Триптофан 7-галогеназа - Tryptophan 7-halogenase

Триптофан 7-галогеназа
Кристаллическая структура триптофан-7-галогеназы.png
Структура Trp 7-галогеназы PrnA из PDB 2AQJ
Идентификаторы
Номер ЕС1.14.19.9
Количество CAS198575-11-0
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum

Триптофан 7-галогеназа (ЕС 1.14.19.9, PrnA, RebH) является фермент с систематическое название L-триптофан: оксидоредуктаза FADH2 (7-галогенирование).[1][2] Этот фермент катализирует следующее химическая реакция:

триптофан + FADH2 + Cl− + O2 + H+ 7-хлор-L-триптофан + FAD + 2 H2О

Фермент может использовать бромид ионы (Br−) на месте хлористый (Cl−).[3]

Фон

Триптофан-7-галогеназа является членом класса ферментов, известных как флавин-зависимые галогеназы. До открытия триптофан-7-галогеназы считалось, что все атомы галогена в метаболитах включаются под действием галопероксидазы, другой класс галогеназ, зависящих от металлических центров, таких как ванадий или же гем, или пергидролазы, класс галогеназ, который генерирует перкислоты которые, в свою очередь, окисляют ионы галогенидов до гипогалогеновых кислот, которые действуют как галогенирующие агенты.[4] Эти ферменты галогенируют без субстратной специфичности и региоселективности.[5] Первая триптофан-7-галогеназа была выделена в 1995 г. Dairi et al. после сравнения аминокислотной последовательности не выявлено сходства с ранее известными галопероксидазами.[6] В отличие от галопероксидаз, флавин-зависимые галогеназы гораздо более узкие по субстрату и значительно более региоселективны.[7] Другие флавин-зависимые триптофангалогеназы включают триптофан-5-галогеназу и триптофан-6-галогеназу.[8]

Общая реакция катализируется триптофан-7-галогеназой.

Структура

Триптофан-7-галогеназа со связанными субстратами: FAD (красный), хлорид-анион (зеленый) и триптофан (желтый). (PDB: 2AQJ​)

Триптофан-7-галогеназа представляет собой 538 остатков, 61 кДа. белок.[1][2] В растворе ряд гомологов существует в виде гомодимеров.[1]

Фермент имеет два основных сайта связывания: один для FAD и один для триптофана. Обратите внимание, что FAD поставляется отдельным флавинредуктаза который может быть общим ферментом, полученным из метаболизма, или конкретным ферментом, кодируемым в соответствующем кластере биосинтетических генов.[9] Первый сайт также является местом реакции окисления FAD O2. Эти два узла соединяет туннельная структура длиной около 10 Å. Сайт связывания FAD также связывает один хлорид-ион.[10] Хлорирующий агент генерируется на сайте связывания FAD, затем направляется через этот туннель, где он вступает в реакцию с триптофаном-субстратом. Триптофан связывается рядом взаимодействий: остатки других ароматических аминокислот, такие как триптофан, фенилаланин, и гистидин По-видимому, "сэндвич" с субстратом, группа N-H триптофана образует водородная связь взаимодействует с пептидным остовом фермента, а аминокислотная часть триптофана взаимодействует с близлежащими остатками тирозина и глутамата.[10] Считается, что региоселективность фермента является следствием пространственной ориентации триптофана, при этом C7 расположен близко к концу туннеля, через который выходит хлорирующий агент.[11] Множественное галогенирование предотвращается, поскольку добавление атома галогена к субстрату значительно увеличивает его стерический объем, вызывая его диссоциацию от фермента.[10]

Механизм

Цикл NAD (P) H-зависимого восстановления FAD до FADH2 флавинредуктазой. Изображено предполагаемое образование HOCl в активном центре триптофан-7-галогеназы.

