stringtranslate.com

Аминоацилаза

В энзимологии аминоацилаза ( КФ 3.5.1.14) — это фермент , катализирующий химическую реакцию

N-ацил-L-аминокислота   + H 2 O ⇌ карбоксилат + L-аминокислота       

Таким образом, двумя субстратами этого фермента являются N-ацил-L-аминокислота и H 2 O , тогда как двумя его продуктами являются карбоксилат и L-аминокислота .

Этот фермент принадлежит к семейству гидролаз , которые действуют на связи углерод-азот , отличные от пептидных связей , в частности, в линейных амидах . Систематическое название этого класса ферментов — амидогидролаза N-ацил-L-аминокислот . Другие общеупотребительные названия включают дегидропептидазу II , гистозим , гиппуриказу , бензамидазу , ацилазу I , гиппуразу , деацилазу амидокислот , L-аминоацилазу , ацилазу , аминоацилазу I , ацилазу L-аминокислот , гидролазу альфа-N-ациламинокислот , длинную ациламидоацилазу и короткую ациламидоацилазу . Этот фермент участвует в цикле мочевины и метаболизме аминогрупп .

Структура фермента

Четвертичная структура аминоацилазы 1 (PDB 1Q7L)

По состоянию на конец 2007 года были решены две структуры для этого класса ферментов с кодами доступа PDB 1Q7L и 1YSJ. Эти структуры также соответствуют двум известным первичным аминокислотным последовательностям для аминоацилаз. Сопутствующие статьи идентифицируют два типа доменов , включающих аминоацилазы: домены связывания цинка , которые связывают ионы Zn2 + , и домены , которые облегчают димеризацию доменов связывания цинка . [1] [2] Именно эта димеризация позволяет катализу происходить, поскольку активный сайт аминоацилазы находится между ее двумя доменами связывания цинка . [1]

Связанный цинк облегчает связывание субстрата N-ацил-L-аминокислоты , вызывая конформационный сдвиг , который объединяет субъединицы белка вокруг субстрата и позволяет осуществить катализ . [3] Аминоацилаза 1 существует в гетеротетрамерной структуре, что означает, что 2 домена связывания цинка и 2 домена димеризации объединяются, образуя четвертичную структуру аминоацилазы 1 .

Механизм фермента

Механизм реакции аминоацилазы (кликните для увеличения изображения)

Аминоацилаза — это металлофермент , которому для функционирования необходим цинк ( Zn2 + ) в качестве кофактора . [3] [4] Ионы цинка внутри аминоацилазы координируются с гистидином , глутаматом , аспартатом и водой . [ 1] [3] [5] Ион цинка поляризует воду , способствуя ее депротонированию близлежащим основным остатком . [3] [5] Отрицательно заряженный гидроксид-ион является нуклеофильным и атакует электрофильный карбонильный углерод ацильной группы субстрата . [5] Точный механизм после этой точки неизвестен, с одной из возможностей, что карбонил затем восстанавливается, разрывает амидную связь и образует два продукта . В какой-то момент механизма другая молекула воды входит и координируется с цинком , возвращая фермент в исходное состояние. [5]

Кинетика реакции аминоацилазы Михаэлиса-Ментен

Нуклеофильная атака водой является ограничивающим скорость этапом каталитического механизма аминоацилазы . [6] Эта нуклеофильная атака обратима, в то время как последующие этапы быстры и необратимы. [6] Эта последовательность реакций является примером кинетики Михаэлиса-Ментен , позволяющей определить K M , K cat , V max , число оборотов и специфичность субстрата с помощью классических ферментативных экспериментов Михаэлиса-Ментен . [6] Второй и третий прямые этапы вызывают образование и высвобождение продуктов реакции . [6]

Биологическая функция

Роль аминоацилазы в регуляции цикла мочевины (кликните для увеличения изображения)

Аминоацилазы экспрессируются в почках , где они перерабатывают N-ацил-L-аминокислоты в L-аминокислоты и участвуют в регуляции цикла мочевины.

N-ацил-L-аминокислоты образуются, когда N-конец L -аминокислот ковалентно связан с ацильной группой . Ацильная группа обеспечивает стабильность аминокислоты , делая ее более устойчивой к деградации. Кроме того, N-ацил-L-аминокислоты не могут быть использованы непосредственно в качестве строительных блоков для белков и должны сначала быть преобразованы в L-аминокислоты аминоацилазой. Опять же, продукты L-аминокислот могут быть использованы для биосинтеза или катаболизированной энергии .

