирует образование оротидин-5'-монофосфата (OMP) из оротата и фосфорибозилпирофосфата . [1] У дрожжей и бактерий оротатфосфорибозилтрансфераза является независимым ферментом с уникальным геном, кодирующим белок, тогда как у млекопитающих и других многоклеточных организмов каталитическая функция осуществляется доменом бифункционального фермента UMP-синтазы (UMPS). [2]

Биологическое происхождение

Реакция, катализируемая оротатфосфорибозилтрансферазой. Субстраты PRPP и оротат превращаются в оротидилат и неорганический пирофосфат.

Поскольку OPRTase является частью бифункционального комплекса UMP-синтазы у людей, функция и стабильность этого фермента не обязательно напрямую связаны с нарушениями в организме человека. Однако разумно полагать, что дисфункция одного из ферментов вызовет дисфункцию всего фермента. [3] Дефекты в UMP-синтазе связаны с гипохромной анемией. [3] У млекопитающих этот бифункциональный фермент UMPS превращает оротовую кислоту в уридинмонофосфат (UMP). [4] Оротатфосфорибозилтрансфераза расположена в N-концевом домене UMP-синтазы . Этот процесс происходит в несколько этапов, при этом оротатфосфорибозилтрансфераза отвечает за первый этап добавления рибозного кольца к оротату . [4] На этом этапе оротовая кислота превращается в оротидилат с использованием PRPP ( фосфорибозилпирофосфата ) в качестве косубстрата. Эта реакция обусловлена ​​гидролизом пирофосфата . [5] Оротидилатдекарбоксилаза расположена в С-концевом домене UMPS и преобразует этот промежуточный оротидилат в уридинмонофосфат (также называемый уридилатом или UMP) посредством декарбоксилирования . [4] Эти два этапа являются быстрыми и необратимыми у млекопитающих. У других пиримидиновых ауксотрофов , у которых нет этого бифункционального фермента, обычно менее сложных организмов, для проведения этой реакции требуются два отдельных фермента. [6] Как оротидилат , так и уридилат являются основными пиримидиновыми нуклеотидами , поскольку уридилат является предшественником РНК. Уридилат (UMP) позже преобразуется в UDP посредством фосфорилирования UMP -киназой и АТФ , а затем нуклеозиддифосфаткиназа обратимо фосфорилирует UDP в UTP . Затем UTP может быть аминирован посредством катализа цитидинтрифосфатсинтетазой из CTP . [ 5]

Механизм фермента

Реакция оротовой кислоты (оротата) в оротидилат катализируется оротатфосфорибозилтрансферазой с кофактором PRPP , который является кофактором , обычно используемым для синтеза нуклеотидов . Он переносит пирофосфорильные группы очень выгодно с ΔG -8,3 + 0,5 ккал/моль. [6] Два основных взаимодействия привлекают PRPP для помощи оротатфосфорибозилтрансферазе в этой реакции. Во-первых, оротатфосфорибозилтрансфераза имеет остатки аспарагиновой кислоты рядом с ее PRPP - связывающим мотивом, которые взаимодействуют с рибозил 2-/3-гидроксильными группами, которые стабилизируют движение углерода-1 связанной рибозильной группы. [6] Стабилизация происходит через сеть водородных связей этих гидроксильных групп с пирофосфатом , водой и магнием. [6] Во-вторых, боковые цепи С-конца PRPP- связывающего мотива благоприятно взаимодействуют с 5-фосфатом PRPP. [ 6]

Общая структура оротатфосфорибозилтрансферазы с оротовой кислотой, магнием и PRPP в активном центре.

