Дезоксирибозо-фосфат альдолаза - Deoxyribose-phosphate aldolase

дезоксирибозо-фосфат альдолаза
Идентификаторы
Номер ЕС4.1.2.4
Количество CAS9026-97-5
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

В энзимология, а дезоксирибозо-фосфат альдолаза (EC 4.1.2.4 ) является фермент который катализирует обратимый химическая реакция

2-дезокси-D-рибоза 5-фосфат D-глицеральдегид 3-фосфат + ацетальдегид

Следовательно, у этого фермента есть один субстрат, 2-дезокси-D-рибоза 5-фосфат, и два товары, D-глицеральдегид 3-фосфат и ацетальдегид.

Этот фермент принадлежит к семейству лиасы особенно альдегид-лиазы, которые расщепляют углерод-углеродные связи. В систематическое название этого класса ферментов 2-дезокси-D-рибозо-5-фосфатацетальдегидлиаза (образующая D-глицеральдегид-3-фосфат). Другие широко используемые имена включают фосфодезоксирибоальдолаза, дезоксирибоальдолаза, дезоксирибозо-5-фосфат альдолаза, 2-дезоксирибозо-5-фосфатальдолаза, и 2-дезокси-D-рибозо-5-фосфат ацетальдегидлиаза.

Ферментный механизм

Механизм катализа DERA. Сначала показан субстрат, а затем - стабилизирующие взаимодействия в активном центре. Наконец, показаны ключевые остатки лизина и промежуточный карбиноламин. На основе PDB 1JCL

Среди альдолаз DERA уникален, так как это единственный фермент, который дает два альдегида в качестве продуктов.[1] Кристаллография показывает, что фермент относится к альдолазам класса I, поэтому механизм протекает через образование База Шиффа с Lys167 на активном сайте. Ближайший остаток, Lys201, имеет решающее значение для реакции за счет увеличения кислотности протонированного Lys167, поэтому образование основания Шиффа может происходить легче.[2]

Поскольку равновесие реакции, как написано, лежит на стороне реагента, DERA также может использоваться для катализа обратной альдольной реакции. Было обнаружено, что фермент проявляет некоторую неразборчивость, принимая различные карбонильные соединения в качестве субстратов: ацетальдегид можно заменить другими небольшими альдегидами или ацетоном; и вместо D-глицеральдегид-3-фосфата можно использовать различные альдегиды. Однако из-за пространственного расположения стабилизирующих взаимодействий электрофильного альдегида в активном центре альдольная реакция стереоспецифический и дает (S)-конфигурация на активном угле. Молекулярное моделирование активного центра показало гидрофильный карман, образованный Thr170 и Лис172 для стабилизации C2-гидроксигруппы D-глицеральдегид-3-фосфата, в то время как атом C2-водорода стабилизируется в гидрофобном кармане. Когда в качестве субстрата используется рацемическая смесь глицеральдегид-3-фосфата, реагирует только D-изомер.[3]

Структура фермента

Мономер DERA содержит TIM α / β ствол, что согласуется с другими альдолазами класса I.[2] Структура DERA у многих организмов: DERA из кишечная палочка и Аэропирум перникс имеет 37,7% идентичность последовательности с DERA из Термус термофильный HB8.[4] Механизм реакции также сохраняется между DERA.

В растворе DERA обнаруживаются в гомодимерах или гомотетрамерах. Олигомерная природа фермента не способствует ферментативной активности, но служит для повышения термической стабильности за счет гидрофобных взаимодействий и водородных связей между межфазными остатками.[5]

На конец 2007 г. 10 структуры были решены для этого класса ферментов, с PDB коды доступа 1JCJ, 1JCL, 1КТН, 1МЖ, 1N7K, 1O0Y, 1P1X, 1UB3, 1VCV, и 2A4A.

Биологическая функция

DERA является частью индуцибельной део оперон в бактериях, который позволяет превращать экзогенные дезоксирибонуклеозиды для производства энергии.[6] Продукты DERA, глицеральдегид-3-фосфат и ацетальдегид (впоследствии преобразованные в ацетил-КоА) могут вступать в пути гликолиза и цикла Креба соответственно.

У людей DERA в основном экспрессируется в легких, печени и толстой кишке и необходим для клеточная реакция на стресс. После индукции окислительного стресса или митохондриального стресса DERA колокализуется с стрессовые гранулы и ассоциируется с YBX1, известный белок стрессовых гранул. Клетки с высокой экспрессией DERA были способны использовать экзогенный дезоксиинозин для выработки АТФ при недостатке глюкозы и инкубации с митохондриями. разобщитель FCCP.[7]

Промышленное значение

DERA используется в биокатализе ислатравира. Облигации, образованные DERA, выделены красным цветом.