Аминоацилаза участвует в регуляции цикла мочевины . N-ацетил-L-глутамат является аллостерическим активатором карбамоилфосфатсинтетазы , важнейшего фермента , который передает молекулы NH 4 + в цикл мочевины . [7] Цикл мочевины избавляет организм от избытка аммиака ( NH 4 + ), процесс , который должен быть повышен во время повышенного катаболизма белков , так как распад аминокислот производит большие количества NH 4 + . [7] Когда катаболизм аминокислот увеличивается, N-ацетилглутаматсинтаза повышается, производя больше N-ацетил-L-глутамата, который повышает регуляцию карбамоилфосфатсинтетазы и позволяет ей утилизировать избыток NH 4 + из катаболизма . [7]

Аминоацилаза активируется во время дефицита питательных веществ или голодания , вызывая распад N-ацетил-L-глутамата, что снижает регуляцию карбамоилфосфатсинтетазы и остальной части цикла мочевины . Такая реакция является эволюционно выгодной, поскольку дефицит питательных веществ означает, что не так много NH 4 + , который нужно утилизировать, и поскольку организм хочет спасти как можно больше аминокислот. [7]

Актуальность заболевания

Дефицит аминоацилазы 1 ( A1D ) — редкое заболевание, вызванное аутосомно-рецессивной мутацией в гене аминоацилазы 1 ( ACY1 ) на хромосоме 3p21. [8] [9] [10] [11] [12] Отсутствие функциональной аминоацилазы 1, вызванное A1D , приводит к дисфункциональному циклу мочевины , вызывая ряд неврологических расстройств, включая судороги , мышечную гипотонию , умственную отсталость и нарушение психомоторного развития. [8] [13] [14] [15] A1D также ассоциируется с аутизмом . [16] Пациенты с A1D часто начинают проявлять симптомы вскоре после рождения , но, по-видимому, полностью выздоравливают в течение следующих нескольких лет. [13] [14] [15]

Дефицит аминоацилазы 2 , также известный как болезнь Канавана , — еще одно редкое заболевание, вызванное мутацией в гене ASPA ( на хромосоме 17 ), которая приводит к дефициту фермента аминоацилазы 2. Аминоацилаза 2 известна тем, что она может гидролизовать N-ацетиласпартат, в то время как аминоацилаза 1 не может. [17]

Промышленная значимость

Аминоацилазы использовались для производства L- аминокислот в промышленных условиях с конца 1950-х годов. [18] Поскольку аминоацилазы являются субстрат -специфичными для N-ацил-L-аминокислот , а не для N-ацил-D-аминокислот , аминоацилазы можно использовать для надежного взятия смеси этих двух реагентов и преобразования только L -энантиомеров в продукты , которые затем можно выделить путем растворимости из непрореагировавших N-ацил-D-аминокислот . [18] [19] Хотя этот процесс в течение многих лет осуществлялся в реакторе периодического действия , в конце 1970-х годов был разработан более быстрый и менее расточительный процесс , в котором аминоацилазы помещались в колонку , через которую затем непрерывно промывались N - ацил - аминокислоты . [18] [20] Этот процесс до сих пор используется в промышленных условиях для преобразования N-ацил-аминокислот в аминокислоты энантиомерно специфическим способом .

Эволюция

Во многих научных исследованиях за последние полвека в качестве модельного фермента аминоацилазы использовалась свиная аминоацилаза . [21] Были определены аминокислотная последовательность и первичная структура свиной аминоацилазы. [4] Свиная аминоацилаза 1 состоит из двух идентичных гетеродимерных субъединиц, каждая из которых состоит из 406 аминокислот, с ацетилаланином на N-конце каждой. [4] Свиная аминоацилаза отличается от человеческой аминоацилазы по структуре, но воспроизводит ее функцию. [1] [4] [22] Из этих данных можно сделать вывод, что эти два фермента произошли от общего предкового белка , сохранив функцию, но со временем расходясь по структуре . [1] [4]