В B. subtilis PRPP связан с этими двумя сайтами с Kd 33 мМ. Когда присутствует оротат , сродство связывания пирофосфата увеличивается в четыре раза, и реакция претерпевает взрывную кинетику с быстрым переносом фосфорибозила и затем медленным высвобождением продуктов. [7] Считается, что это медленное высвобождение происходит из-за открытой для растворителя петли оротатфосфорибозилтрансферазы, которая защищает активный сайт на первом этапе. [7] Открытие петли происходит в два этапа с неблагоприятной и медленной диссоциацией PRPP , поскольку петля закрывается в 85% случаев. [8]

Три ключевых пиримидиновых нуклеозида включают уридин , цитидин и тимидин , и они играют важную роль в биосинтезе нуклеиновых кислот, а также в метаболизме углеводов и липидов. [4] Пиримидинфосфорибозилтрансферазы, такие как оротатфосфорибозилтрансфераза, активируют свои субстраты, образуя S N 1 -подобные переходные состояния, облегчая миграцию рибозильной аномерной углеродной области в MgPP i . [9] Как и другие пиримидинфосфорибозилтрансферазы, оротатфосфорибозилтрансфераза имеет гибкую петлю, которая перемещается к позиционным группам в идеальных положениях для катализа . [4] Они также используют много молекул воды, чтобы удерживать все на месте во время реакции. [6]

Структура фермента

Кристаллическая структура OPRTase была решена несколько раз различными научными группами. [1] [10] [11] [12] У бактерий общая структура представляет собой димер из двух субъединиц, каждая из которых состоит из семи α-спиралей и десяти β-нитей, с молекулярной массой 23919,13 Да. [13] Оротатфосфорибозилтрансфераза имеет основную часть и гибкую петлю, которая в закрытом состоянии предотвращает проникновение растворителя во время реакции. [1] У других организмов, таких как млекопитающие, насекомые и слизневидные формы, это один из доменов UMP-синтазы , а другой представляет собой оротидилатдекарбоксилазу . [14] N-конец имеет пару антипараллельных цепей с остатками, которые взаимодействуют со связанным оротатом, и Lys 26, который простирается до активного сайта и образует связь с гибкой петлей в ее закрытой форме. [6] Оротовая кислота и PRPP стабилизируются в активном центре в основном за счет водородных связей со стабилизирующими взаимодействиями от Lys 26, Phe 34 и Phe 35 к оротовой кислоте , а также от Thr 128, Ala 129, Gly 130, Ala 132, Asp 124, Lys 26 и Lys 73 к PRPP . [14] Когда Lys 26 мутирует, оротатфосфорибозилтрансфераза часто проявляет сниженную активность и специфичность. [6]

Активный сайт фосфорибозилтрансферазы оротата, связанный с оротовой кислотой и PRPP в Salmonella typhimurium. Показаны стабилизирующие остатки, включая Lys 26, Phe 34 и Phe 35, которые стабилизируют оротовую кислоту, а также Thr 128, Ala 129, Gly 130, Ala 132, Asp 124, Lys 26 и Lys 73. [14]

Актуальность заболевания

Дефекты оротатфосфорибозилтрансферазы были связаны с многочисленными медицинскими состояниями. Дефекты в домене оротатфосфорибозилтрансферазы UMPS вызывают оротовую ацидурию у людей, которая является редким наследственным метаболическим заболеванием, возникающим из-за проблем с метаболизмом пиримидина . [15] Это может привести к мегалобластной анемии и кристаллурии оротовой кислоты, которая связана с физическими и умственными нарушениями. [15] Оротовая ацидурия была впервые зарегистрирована в 1959 году, когда в моче младенца был обнаружен избыток оротовой кислоты . [6] Когда у людей есть мутация, приводящая к потере активности оротатфосфорибозилтрансферазы и, следовательно, продукции УТФ , оротовая кислота накапливается и может достигать 1,5 г/день в моче младенца. [6] Это связано с тем, что УТФ является нормальным конечным продуктом у здоровых людей в пути синтеза пиримидина и обычно регулирует этот путь. [6] Накопление оротовой кислоты может привести к образованию осадка в почках и, в конечном итоге, к почечной недостаточности. [6] Аналогично, у крупного рогатого скота голштинской породы дефицит UMPS вызван аутосомным заболеванием, которое приводит к гибели потомства на раннем эмбриональном этапе. [16]

