stringtranslate.com

Пируватдекарбоксилаза

Пируватдекарбоксилаза — это фермент ( EC 4.1.1.1), который катализирует декарбоксилирование пировиноградной кислоты в ацетальдегид . Его также называют карбоксилазой 2-оксокислот, карбоксилазой альфа-кетокислот и пировиноградной декарбоксилазой. [1] В анаэробных условиях этот фермент участвует в процессе ферментации, который происходит в дрожжах, особенно рода Saccharomyces , для производства этанола путем ферментации. Он также присутствует в некоторых видах рыб (включая золотых рыбок и карпов ), где он позволяет рыбе выполнять ферментацию этанола (наряду с ферментацией молочной кислоты) при недостатке кислорода. [2] Пируватдекарбоксилаза запускает этот процесс, превращая пируват в ацетальдегид и углекислый газ. [3] Пируватдекарбоксилаза зависит от кофакторов тиаминпирофосфата (TPP) и магния. Этот фермент не следует путать с неродственным ферментом пируватдегидрогеназой , оксидоредуктазой ( EC 1.2.4.1), которая катализирует окислительное декарбоксилирование пирувата в ацетил-КоА .

Структура

Пируватдекарбоксилаза встречается как димер димеров с двумя активными центрами, общими для мономеров каждого димера. Фермент содержит бета-альфа-бета-структуру, дающую параллельные бета-слои. Он содержит 563 субъединицы остатков в каждом димере; фермент имеет сильное межмономерное притяжение, но димеры слабо взаимодействуют, образуя свободный тетрамер. [4]

Кристаллографические структуры пируватдекарбоксилазы
  • Графическая схема мономера пируватдекарбоксилазы с присоединенным ТФП.
    Графическая схема мономера пируватдекарбоксилазы с присоединенным ТФП.
  • Мультяшная диаграмма тетрамера пируватдекарбоксилазы.
    Мультяшная диаграмма тетрамера пируватдекарбоксилазы.
  • Активный центр пируватдекарбоксилазы с выбранными аминокислотами: Glu-51, Glu-477, Asp-444 и Asp-28. Также показаны кофакторы TPP и Mg2+.
    Активный центр пируватдекарбоксилазы с выбранными аминокислотами: Glu-51, Glu-477, Asp-444 и Asp-28. Также показаны кофакторы TPP и Mg 2+ .
  • Положения остатков His и Cys относительно активного центра (TPP и Mg), которые участвуют в конформационных изменениях при взаимодействии с пируватным субстратом.
    Положения остатков His и Cys относительно активного центра (TPP и Mg), которые участвуют в конформационных изменениях при взаимодействии с пируватным субстратом.

Остатки активного центра

Каждый активный сайт имеет 20 аминокислотных остатков, включая кислый Glu-477, который взаимодействует с кольцом TPP, и Glu-51, который участвует в связывании кофактора. Эти глутаматы также стабилизируют илид TPP, выступая в качестве доноров протонов. Неполярная среда вокруг этого Glu 477 неполярна, что способствует более высокому, чем обычно, pKa ( нормальные значения pKa Glu и Asp составляют около 4,6 в небольших белках). [5]

Липофильные остатки Ile-476, Ile-480 и Pro-26 способствуют неполярности области вокруг Glu-477. Единственным другим отрицательно заряженным остатком, помимо кофермента TPP, является Asp-28, который также способствует увеличению pKa Glu -477. Таким образом, среда фермента должна допускать протонирование гамма-карбоксильной группы Glu-477, чтобы pH составлял около 6. [5]

Аминопиримидиновое кольцо на TPP действует как основание, когда находится в своей иминной форме, чтобы оторвать протон C2 от TPP для образования нуклеофильного илида . [4] Это должно происходить, потому что фермент не имеет основных боковых цепей, присутствующих для депротонирования TPP C2. Мутация в активном центре, включающая эти Glu, может привести к неэффективности или неактивности фермента. Эта неактивность была доказана в экспериментах, в которых отсутствуют либо N1', либо 4'-аминогруппы. В анализе ЯМР было определено, что когда TPP связывается с ферментом вместе с субстратным аналогом пирувамидом, скорость образования илида больше, чем нормальная скорость фермента. Кроме того, скорость мутации Glu 51 в Gln значительно снижает эту скорость. [4]

Остатки Asp-444 и Asp-28 связывают Mg2 + . Два Cys-221 (более 20 ангстрем от каждого сайта) и His-92 запускают конформационное изменение , которое ингибирует или активирует фермент в зависимости от доступности субстрата. Если субстрат, связанный в активном сайте, является пируватом, фермент активируется конформационным изменением в этом регуляторном сайте . [6] Конформационное изменение включает 1,2-нуклеофильное присоединение. Эта реакция, образование тиокеталя, переводит фермент из неактивного в активное состояние.