Ссылки

  1. ^ abcde Lindner HA, Lunin VV, Alary A, Hecker R, Cygler M, Ménard R (ноябрь 2003 г.). "Важнейшие роли лигирования цинка и димеризации ферментов для катализа в семействе аминоацилазы-1/M20". Журнал биологической химии . 278 (45): 44496–504. doi : 10.1074/jbc.M304233200 . PMID  12933810.
  2. ^ Fones WS, Lee M (апрель 1953 г.). «Гидролиз N-ацилпроизводных аланина и фенилаланина ацилазой I и карбоксипептидазой». Журнал биологической химии . 201 (2): 847–56. doi : 10.1016/S0021-9258(18)66242-8 . PMID  13061423.
  3. ^ abcd Lindner HA, Alary A, Wilke M, Sulea T (апрель 2008 г.). «Исследование ацил-связывающего кармана аминоацилазы-1». Биохимия . 47 (14): 4266–75. doi :10.1021/bi702156h. PMID  18341290.
  4. ^ abcde Mitta M, Ohnogi H, Yamamoto A, Kato I, Sakiyama F, Tsunasawa S (декабрь 1992 г.). «Первичная структура свиной аминоацилазы 1, выведенная из последовательности кДНК». Журнал биохимии . 112 (6): 737–42. doi :10.1093/oxfordjournals.jbchem.a123968. PMID  1284246.
  5. ^ abcd Hernick M, Fierke CA (январь 2005). "Гидролазы цинка: механизмы цинк-зависимых деацетилаз". Архивы биохимии и биофизики . 433 (1): 71–84. doi :10.1016/j.abb.2004.08.006. PMID  15581567.
  6. ^ abcd Otvös L, Moravcsik E, Mády G (сентябрь 1971 г.). «Исследование механизма гидролиза ациламинокислот, катализируемого ацилазой-I». Biochemical and Biophysical Research Communications . 44 (5): 1056–64. doi :10.1016/S0006-291X(71)80192-4. PMID  5160398.
  7. ^ abcd Берг, Джереми М.; Тимочко, Джон Л.; Страйер, Луберт (2012). Биохимия . Нью-Йорк: WH Freeman and Company. стр. 688. ISBN 978-1-4292-2936-4.
  8. ^ аб Зоммер А., Кристенсен Э., Швенгер С. и др. (июнь 2011 г.). «Молекулярная основа дефицита аминоацилазы 1» (PDF) . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Молекулярные основы болезней . 1812 (6): 685–90. дои : 10.1016/j.bbadis.2011.03.005. ПМИД  21414403.
  9. ^ Ferri L, Funghini S, Fioravanti A и др. (октябрь 2013 г.). «Дефицит аминоацилазы I из-за пропуска экзона мРНК ACY1». Clinical Genetics . 86 (4): 367–372. doi :10.1111/cge.12297. PMID  24117009. S2CID  24017306.
  10. ^ Miller YE, Minna JD, Gazdar AF (июнь 1989). «Отсутствие экспрессии аминоацилазы-1 при мелкоклеточном раке легких. Доказательства инактивации генов, кодируемых хромосомой 3p». Журнал клинических исследований . 83 (6): 2120–4. doi :10.1172/JCI114125. PMC 303939. PMID  2542383. 
  11. ^ EntrezGene 95
  12. ^ Miller YE, Drabkin H, Jones C, Fisher JH (сентябрь 1990 г.). "Человеческая аминоацилаза-1: клонирование, региональное назначение дистальной хромосоме 3p21.1 и идентификация перекрестно-гибридизирующей последовательности на хромосоме 18". Genomics . 8 (1): 149–54. doi :10.1016/0888-7543(90)90237-O. PMID  1707030.
  13. ^ ab Sass JO, Mohr V, Olbrich H, et al. (март 2006 г.). «Мутации в ACY1, гене, кодирующем аминоацилазу 1, вызывают новую врожденную ошибку метаболизма». American Journal of Human Genetics . 78 (3): 401–9. doi :10.1086/500563. PMC 1380284 . PMID  16465618. 
  14. ^ ab Sass JO, Olbrich H, Mohr V, et al. (июнь 2007 г.). «Неврологические данные при дефиците аминоацилазы 1». Neurology . 68 (24): 2151–3. doi :10.1212/01.wnl.0000264933.56204.e8. PMID  17562838. S2CID  43376960.
  15. ^ ab Van Coster RN, Gerlo EA, Giardina TG и др. (декабрь 2005 г.). «Дефицит аминоацилазы I: новая врожденная ошибка метаболизма». Biochemical and Biophysical Research Communications . 338 (3): 1322–6. doi :10.1016/j.bbrc.2005.10.126. PMID  16274666.
  16. ^ Tylki-Szymanska A, Gradowska W, Sommer A, et al. (декабрь 2010 г.). «Дефицит аминоацилазы 1, связанный с аутистическим поведением». Журнал наследственных метаболических заболеваний . 33 Suppl 3: S211–4. doi :10.1007/s10545-010-9089-3. PMID  20480396. S2CID  13374954.
  17. ^ Xie Q, Guo T, Wang T, Lu J, Zhou HM (ноябрь 2003 г.). «Аспартат-индуцированное сворачивание аминоацилазы и формирование расплавленной глобулы». Международный журнал биохимии и клеточной биологии . 35 (11): 1558–72. doi :10.1016/S1357-2725(03)00131-6. PMID  12824065.
  18. ^ abc Сато, Тадаши; Тоса, Тетсуя (2010). «Производство L-аминокислот аминоацилазой». Энциклопедия промышленной биотехнологии . стр. 1–20. doi :10.1002/9780470054581.eib497. ISBN 978-0-470-05458-1.
  19. ^ Birnbaum SM, Levintow L, Kingsley RB, Greenstein JP (январь 1952). «Специфичность ацилаз аминокислот». Журнал биологической химии . 194 (1): 455–70. doi : 10.1016/S0021-9258(18)55898-1 . PMID  14927637.
  20. ^ Хуан М. К., Чжоу Х. М. (1994). «Щелочное разворачивание и сворачивание аминоацилазы под действием соли при высоком pH». Фермент и белок . 48 (4): 229–37. doi :10.1159/000474993. PMID  8821711.
  21. ^ Корейши М., Асаяма Ф., Иманака Х. и др. (октябрь 2005 г.). «Очистка и характеристика новой аминоацилазы из Streptomyces mobaraensis». Бионаука, биотехнология и биохимия . 69 (10): 1914–22. doi : 10.1271/bbb.69.1914 . PMID  16244442.
  22. ^ Митта М, Като I, Цунасава С (август 1993 г.). «Нуклеотидная последовательность аминоацилазы-1 человека». Biochimica et Biophysical Acta (BBA) – Структура и экспрессия генов . 1174 (2): 201–3. дои : 10.1016/0167-4781(93)90116-У. ПМИД  8357837.