Гликозид гидролаза - Glycoside hydrolase

Панкреатический альфа-амилаза 1HNY, а гликозид гидролаза

Гликозид гидролазы (также называемый гликозидазы или же гликозилгидролазы) катализировать то гидролиз из гликозидные связи в сложные сахара.[1][2] Они очень распространены ферменты с ролями в природе, включая деградацию биомасса Такие как целлюлоза (целлюлаза ), гемицеллюлоза, и крахмал (амилаза ), в стратегиях антибактериальной защиты (например, лизоцим ), в патогенез механизмы (например, вирусный нейраминидазы ) и при нормальной клеточной функции (например, обрезка маннозидазы участвует в N-связанном гликопротеине биосинтез ). Вместе с гликозилтрансферазы, гликозидазы образуют основной каталитический аппарат для синтеза и разрыва гликозидных связей.

Гликозид гидролаза mech.svg

Возникновение и важность

Гликозидгидролазы обнаруживаются практически во всех сферах жизни. В прокариоты, они обнаруживаются как внутриклеточные, так и внеклеточные ферменты, которые в значительной степени участвуют в усвоении питательных веществ. Одним из важных проявлений гликозидгидролаз у бактерий является фермент бета-галактозидаза (LacZ), который участвует в регуляции экспрессии лак оперон в Кишечная палочка. У высших организмов гликозидгидролазы находятся в эндоплазматический ретикулум и аппарат Гольджи где они участвуют в обработке N-связанных гликопротеины, а в лизосома как ферменты, участвующие в деградации углеводных структур. Дефицит конкретных лизосомальных гликозидгидролаз может привести к ряду лизосомных нарушений накопления, которые приводят к проблемам развития или смерти. Гликозидгидролазы обнаружены в кишечного тракта И в слюна где они разлагают сложные углеводы, такие как лактоза, крахмал, сахароза и трегалоза. В кишечнике они обнаруживаются в виде заякоренных ферментов гликозилфосфатидила на эндотелиальные клетки. Фермент лактаза необходим для разложения лактозы молочного сахара и присутствует в высоких концентрациях у младенцев, но в большинстве популяций будет снижаться после отлучения от груди или в младенчестве, что потенциально может привести к непереносимость лактозы в зрелом возрасте. Фермент O-GlcNAcase участвует в удалении N-ацетилглюкозаминовых групп из остатков серина и треонина в цитоплазме и ядре клетки. Гликозидгидролазы участвуют в биосинтез и деградация гликоген в организме.

Классификация

Основная статья: Список семейств гликозидгидролаз

Гликозидгидролазы классифицируются в EC 3.2.1 как ферменты, катализирующие гидролиз O- или S-гликозидов. Гликозидгидролазы также можно классифицировать по стереохимический результат реакции гидролиза: таким образом, их можно классифицировать как сохранение или же инвертирование ферменты.[3] Гликозидгидролазы также можно классифицировать как экзо- или эндо-действующие, в зависимости от того, действуют ли они на (обычно невосстанавливающем) конце или в середине олиго / полисахаридной цепи соответственно. Гликозидгидролазы также можно классифицировать методами, основанными на последовательности или структуре.[4]

Классификация на основе последовательности

Классификации, основанные на последовательностях, являются одними из наиболее эффективных методов прогнозирования, позволяющих предположить функцию вновь секвенированных ферментов, функция которых не была продемонстрирована биохимически. Система классификации гликозилгидролаз, основанная на сходстве последовательностей, привела к определению более 100 различных семейств.[5][6][7] Эта классификация доступна на веб-сайте CAZy (CArbohydrate-Active EnZymes).[4][8] База данных предоставляет серию регулярно обновляемой классификации на основе последовательностей, которая позволяет надежно прогнозировать механизм (сохранение / инвертирование), остатки активного сайта и возможные субстраты. Онлайн-база данных поддерживается CAZypedia, онлайн-энциклопедией углеводно-активных ферментов.[9] Основываясь на трехмерном структурном сходстве, основанные на последовательностях семьи были разделены на «кланы» родственной структуры. Недавний прогресс в анализе последовательностей гликозидаз и сравнении трехмерных структур позволил предложить расширенную иерархическую классификацию гликозидгидролаз.[10][11]

Механизмы

Обращение гликозидгидролаз

Инвертирующие ферменты используют два ферментных остатка, обычно карбоксилатные остатки, которые действуют как кислота и основание соответственно, как показано ниже для β-глюкозидаза:

Инвертирующий механизм гидролиза гликозидов mech.svg

Удерживающие гликозидгидролазы

Удерживающие гликозидазы работают по двухэтапному механизму, каждый этап которого приводит к инверсия, для чистого сохранения стереохимии. Опять же, задействованы два остатка, которые обычно связаны с ферментами. карбоксилаты. Один действует как нуклеофил а другой - как кислота / основание. На первом этапе нуклеофил атакует аномерный центр, что приводит к образованию промежуточного гликозильного фермента с кислотной помощью, обеспечиваемой кислым карбоксилатом. На второй стадии теперь депротонированный кислый карбоксилат действует как основание и помогает нуклеофильной воде гидролизовать промежуточный гликозильный фермент, давая гидролизованный продукт. Механизм показан ниже для белка куриного яйца. лизоцим.[12]

Сохранение гидролиза гликозидов mech.svg

Возможен альтернативный механизм гидролиза с сохранением стереохимии, который протекает через нуклеофильный остаток, который связан с субстратом, а не прикрепляется к ферменту. Такие механизмы являются общими для некоторых N-ацетилгексозаминидаз, которые имеют ацетамидную группу, способную участвовать в соседней группе с образованием промежуточного оксазолина или оксазолиниевого иона. Этот механизм работает в два этапа: отдельные инверсии приводят к чистому сохранению конфигурации.

Помощь при гидролизе гликозидов mech.svg

Вариант механизма участия соседних групп был описан для эндо-α-маннаназ, который включает участие 2-гидроксильных групп с образованием промежуточного эпоксида. Гидролиз эпоксида приводит к чистому сохранению конфигурации.[13]

Соседний эпоксид гликозидазы 1.png

Номенклатура и примеры

Гликозидгидролазы обычно называют в честь субстрата, на который они действуют. Таким образом, глюкозидазы катализируют гидролиз глюкозидов и ксиланазы катализируют расщепление гомополимера ксилана на основе ксилозы. Другие примеры включают лактаза, амилаза, хитиназа, сукраза, мальтаза, нейраминидаза, инвертаза, гиалуронидаза и лизоцим.

Использует

Прогнозируется, что гликозидгидролазы будут играть все большую роль в качестве катализаторов в приложениях биологической переработки в биоэкономике будущего.[14] Эти ферменты имеют множество применений, включая разложение растительных материалов (например, целлюлазы для разложения целлюлозы до глюкозы, которые можно использовать для этиловый спирт производство), в пищевая промышленность (инвертаза для производства инвертного сахара, амилаза для производства мальтодекстринов), а также в целлюлозно-бумажной промышленности (ксиланазы для удаления гемицеллюлоз из бумажной массы). Целлюлазы добавляются в моющие средства для стирки хлопчатобумажных тканей и помогают поддерживать цвет, удаляя микроволокна, которые поднимаются с поверхности нитей во время носки.

В органическая химия, гликозидгидролазы можно использовать как синтетические катализаторы для образования гликозидных связей посредством обратного гидролиза (кинетический подход), при котором положение равновесия меняется на противоположное; или трансгликозилированием (кинетический подход), при котором сохранение гликозидгидролаз может катализировать перенос гликозильной части от активированного гликозида к акцепторному спирту с получением нового гликозида.

Мутантные гликозидгидролазы, называемые гликозинтазы были разработаны, которые могут обеспечить синтез гликозидов с высоким выходом из активированных гликозильных доноров, таких как гликозилфториды. Гликозинтазы обычно образуются из удержания гликозидгидролаз путем сайт-направленного мутагенеза ферментного нуклеофила в какую-либо другую менее нуклеофильную группу, такую ​​как аланин или глицин. Другая группа мутантных гликозидгидролаз, называемых тиогликолигазами, может быть образована сайт-направленным мутагенезом кислотно-основного остатка удерживающей гликозидгидролазы. Тиогликолигазы катализируют конденсацию активированных гликозидов и различных тиолсодержащих акцепторов.

Различные гликозидгидролазы показали эффективность в разложении полисахаридов матрикса в пределах внеклеточное полимерное вещество (EPS) из микробные биопленки.[15] С медицинской точки зрения, биопленки предоставляют инфекционным микроорганизмам ряд преимуществ по сравнению с их планктонными свободно плавающими аналогами, включая значительно повышенную устойчивость к противомикробный агенты и иммунная система хозяина. Таким образом, разрушение биопленки может повысить эффективность антибиотика и усилить иммунную функцию хозяина и способность к заживлению. Например, сочетание альфа-амилаза и целлюлаза было показано, что разрушает полимикробные бактериальные биопленки из обоих in vitro и in vivo источники и увеличивают антибиотик эффективность против них.[16]