Триптофан-7-галогеназы являются FADH2-зависимы, то есть им требуется FADH2 кофактор, чтобы провести их реакцию. Флавинредуктазы ответственны за превращение FAD в FADH.2. Для продолжительной деятельности в in vitro Таким образом, триптофан-7-галогеназы требуют либо избытка FADH2 или наличие флавинредуктазы.[3] Поскольку флавинредуктаза сама по себе НАД (P) H -зависимо, в недавней работе по изучению RebH использовалась система регенерации кофактора, в которой глюкозодегидрогеназа восстанавливает NAD (P) + до NAD (P) H, который RebF (нативный партнер флавинредуктазы RebH) использует для восстановления FAD до FADH2 для последующего использования на активном сайте RebH.[12]Механически флавин-зависимые галогеназы похожи на флавинсодержащие монооксигеназы. На первом этапе FADH2 окисляется молекулярным кислородом, образуя высокоэнергетический гидропероксид флавина.[9]

На данный момент есть два предложенных механизма достижения галогенирования.[2]

В первом случае гидропероксид флавина атакует двойную связь C6-C7 триптофана, создавая эпоксид. Затем этот эпоксид открывается региоселективной нуклеофильной атакой галогенид-аниона на C7. Полученный галогидрин дегидратируется с образованием 7-хлортриптофана.[13] Этот механизм сомнителен из-за длинного канала, отделяющего кофактор флавина от триптофанового субстрата.

Механизм триптофана 7-галогеназы, описывающий галогенирование хлорамин средний.
Активный центр триптофан-7-галогеназы PrnA. Пунктирными линиями показаны измерения в ангстрем. Обратите внимание на длинный (> 10Å) канал между ионом хлорида и триптофаном, а также на промежуточный Lys79. (PDB: 2AQJ​)

Другой предложенный механизм включает перехват гидропероксида флавина анионом галогенида, в результате чего образуется эквивалент гипогалогеновой кислоты. Маловероятно, что этот вид является последним галогенирующим агентом, поскольку эксперименты показали, что фермент не образует свободной гипогалогеновой кислоты.[2] Скорее предполагается, что туннель 10Å внутри активного сайта направляет HOCl к остатку лизина с образованием относительно долгоживущего хлорамин промежуточный (период полувыведения ~ 26 часов).[14] Примечательно, что этот остаток лизина (Lys79) консервативен во всех флавин-зависимых галогеназах.[10] Хлорамин, хотя и является более слабым галогенирующим агентом, гораздо более селективен.[9]

Исследования также показывают, что соседний глутамат Остаток необходим для активности - вполне вероятно, что остаток глутамата работает в тандеме с остатком лизина, создавая более подходящий галогенирующий агент, чем гипогалогеновая кислота.[10] Этот глутаматный остаток также сохраняется во всех флавин-зависимых галогеназах триптофана.[10] Предполагаемые роли этого глутамата включают слабое взаимодействие с протоном гипогалогеновой кислоты для увеличения электрофильности атома хлора или поляризацию атома хлора (независимо от того, является ли истинная разновидность хлора гипогалогеновой кислотой или хлорамином) через отрицательно заряженную карбоксилатную группу глутамата.[11]

Спектроскопические и кинетические исследования подтверждают этот механизм. Было показано, что окислительно-восстановительная химия флавинов завершена до хлорирования; кроме того, это может происходить без присутствия триптофана, что подтверждает идею о том, что окисление хлоридов и хлорирование субстрата являются независимыми процессами.[15] Радиомаркировка с 36Cl показывает, что атом хлора в этом галогенировании проходит через три состояния: свободный ион, связанный с белком и связанный с субстратом. Эти данные согласуются с предложенным механизмом, в котором лизин образует ковалентный аддукт с частицами хлора.[14]

В любом случае гидропероксид флавина передает один кислород реагентам. При удалении воды восстанавливается FAD.