DERA используется в химическом синтезе как инструмент для зеленых энантиоселективных альдольных реакций. Формирование каркаса дезоксирибозы из небольших молекул может облегчить синтез нуклеозидные ингибиторы обратной транскриптазы.[8] Например, DERA использовался в смеси пяти ферментов при биокаталитическом синтезе Ислатравир.[9]

DERA используется в биокатализе аторвастатина. Указана часть аторвастатина, полученная в результате реакции, катализируемой DERA.

DERA также использовался для проведения тандемных альдольных реакций с тремя альдегидными субстратами, при этом реакционное равновесие обусловлено образованием шестичленного циклического полуацеталя.[10] Этот промежуточный продукт использовался в синтезе статиновых препаратов, таких как аторвастатин,[11] розувастатин и мевастатин.[12]

Природные DERA демонстрируют низкую толерантность к высоким концентрациям ацетальдегида.[13] за счет образования высокореактивных кротоновый альдегид промежуточный продукт, который необратимо инактивирует фермент.[14] Это затрудняет промышленное применение DERA, поскольку концентрация используемого ацетальдегида будет ограничена. Чтобы преодолеть это, направленная эволюция был использован для повышения толерантности DERA к ацетальдегиду до 400 мМ.[9]

Рекомендации

  1. ^ Chambre, Domitille; Герар-Элен, Кристин; Дарий, Екатерина; Мариаж, Алин; Пети, Жан-Луи; Саланубат, Марсель; де Берардини, Вероник; Лемэр, Мариэль; Элен, Вергилий (2019). «2-Дезоксирибозо-5-фосфатальдолаза, альдолаза, обладающая высокой толерантностью к нуклеофильным субстратам». Химические коммуникации. 55 (52): 7498–7501. Дои:10.1039 / c9cc03361k. PMID  31187106.
  2. ^ а б Гейне, Андреас; Luz, John G .; Вонг, Чи-Хьюи; Уилсон, Ян А. (октябрь 2004 г.). «Анализ архитектуры сайта связывания альдолазы класса I на основе кристаллической структуры 2-дезоксирибозо-5-фосфат альдолазы при разрешении 0,99 Å». Журнал молекулярной биологии. 343 (4): 1019–1034. Дои:10.1016 / j.jmb.2004.08.066. PMID  15476818.
  3. ^ Лю, Цзюньцзе; Вонг, Чи-Хьюи (15 апреля 2002 г.). «Катализируемый альдолазой асимметричный синтез новых синтонов пиранозы как новый вход в гетероциклы и эпотилоны». Angewandte Chemie International Edition. 41 (8): 1404–1407. Дои:10.1002 / 1521-3773 (20020415) 41: 8 <1404 :: AID-ANIE1404> 3.0.CO; 2-G. PMID  19750780.
  4. ^ Lokanath, N.K .; Shiromizu, I .; Ohshima, N .; Nodake, Y .; Sugahara, M .; Yokoyama, S .; Kuramitsu, S .; Мияно, М .; Кунисима, Н. (1 октября 2004 г.). «Структура альдолазы из Thermus thermophilus HB8, показывающая вклад олигомерного состояния в термостабильность». Acta Crystallographica Раздел D: Биологическая кристаллография. 60 (10): 1816–1823. Дои:10.1107 / S0907444904020190. ISSN  0907-4449. PMID  15388928.
  5. ^ Дик, Маркус; Weiergräber, Oliver H .; Классен, Томас; Бистерфельд, Кэролин; Брамски, Юлия; Гольке, Хольгер; Пьетрушка, Йорг (19 января 2016 г.). «Обмен стабильности против активности в экстремофильных альдолазах». Научные отчеты. 6 (1): 17908. Bibcode:2016НатСР ... 617908Д. Дои:10.1038 / srep17908. ЧВК  4725968. PMID  26783049.
  6. ^ Lomax, MS; Гринберг, Г. Р. (август 1968 г.). «Характеристики део-оперона: роль в утилизации тимина и чувствительность к дезоксирибонуклеозидам». Журнал бактериологии. 96 (2): 501–14. Дои:10.1128 / JB.96.2.501-514.1968. ЧВК  252324. PMID  4877128.
  7. ^ Саллерон, Лиза; Магистрелли, Джованни; Мэри, Камилла; Фишер, Николас; Байрох, Амос; Лейн, Лиди (декабрь 2014 г.). «DERA представляет собой человеческую дезоксирибозофосфатальдолазу, участвующую в реакции на стресс». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Исследование молекулярных клеток. 1843 (12): 2913–2925. Дои:10.1016 / j.bbamcr.2014.09.007. PMID  25229427.