Оротатфосфорибозилтрансфераза также является основным ферментом, участвующим в превращении 5-фторурацила в 5-F-UMP посредством фосфорибозилирования. Некоторые научные исследования показали, что оротатфосфорибозилтрансфераза потенциально может играть роль в прогностике рака. [17] Например, одно исследование показало, что соотношение экспрессии генов оротатфосфорибозилтрансферазы и дигидропиримидиндегидрогеназы влияет на прогноз пациентов с метастатическим колоректальным раком после химиотерапии на основе фторпиримидина . [17] Считается, что 5-F-UMP становится ингибитором самоубийства для тимидилатсинтетазы и играет важную роль в ингибировании роста опухоли. [17] [18] Когда пациенты с резектабельным колоректальным раком лечились пероральным 5-фторурацилом, у пациентов с высоким уровнем оротатфосфорибозилтрансферазы наблюдались значительно лучшие результаты выживания. [18] Аналогичный потенциал прогноза, основанный на уровнях и активности фосфорибозилтрансферазы оротата, был связан с карциномой мочевого пузыря и карциномой желудка . [19] [20]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abcd González-Segura L, Witte JF, McClard RW, Hurley TD (декабрь 2007 г.). «Образование тройного комплекса и индуцированная асимметрия в оротатфосфорибозилтрансферазе». Биохимия . 46 (49): 14075–86. doi :10.1021/bi701023z. PMID  18020427.
  2. ^ Yablonski MJ, Pasek DA, Han BD, Jones ME, Traut TW (май 1996). «Внутренняя активность и стабильность бифункциональной человеческой UMP-синтазы и ее двух отдельных каталитических доменов, оротатфосфорибозилтрансферазы и оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазы». Журнал биологической химии . 271 (18): 10704–8. doi : 10.1074/jbc.271.18.10704 . PMID  8631878.
  3. ^ ab Musick WD (1981). «Структурные особенности фосфорибозилтрансфераз и их связь с нарушениями метаболизма пуринов и пиримидинов у человека». CRC Critical Reviews in Biochemistry . 11 (1): 1–34. doi :10.3109/10409238109108698. PMID  7030616.
  4. ^ abcde Okesli A, Khosla C, Bassik MC (декабрь 2017 г.). «Биосинтез пиримидиновых нуклеотидов человека как мишень для противовирусной химиотерапии». Current Opinion in Biotechnology . 48 : 127–134. doi : 10.1016/j.copbio.2017.03.010. PMC 5659961. PMID  28458037 . 
  5. ^ аб Берг Дж. М., Тимочко Дж. Л., Гатто Г. Дж., Страйер Л. (2018). Страйер Биохимия . дои : 10.1007/978-3-662-54620-8. ISBN 978-3-662-54619-2.
  6. ^ abcdefghijkl Schramm VL, Grubmeyer C (2004). "Механизмы фосфорибозилтрансферазы и их роль в метаболизме нуклеиновых кислот". Progress in Nucleic Acid Research and Molecular Biology . 78 : 261–304. doi :10.1016/s0079-6603(04)78007-1. ISBN 9780125400787. PMID  15210333.
  7. ^ ab Frey PA, Arabshahi A (сентябрь 1995 г.). "Стандартное изменение свободной энергии для гидролиза мостика альфа, бета-фосфоангидрида в АТФ". Биохимия . 34 (36): 11307–10. doi :10.1021/bi00036a001. PMID  7547856.
  8. ^ Wang GP, Cahill SM, Liu X, Girvin ME, Grubmeyer C (январь 1999). "Движущаяся динамика каталитической петли в OMP-синтазе". Биохимия . 38 (1): 284–95. doi :10.1021/bi982057s. PMID  9890909.
  9. ^ Бхагаван НВ, Ха CE (2015). «Метаболизм нуклеотидов». Основы медицинской биохимии . Elsevier. стр. 465–487. doi :10.1016/b978-0-12-416687-5.00025-7. ISBN 9780124166875.