Биологическая значимость

Многие важные с медицинской точки зрения соединения зависят от триптофан-7-галогеназы в их биосинтезе. Одним из ярких примеров является биосинтез противогрибкового антибиотик пиррольнитрин в Pseudomonas fluorescens - именно в этом контексте была впервые выделена триптофан-7-галогеназа.[7][10] Также в Lechevalieria aerocolonigenes, фермент катализирует начальный этап биосинтеза противоопухолевого агента Ребеккамицин.[16]

Ряд натуральных продуктов получают из триптофана, галогенированного в 7-положении (атомы галогена, обозначенные красным, включаются активностью триптофан-7-галогеназы)

Промышленная значимость

Во многих отраслях, таких как агрохимикаты и фармацевтические препараты, галогенированные химические вещества имеются в большом количестве. Арилгалогениды также являются важными промежуточными продуктами в синтезе других соединений из-за их универсальности в таких реакциях, как нуклеофильное ароматическое замещение и реакции сочетания.[8] Традиционно в химическом синтезе арены галогенируют посредством электрофильного ароматического замещения, процесса, который часто страдает плохой региоселективностью и использует токсичные реагенты и катализаторы в жестких условиях реакции. Триптофан-7-галогеназа обходит эти проблемы, региоселективно галогенируя свой субстрат и используя галогенидные соли и молекулярный кислород в качестве реагентов при комнатной температуре и довольно нейтральном pH.[17] Следовательно, большое количество исследований было посвящено модификации характеристик триптофан-7-галогеназы для изменения таких свойств, как объем субстрата, оптимальная рабочая температура, термическая стабильность, региоселективность и многое другое.

Направленная эволюция - это особенно популярный метод достижения желаемых свойств. На данный момент триптофан-7-галогеназа не выделена ни из каких теплолюбивый организм, поэтому необходимо было увеличить тепловые свойства фермента неестественными средствами. Поскольку повышенные температуры допускают более высокие скорости реакции, желательно поднять оптимальную рабочую температуру фермента, но, соответственно, необходимо улучшить термическую стабильность фермента, чтобы предотвратить термическое разворачивание. Благодаря направленной эволюции были достигнуты такие успехи, как увеличение Tвыбрать от 30-35 ° С до 40 ° С и повышение Тм от 52,4 ° С до 70,0 ° С.[18] В сочетании с направленной эволюцией ходьба по субстрату генерировала ряд ферментов с большим количеством субстратов. Активность фермента развивалась с помощью известного субстрата, который имеет структурное сходство с субстратом-мишенью, тогда варианты с высокой активностью по отношению к субстрату-мишени являются отправными точками для дальнейшей эволюции. С помощью этого подхода можно было галогенировать субстраты, значительно превышающие размеры триптофана. Карведилол, производное индола с молярной массой более 400 г · моль−1 (по сравнению с триптофаном ~ 200 г моль−1), смог галогенироваться с помощью выделившегося фермента с высокой селективностью и выходом и низкой загрузкой фермента. Эти результаты предполагают, что для более крупных субстратов, возможно, вся молекула субстрата не заключена в активный центр.[8]

Сайт-направленный мутагенез также использовался для расширения области применения подложек. Субстрат триптофана взаимодействует с множеством других ароматических аминокислотных остатков рядом с сайтом связывания, обеспечивая его региоселективное галогенирование. Модификация этих остатков, в свою очередь, может позволить триптофану принять различные пространственные ориентации, которые предложат альтернативные региоселективности.[10]

Встречающаяся в природе триптофан-7-галогеназа, выделенная из Lechevalieria aerocolonigenes было показано, что он способен галогенировать нафталин производные, хотя и только в активированных положениях, что свидетельствует о том, что некоторые штаммы триптофан-7-галогеназы имеют довольно широкий диапазон субстратов.[12]

Свободный фермент осаждается, затем обрабатывается сшивающим агентом для синтеза CLEA.