Ингибиторы

Известно множество соединений, которые могут ингибировать действие гликозидгидролазы. Азотсодержащие гетероциклы в форме сахара. найдено в природе, включая дезоксиноджиримицин, Swainsonine, австралийский и кастаноспермин. На основе этих естественных матриц было разработано множество других ингибиторов, включая изофагомин и дезоксигалактоноджиримицин и различные ненасыщенные соединения, такие как PUGNAc. Ингибиторы, которые используются в клинической практике, включают: антидиабетические препараты акарбоз и миглитол, а противовирусные препараты осельтамивир и занамивир. Было обнаружено, что некоторые белки действуют как ингибиторы гликозидгидролазы.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Борн, Ив; Хенриссат, Бернар (2001). «Гликозидгидролазы и гликозилтрансферазы: семейства и функциональные модули». Текущее мнение в структурной биологии. 11 (5): 593–600. Дои:10.1016 / s0959-440x (00) 00253-0. PMID  11785761.
  2. ^ Хенриссат, Бернар; Дэвис, Гидеон (1997). «Структурная и последовательная классификация гликозидгидролаз». Текущее мнение в структурной биологии. 7 (5): 637–644. Дои:10.1016 / s0959-440x (97) 80072-3. PMID  9345621.
  3. ^ Синнотт, М. Л. "Каталитические механизмы ферментативного переноса гликозила". Chem. Ред. 1990, 90, 1171-1202.[постоянная мертвая ссылка ]
  4. ^ а б Семейная гликозид-гидролаза CAZy
  5. ^ Хенриссат Б., Каллебаут I, Морнон Дж. П., Фабрега С., Лен П., Дэвис Г. (1995). «Консервированный каталитический аппарат и прогнозирование общей складки для нескольких семейств гликозилгидролаз». Proc. Natl. Акад. Sci. СОЕДИНЕННЫЕ ШТАТЫ АМЕРИКИ. 92 (15): 7090–7094. Дои:10.1073 / пнас.92.15.7090. ЧВК  41477. PMID  7624375.
  6. ^ Хенриссат Б., Дэвис Г. (1995). «Строения и механизмы гликозилгидролаз». Структура. 3 (9): 853–859. Дои:10.1016 / S0969-2126 (01) 00220-9. PMID  8535779.
  7. ^ Байрох, А. "Классификация семейств гликозилгидролаз и индекс записей гликозилгидролаз в SWISS-PROT". 1999 г.
  8. ^ Хенрисса Б. и Коутиньо П.М. «Сервер углеводно-активных ферментов». 1999 г.
  9. ^ CAZypedia, онлайн-энциклопедия углеводно-активных ферментов.
  10. ^ Наумов, Д. (2006). «Разработка иерархической классификации гликозидгидролаз ТИМ-цилиндрического типа» (PDF). Материалы Пятой Международной конференции по биоинформатике регуляции и структуры генома. 1: 294–298.
  11. ^ Наумов, Д. (2011). «Иерархическая классификация гликозидгидролаз». Биохимия (Москва). 76 (6): 622–635. Дои:10.1134 / S0006297911060022. PMID  21639842.
  12. ^ Vocadlo D. J .; Дэвис Г. Дж .; Laine R .; Уизерс С. Г. (2001). «Катализ лизоцимом белка куриного яйца протекает через ковалентный промежуточный продукт» (PDF). Природа. 412 (6849): 835–8. Дои:10.1038/35090602. PMID  11518970.
  13. ^ Собала, Лукаш Ф .; Speciale, Gaetano; Чжу, Ша; Райх, Ллуис; Санникова Наталья; Томпсон, Эндрю Дж .; Хакки, Залихе; Лу, Дэн; Шамси Казем Абади, Саидех; Льюис, Эндрю Р .; Рохас-Червеллера, Виктор; Бернардо-Сейсдедос, Ганеко; Чжан, Юнминь; Милле, Оскар; Хименес-Барберо, Хесус; Беннет, Эндрю Дж .; Соллогуб, Матье; Ровира, Карме; Дэвис, Гидеон Дж .; Уильямс, Спенсер Дж. (16 апреля 2020 г.). «Промежуточный эпоксид в гликозидазном катализе». ACS Central Science. Дои:10.1021 / acscentsci.0c00111.
  14. ^ Linares-Pastén, J. A .; Андерссон, М; Нордберг Карлссон, Э (2014). «Термостабильные гликозидгидролазы в технологиях биопереработки». Текущая биотехнология. 3 (1): 26–44. Дои:10.2174/22115501113026660041.
  15. ^ Флеминг, Дерек; Рамбо, Кендра П. (2017-04-01). «Подходы к диспергированию медицинских биопленок». Микроорганизмы. 5 (2): 15. Дои:10.3390 / микроорганизмы 5020015. ЧВК  5488086. PMID  28368320.
  16. ^ Флеминг, Дерек; Чахин, Лаура; Рамбо, Кендра (февраль 2017 г.). «Гликозидгидролазы разрушают полимикробные бактериальные биопленки в ранах». Противомикробные препараты и химиотерапия. 61 (2): AAC.01998–16. Дои:10.1128 / AAC.01998-16. ISSN  1098-6596. ЧВК  5278739. PMID  27872074.

внешняя ссылка