Ингибирование сайта осуществляется классом ингибиторов/аналогов субстрата XC 6 H 4 CH=CHCOCOOH, а также продуктом декарбоксилирования таких соединений, как циннамальдегиды. Другие потенциальные нуклеофильные сайты для ингибитора включают Cys-152, Asp-28, His-114, His-115 и Gln-477. [6]

Нормальная каталитическая скорость пируватдекарбоксилазы составляет k cat = 10 с −1 . Однако скорость фермента с мутацией Glu-51 в Gln составляет 1,7 с −1 . [4]

Протезная группа ТПП

Кофактор TPP является простетической группой фермента. Центр CH, расположенный между атомами серы и азота на тиазольном кольце, является кислым. При депротонировании он образует илид и становится отрицательно заряженным как карбанион . Он может реагировать как нуклеофил на кетонном углероде пировиноградной кислоты. [3] Во время декарбоксилирования пирувата TPP стабилизирует промежуточные карбанионы как электрофил нековалентными связями. [4] В частности, пиридильный азот N1' и 4'-аминогруппа TPP необходимы для каталитической функции комплекса фермент-TPP. [5]

Механизм

Фермент расщепляет пируват на углекислый газ и ацетальдегид. Реакция протекает путем атаки нуклеофильного углерода тиазола на кетогруппу. Промежуточный продукт теряет углекислый газ, давая енол , в необратимой стадии. Впоследствии высвобождается свободный ацетальдегид и регенерируется ТФП. [7]

Дрожжи

В дрожжах пируватдекарбоксилаза действует независимо во время анаэробной ферментации и высвобождает 2-углеродный фрагмент в виде ацетальдегида плюс углекислый газ. Пируватдекарбоксилаза создает средства для устранения CO2 , который клетка рассеивает. Фермент также является средством для создания этанола, который используется в качестве антибиотика для устранения конкурирующих организмов. [4] Фермент необходим для содействия декарбоксилированию альфа-кетокислот, поскольку происходит накопление отрицательного заряда, которое происходит на атоме углерода карбонила в переходном состоянии; поэтому фермент обеспечивает подходящую среду для встречи ТФП и альфа-кетокислоты (пирувата). [4]

Ссылки

  1. ^ "NiceZyme View of ENZYME: EC 4.1.1.1". Сервер протеомики ExPASy.
  2. ^ Арен ван Ваарде; Г. Ван ден Тилларт; Мария Верхаген (1993). "Образование этанола и регуляция pH у рыб". Выживание при гипоксии . CRC Press. стр. 157−170. hdl :11370/3196a88e-a978-4293-8f6f-cd6876d8c428. ISBN 0-8493-4226-0.
  3. ^ ab Tadhg P. Begley; McMurry, John (2005). Органическая химия биологических путей . Roberts and Co. Publishers. стр. 179. ISBN 0-9747077-1-6.
  4. ^ abcdefg PDB : 1pyd ​; Dyda F, Furey W, Swaminathan S, Sax M, Farrenkopf B, Jordan F (июнь 1993 г.). "Каталитические центры в тиаминдифосфатзависимом ферменте пируватдекарбоксилазе при разрешении 2,4 А". Биохимия . 32 (24): 6165–70. doi :10.1021/bi00075a008. PMID  8512926.
  5. ^ abc Lobell M, Crout DH (1996). «Пируватдекарбоксилаза: молекулярное моделирование декарбоксилирования пирувата и образования ацилоина». J. Am. Chem. Soc . 118 (8): 1867–1873. doi :10.1021/ja951830t.
  6. ^ ab Baburina I, Dikdan G, Guo F, Tous GI, Root B, Jordan F (февраль 1998 г.). «Реактивность в месте активации субстрата дрожжевой пируватдекарбоксилазы: ингибирование искажением доменных взаимодействий». Biochemistry . 37 (5): 1245–55. doi :10.1021/bi9709912. PMID  9477950.
  7. ^ H., Garrett, Reginald (2013). Биохимия . Grisham, Charles M. (5-е изд.). Belmont, CA: Brooks/Cole, Cengage Learning. ISBN 9781133106296. OCLC  777722371.{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

Внешние ссылки