После разработки подходящего фермента сшитый ферментный агрегат используется для крупномасштабной реакции. Фермент сам по себе сталкивается с проблемами стабильности, но иммобилизация с помощью CLEA позволяет обойти эту проблему. Поскольку триптофан-7-галогеназа требует ряда партнерских ферментов, был создан combiCLEA, в котором галогеназа связана с вспомогательными ферментами, такими как флавинредуктаза и алкогольдегидрогеназа, которые отвечают за производство FADH2 и НАДН соответственно. Три фермента осаждали сульфатом аммония, затем сшивали диальдегидом. глутаральдегид.[8] Низкие концентрации глутаральдегида показали наибольшую активность, что свидетельствует о важности остатка лизина, охваченного обсуждением механизма, хотя также известно, что высокие концентрации глутаральдегида в целом нарушают активность фермента, как было показано, когда отдельное исследование готовило основанный на хлоропероксидазе CLEA.[19] Этот combiCLEA допускал галогенирование в граммах, а агрегат также обладал улучшенными свойствами по сравнению с природным ферментом, такими как возможность повторного использования, возможность длительного хранения и простота очистки.[8]

Рекомендации

  1. ^ а б c Донг С., Коцш А., Дорвард М., ван Пе К. Х., Нейсмит Дж. Х. (август 2004 г.). «Кристаллизация и дифракция рентгеновских лучей галогенирующего фермента, триптофан-7-галогеназы, из Pseudomonas fluorescens». Acta Crystallographica Раздел D. 60 (Pt 8): 1438–40. Дои:10.1107 / S0907444904012521. PMID  15272170.
  2. ^ а б c d Dong C, Flecks S, Unversucht S, Haupt C, van Pée KH, Нейсмит Дж. (Сентябрь 2005 г.). «Структура триптофан-7-галогеназы (PrnA) предполагает механизм региоселективного хлорирования». Наука. 309 (5744): 2216–9. Дои:10.1126 / science.1116510. ЧВК  3315827. PMID  16195462.
  3. ^ а б Yeh E, Garneau S, Walsh CT (март 2005 г.). «Устойчивая in vitro активность RebF и RebH, двухкомпонентной редуктазы / галогеназы, генерирующей 7-хлортриптофан во время биосинтеза ребеккамицина». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 102 (11): 3960–5. Дои:10.1073 / pnas.0500755102. ЧВК  554827. PMID  15743914.
  4. ^ Menon, Binuraj R.K .; Ричмонд, Дэниел; Менон, Навья (2020-10-15). «Галогеназы для разработки путей биосинтеза: к новым путям к натуральным и неприродным». Обзоры катализа: 1–59. Дои:10.1080/01614940.2020.1823788. ISSN  0161-4940.
  5. ^ ван Пе К.Х. (апрель 2001 г.). «Микробный биосинтез галометаболитов». Архив микробиологии. 175 (4): 250–8. Дои:10.1007 / s002030100263. PMID  11382220.
  6. ^ Дайри Т., Накано Т., Айсака К., Кацумата Р., Хасегава М. (июнь 1995 г.). «Клонирование и нуклеотидная последовательность гена, ответственного за хлорирование тетрациклина». Биология, биотехнология и биохимия. 59 (6): 1099–106. Дои:10.1271 / bbb.59.1099. PMID  7612997.
  7. ^ а б Бурд В.Н., Ван Пи К.Х. (октябрь 2003 г.). «Галогенирующие ферменты в биосинтезе антибиотиков». Биохимия. Биохимия. 68 (10): 1132–5. Дои:10.1023 / а: 1026362729567. PMID  14616084.