  10. ^ Grubmeyer C, Hansen MR, Fedorov AA, Almo SC (июнь 2012 г.). «Структура синтазы OMP Salmonella typhimurium в полном субстратном комплексе». Биохимия . 51 (22): 4397–405. doi :10.1021/bi300083p. PMC 3442144. PMID  22531064 . 
  11. ^ Henriksen A, Aghajari N, Jensen KF, Gajhede M (март 1996). «Гибкая петля на димерном интерфейсе является частью активного центра соседнего мономера оротатфосфорибозилтрансферазы Escherichia coli». Биохимия . 35 (12): 3803–9. doi :10.1021/bi952226y. PMID  8620002.
  12. ^ Scapin G, Grubmeyer C, Sacchettini JC (1994). «Кристаллическая структура оротатфосфорибозилтрансферазы». Биохимия . 33 (6): 1287–1294. doi :10.1021/bi00172a001. PMID  8312245.
  13. ^ PDB : 1STO ​; Scapin G, Grubmeyer C, Sacchettini JC (февраль 1994). «Кристаллическая структура оротатфосфорибозилтрансферазы». Биохимия . 33 (6): 1287–94. doi :10.1021/bi00172a001. PMID  8312245.
  14. ^ abc Scapin G, Ozturk DH, Grubmeyer C, Sacchettini JC (август 1995). "Кристаллическая структура оротатфосфорибозилтрансферазы в комплексе с оротатом и альфа-D-5-фосфорибозил-1-пирофосфатом". Биохимия . 34 (34): 10744–54. doi :10.1021/bi00034a006. PMID  7545004.
  15. ^ ab Suchi M, Harada N, Tsuboi T, Asai K, Okajima K, Wada Y, Takagi Y (июль 1988 г.). "152 Молекулярное клонирование человеческой UMP-синтазы". Pediatric Research . 24 (1): 136. doi : 10.1203/00006450-198807000-00176 .
  16. ^ Schwenger B, Schöber S, Simon D (апрель 1993 г.). «Скот DUMPS несет точечную мутацию в гене уридинмонофосфатсинтазы». Genomics . 16 (1): 241–4. doi :10.1006/geno.1993.1165. PMID  8486364.
  17. ^ abc Ichikawa W, Uetake H, Shirota Y, Yamada H, Takahashi T, Nihei Z, Sugihara K, Sasaki Y, Hirayama R (октябрь 2003 г.). «Как экспрессия гена оротатфосфорибозилтрансферазы, так и ее отношение к дигидропиримидиндегидрогеназе влияют на результаты химиотерапии на основе фторпиримидина при метастатическом колоректальном раке». British Journal of Cancer . 89 (8): 1486–92. doi :10.1038/sj.bjc.6601335. PMC 2394351 . PMID  14562021. 
  18. ^ ab Ochiai T, Nishimura K, Noguchi H, Kitajima M, Tsukada A, Watanabe E, Nagaoka I, Futagawa S (июнь 2006 г.). «Прогностическое влияние оротатфосфорибозилтрансферазы среди 5-фторурациловых метаболических ферментов при резектабельном колоректальном раке, леченном пероральной адъювантной химиотерапией на основе 5-фторурацила». International Journal of Cancer . 118 (12): 3084–8. doi : 10.1002/ijc.21779 . PMID  16425285. S2CID  23440166.
  19. ^ Sakurai Y, Sakamoto K, Sugimoto Y, Yoshida I, Masui T, Tonomura S, Inaba K, Shoji M, Nakamura Y, Uyama I, Komori Y, Ochiai M, Matsuura S, Tanaka H, ​​Oka T, Fukushima M (июнь 2006 г.). «Уровни фосфорибозилтрансферазы оротата, измеренные с помощью недавно созданного иммуноферментного анализа при карциноме желудка». Cancer Science . 97 (6): 492–8. doi : 10.1111/j.1349-7006.2006.00200.x . PMC 11158547 . PMID  16734727. 
  20. ^ Mizutani Y, Wada H, Fukushima M, Yoshida O, Nakanishi H, Li YN, Miki T (февраль 2004 г.). «Прогностическое значение активности оротатфосфорибозилтрансферазы при карциноме мочевого пузыря». Cancer . 100 (4): 723–31. doi : 10.1002/cncr.11955 . PMID  14770427.