В энзимологии фосфоенолпируватмутаза ( КФ 5.4.2.9) — это фермент , катализирующий химическую реакцию
Следовательно, этот фермент имеет один субстрат , фосфоенолпируват (PEP), и один продукт , 3-фосфонопируват (PPR), которые являются структурными изомерами .
Этот фермент принадлежит к семейству изомераз , а именно фосфотрансфераз (фосфомутаз), которые переносят фосфатные группы внутри молекулы. Систематическое название этого класса ферментов — фосфоенолпируват-2,3-фосфономутаза . Другие общеупотребительные названия включают фосфоенолпируват-фосфонопируватфосфомутазу , PEP-фосфомутазу , фосфоенолпируватфосфомутазу , PEPPM и PEP-фосфомутазу . Этот фермент участвует в метаболизме аминофосфонатов .
Фосфоенолпируватмутаза была открыта в 1988 году. [1] [2]
По состоянию на конец 2007 года было решено 6 структур для этого класса ферментов, все группой Герцберга [1] в Университете Мэриленда с использованием PEPPM из голубой мидии Mytilus edulis . Первая структура ( код доступа PDB 1PYM) была решена в 1999 году и включала ингибитор оксалата магния. [3] Эта структура идентифицировала фермент как состоящий из идентичных субъединиц бета-бочонка (демонстрирующих складку бочонка TIM , которая состоит из восьми параллельных бета-нитей ). Наблюдалась димеризация, при которой спираль из каждой субъединицы взаимодействует с бочонком другой субъединицы; авторы назвали эту особенность «обменом спиралями». Димеры также могут димеризоваться, образуя гомотетрамерный фермент. На основе этого исследования был предложен механизм двойного переноса фосфорила: он включает разрыв фосфорно-кислородной связи PEP с образованием промежуточного фосфофермента, за которым следует перенос фосфорильной группы от фермента к углероду-3, образуя PPR.
Однако совсем недавно была решена структура с ингибитором сульфопирувата, который является более близким аналогом субстрата (1M1B); [4] это исследование вместо этого поддержало диссоциативный механизм . Примечательной особенностью этих структур было экранирование активного центра от растворителя; было высказано предположение, что при связывании происходит значительное конформационное изменение , позволяющее это сделать, перемещая белок из «открытого» в «закрытое» состояние, и это было подтверждено несколькими кристаллическими структурами в открытом состоянии. [5] Три из них были дикого типа : апофермент в 1S2T, фермент плюс его кофактор ион магния в 1S2V и фермент при высокой ионной силе в 1S2W. Мутант (D58A, в одной из петель активного центра) также кристаллизовался как апофермент (1S2U). Из этих структур была идентифицирована «запирающая» петля активного центра (остатки 115–133), которая защищает субстрат от растворителя в закрытой конформации.
Две конформации, взятые из кристаллических структур 1M1B (закрытая) и 1S2T (открытая), состыкованы друг с другом на изображениях ниже; они незначительно отличаются, за исключением петли ворот, которая окрашена в фиолетовый цвет для закрытой конформации и в синий цвет для открытой конформации. На крупном плане активного центра (слева) также включены несколько боковых цепей (голубые), которые были идентифицированы как важные для катализа; обзор (справа) иллюстрирует характерную складку обмена спиралями. Изображения по-прежнему являются кадрами из ленточных киноизображений . Обе эти структуры были кристаллизованы в виде димеров. В цепи A (используемой для крупного плана активного центра) спирали красные, в то время как петли (кроме петли ворот) белые, а бета-цепи зеленые; в цепи B спирали желтые, бета-цепи оливковые, а петли серые; эти цвета одинаковы для закрытых и открытых структур. Ионы магния имеют серый цвет, а лиганды сульфопирувата — розовый; оба они относятся к закрытой структуре (хотя фермент также был кристаллизован только со связанным магнием и принял открытую конформацию).
Структура PEPPM очень похожа на структуру метилизоцитратлиазы , фермента, участвующего в метаболизме пропаноата , субстратом которого также является низкомолекулярная карбоновая кислота — структура бета-бочонка, а также расположение активного центра и геометрия мультимеризации одинаковы. Изоцитратлиаза также довольно похожа, хотя каждая субъединица имеет второй, меньший бета-домен в дополнение к основному бета-бочонку.
Считается, что фосфоенолпируватмутаза проявляет диссоциативный механизм. [4] В качестве кофактора задействован ион магния. Фосфорильная/фосфатная группа также, по-видимому, взаимодействует ионно с Arg159 и His190, стабилизируя реактивный промежуточный продукт. Промежуточный фосфофермент маловероятен, поскольку наиболее вероятные остатки для ковалентного аддукта могут быть мутированы лишь с частичной потерей функции. Реакция включает диссоциацию фосфора от кислорода 2, а затем нуклеофильную атаку углерода 3 на фосфор. Примечательно, что конфигурация сохраняется на фосфоре, т. е. углерод 3 PPR присоединяется к той же стороне фосфора, из которой был удален кислород 2 PEP; это было бы маловероятно для некатализируемого ферментом диссоциативного механизма, но поскольку реактивный промежуточный продукт сильно взаимодействует с аминокислотами и ионами магния активного центра, этого следует ожидать при наличии ферментного катализа.
Остатки в петле ворот активного центра, в частности Lys120, Asn122 и Leu124, также, по-видимому, взаимодействуют с субстратом и реактивным промежуточным продуктом; эти взаимодействия объясняют, почему петля переходит в закрытую конформацию при связывании субстрата.
Поскольку фосфоенолпируватмутаза обладает необычной способностью образовывать новую связь углерод-фосфор, она необходима для синтеза фосфонатов , таких как фосфонолипиды и антибиотики фосфомицин и биалафос . Образование этой связи довольно термодинамически невыгодно; даже несмотря на то, что PEP является очень высокоэнергетическим фосфатным соединением, равновесие во взаимопревращении PEP-PPR все еще благоприятствует PEP. [1] Фермент фосфонопируватдекарбоксилаза представляет собой решение этой проблемы: он катализирует очень термодинамически выгодное декарбоксилирование PPR, и полученный 2-фосфоноацетальдегид затем преобразуется в биологически полезные фосфонаты. Это позволяет реакции фосфонеолпирувата протекать в прямом направлении из-за принципа Ле Шателье . Декарбоксилирование быстро удаляет продукт, и, таким образом, реакция продвигается вперед, даже несмотря на то, что реагента было бы гораздо больше, чем продукта, если бы системе было позволено достичь равновесия самостоятельно.
Фермент карбоксифосфоенолпируватфосфономутаза выполняет похожую реакцию, превращая P-карбоксифосфоенолпируват в фосфинопируват и диоксид углерода . [2] [6]