  8. ^ а б c d е Фрезе М., Севальд Н. (январь 2015 г.). «Ферментативное галогенирование триптофана на граммовой шкале». Angewandte Chemie. 54 (1): 298–301. Дои:10.1002 / anie.201408561. PMID  25394328.
  9. ^ а б c Neumann CS, Fujimori DG, Walsh CT (февраль 2008 г.). «Стратегии галогенирования в биосинтезе натуральных продуктов». Химия и биология. 15 (2): 99–109. Дои:10.1016 / j.chembiol.2008.01.006. PMID  18291314.
  10. ^ а б c d е ж грамм час Lang A, Polnick S, Nicke T, William P, Patallo EP, Naismith JH, van Pée KH (март 2011 г.). «Изменение региоселективности триптофан-7-галогеназы PrnA посредством сайт-направленного мутагенеза». Angewandte Chemie. 50 (13): 2951–3. Дои:10.1002 / anie.201007896. PMID  21404376.
  11. ^ а б Flecks S, Patallo EP, Zhu X, Ernyei AJ, Seifert G, Schneider A, Dong C, Naismith JH, van Pée KH (01.01.2008). «Новое понимание механизма ферментативного хлорирования триптофана». Angewandte Chemie. 47 (49): 9533–6. Дои:10.1002 / anie.200802466. ЧВК  3326536. PMID  18979475.
  12. ^ а б Пейн Дж. Т., Андорфер М. С., Льюис Дж. К. (май 2013 г.). «Региоселективное галогенирование аренов с использованием FAD-зависимой галогеназы RebH». Angewandte Chemie. 52 (20): 5271–4. Дои:10.1002 / anie.201300762. ЧВК  3824154. PMID  23592388.
  13. ^ Keller S, Wage T, Hohaus K, Hölzer M, Eichhorn E (июль 2000 г.). «Очистка и частичная характеристика триптофан-7-галогеназы (PrnA) из Pseudomonas fluorescens». Angewandte Chemie. 39 (13): 2300–2302. Дои:10.1002 / 1521-3773 (20000703) 39:13 <2300 :: aid-anie2300> 3.0.co; 2-i. PMID  10941070.
  14. ^ а б Yeh E, Blasiak LC, Koglin A, Drennan CL, Walsh CT (февраль 2007 г.). «Хлорирование долгоживущим интермедиатом в механизме флавин-зависимых галогеназ». Биохимия. 46 (5): 1284–92. Дои:10.1021 / bi0621213. PMID  17260957.
  15. ^ Йе Э, Коул Л. Дж., Барр Э. У., Боллинджер Дж. М., Баллоу Д. П., Уолш Коннектикут (июнь 2006 г.). «Редокс-химия флавинов предшествует хлорированию субстрата во время реакции флавин-зависимой галогеназы RebH». Биохимия. 45 (25): 7904–12. Дои:10.1021 / bi060607d. PMID  16784243.
  16. ^ Битто Е., Хуанг Й., Бингман К.А., Сингх С., Торсон Дж. С., Филлипс Г. Н. (январь 2008 г.). «Структура флавин-зависимой триптофан-7-галогеназы RebH». Белки. 70 (1): 289–93. Дои:10.1002 / prot.21627. PMID  17876823.
  17. ^ Пейн Дж. Т., Бедный CB, Льюис Дж. С. (март 2015 г.). «Направленная эволюция RebH для сайт-селективного галогенирования больших биологически активных молекул». Angewandte Chemie. 54 (14): 4226–30. Дои:10.1002 / anie.201411901. ЧВК  4506780. PMID  25678465.
  18. ^ Бедный CB, Andorfer MC, Lewis JC (июнь 2014 г.). «Повышение стабильности и срока службы катализатора галогеназы RebH путем направленной эволюции». ChemBioChem. 15 (9): 1286–9. Дои:10.1002 / cbic.201300780. ЧВК  4124618. PMID  24849696.
  19. ^ Перес Д.И., ван Рантвейк Ф., Шелдон Р.А. (сентябрь 2009 г.). «Сшитые ферментные агрегаты хлоропероксидазы: синтез, оптимизация и характеристика». Расширенный синтез и катализ. 351 (13): 2133–2139. Дои:10.1002 / adsc.200900303.

внешняя ссылка