  8. ^ ХОРИНОУЧИ, Нобуюки; ОГАВА, июн; КАВАНО, Такако; САКАИ, Такафуми; САИТО, Киота; МАЦУМОТО, Сейитиро; САСАКИ, Миэ; МИКАМИ, Йоичи; ШИМИЗУ, Сакаю (22 мая 2014 г.). «Эффективное производство 2-дезоксирибозо-5-фосфата из глюкозы и ацетальдегида путем сочетания системы спиртовой ферментации пекарских дрожжей и экспрессии дезоксирибоальдолазы». Биология, биотехнология и биохимия. 70 (6): 1371–1378. Дои:10.1271 / bbb.50648. PMID  16794316. S2CID  22227871.
  9. ^ а б Хаффман, Марк А .; Фрышковская, Анна; Альвизо, Оскар; Борра-Гарске, Марджи; Кампос, Кевин Р .; Канада, Кейт А.; Дивайн, Пол Н .; Дуан, Да; Форстатер, Джейкоб Х .; Гроссер, Шейн Т .; Halsey, Holst M .; Хьюз, Грегори Дж .; Чо, Чжунён; Джойс, Лео А .; Колев, Джошуа Н .; Лян, Джек; Мэлони, Кевин М .; Манн, Бенджамин Ф .; Маршалл, Николас М .; Маклафлин, Марк; Мур, Джеффри С .; Мерфи, Грант С .; Nawrat, Christopher C .; Назор, Йована; Новик, Скотт; Патель, Ники Р .; Родригес-Гранилло, Агустина; Робайр, Сандра А .; Шерер, Эдвард С .; Truppo, Matthew D .; Whittaker, Aaron M .; Верма, Диптак; Сяо, Ли; Сюй, Инджу; Ян, Хао (5 декабря 2019 г.). «Дизайн биокаталитического каскада in vitro для производства ислатравира». Наука. 366 (6470): 1255–1259. Bibcode:2019Научный ... 366.1255H. Дои:10.1126 / science.aay8484. PMID  31806816. S2CID  208738388.
  10. ^ GIJSEN, H.JM .; WONG, C.-H. (18 августа 2010 г.). "ChemInform Abstract: Беспрецедентные асимметричные альдольные реакции с тремя альдегидными субстратами, катализируемые 2-дезоксирибозо-5-фосфат альдолазой". ХимИнформ. 26 (15): нет. Дои:10.1002 / чин.199515259. ISSN  0931-7597.
  11. ^ Дженневейн, Стефан; Шюрманн, Мартин; Вольберг, Майкл; Хилкер, Ирис; Луитен, Рууд; Вубболтс, Марсель; Минк, Даниэль (май 2006 г.). «Направленная эволюция промышленного биокатализатора: 2-дезокси-D-рибозо-5-фосфатальдолаза». Биотехнологический журнал. 1 (5): 537–548. Дои:10.1002 / biot.200600020. PMID  16892289.
  12. ^ Патель, Рамеш Н. (апрель 2018 г.). «Биокатализ для синтеза фармацевтических препаратов». Биоорганическая и медицинская химия. 26 (7): 1252–1274. Дои:10.1016 / j.bmc.2017.05.023. PMID  28648492.
  13. ^ Харидас, Мира; Абдельрахим, Эман М. М .; Ханефельд, Ульф (3 октября 2018 г.). «2-дезокси-d-рибозо-5-фосфатальдолаза (DERA): применения и модификации». Прикладная микробиология и биотехнология. 102 (23): 9959–9971. Дои:10.1007 / s00253-018-9392-8. ЧВК  6244999. PMID  30284013.
  14. ^ Дик, Маркус; Хартманн, Рудольф; Weiergräber, Oliver H .; Бистерфельд, Кэролин; Классен, Томас; Швартен, Мелани; Нойдекер, Филипп; Уиллболд, Дитер; Пьетрушка, Йорг (2016). «Механическое ингибирование альдолазы при высоких концентрациях ее природного субстрата ацетальдегида: структурные идеи и защитные стратегии». Химическая наука. 7 (7): 4492–4502. Дои:10.1039 / c5sc04574f. ЧВК  6016325. PMID  30155096.
  • Hoffee PA (1968). «2-дезоксирибозо-5-фосфатальдолаза Salmonella typhimurium: очистка и свойства». Arch. Biochem. Биофизы. 126 (3): 795–802. Дои:10.1016/0003-9861(68)90473-6. PMID  4879701.
  • Jedziniak JA, Lionetti FJ (1970). «Очистка и свойства дезоксирибоальдолазы из эритроцитов человека». Биохим. Биофиз. Acta. 212 (3): 478–87. Дои:10.1016/0005-2744(70)90254-8. PMID  4989681.
  • Ракер Э (1952). «Ферментативный синтез и разложение фосфата дезоксирибозы». J. Biol. Chem. 196 (1): 347–65. PMID  12980976.
  • Хаффи П., Розен О.М., Хорекер Б.Л. (1965). «Механизм действия альдолаз. VI. Кристаллизация дезоксирибозо-5-фосфатальдолазы и количество активных центров». J. Biol. Chem. 240: 1512–1516. PMID  14285485.