Оротидин-5-фосфатдекарбоксилаза - Википедия - Orotidine 5-phosphate decarboxylase

Оротидин-5'-фосфатдекарбоксилаза
OMP decarboxylase.png
Кишечная палочка Декарбоксилаза OMP.[1]
Идентификаторы
Номер ЕС4.1.1.23
Количество CAS9024-62-8
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
БРЕНДАBRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
PDB структурыRCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmiGO / QuickGO

Оротидин 5'-фосфатдекарбоксилаза (OMP декарбоксилаза) или же оротидилат декарбоксилаза является фермент участвует в пиримидин биосинтез. Это катализирует декарбоксилирование из монофосфат оротидина (OMP) сформировать монофосфат уридина (UMP). Функция этого фермента важна для биосинтеза пиримидина de novo. нуклеотиды уридинтрифосфат, цитидинтрифосфат, и тимидинтрифосфат. Декарбоксилаза OMP была частой целью научных исследований из-за ее продемонстрированной чрезвычайной каталитической эффективности и ее полезности в качестве маркер выбора за дрожжи деформационная инженерия.

Схема реакции, катализируемой декарбоксилазой OMP

Катализ

Декарбоксилаза OMP известна как чрезвычайно эффективная катализатор способный увеличить скорость некаталитической реакции в 10 раз17. Чтобы представить это в перспективе, реакция, которая потребует 78 миллионов лет в отсутствие фермента оротовой кислоты принимает 18 миллисекунд когда это катализируется ферментом.[2] Эта чрезвычайная ферментативная эффективность особенно интересна, потому что декарбоксилазы OMP не используют кофактор и не содержат сайтов металлов.[3] или протезные группы.[4] Катализ полагается на несколько заряженных аминокислота остатки, расположенные в активном центре фермента.

Изображение, представляющее структуру активного сайта декарбоксилазы OMP при связывании с ингибитором BMP. Обратите внимание на остатки Lys и Asp, окружающие 6-гидроксил субстрата. (Изображение получено из снимка кристаллической структуры 1LOR в программе просмотра pymol)[5]

Точный механизм, с помощью которого OMP-декарбоксилаза катализирует свою реакцию, был предметом строгих научных исследований. Движущая сила потери карбоксила, связанного с C6 пиримидинового кольца, исходит из непосредственной близости карбоксильной группы аспартатного остатка в активном центре фермента, что дестабилизирует основное состояние по сравнению с переходным состоянием некаталитической реакции. Высказывалось множество гипотез о том, какую форму принимает переходное состояние до того, как протонирование углерода C6 происходит с образованием конечного продукта. Во многих исследованиях изучали связывание мощного ингибитора декарбоксилазы OMP, 6-гидроксиуридинмонофосфата (BMP, a барбитуровая кислота производное) в активном центре, чтобы определить, какие незаменимые аминокислотные остатки непосредственно участвуют в стабилизации переходного состояния. (См. Рисунок фермента, связанного с BMP) Было предложено несколько механизмов ферментативного декарбоксилирования OMP, включая протонирование по O2 с образованием цвиттерионный вид как промежуточное звено,[6] анионная стабилизация O4,[7] или нуклеофильная атака на C5.[8] Текущий консенсус предполагает, что механизм протекает через стабилизированный карбанион в C6 после потери диоксида углерода. Этот механизм был предложен в исследованиях, посвященных изучению кинетических изотопных эффектов в сочетании с конкурентным ингибированием и мутагенезом активного сайта.[9][10][11][12]В этом механизме короткоживущие карбанионы стабилизируются близлежащим остатком лизина до того, как они будут подавлены протоном. (См. Схему каталитического механизма). Взаимодействие высокоосновного винилкарбаниона, не получающего выгоды от электронной стабилизации, редко встречается в ферментативной системе и в биологических системах в целом. Примечательно, что микросреда ферментов помогает значительно стабилизировать карбанион. РKах содержание связанного с ферментом карбанионного промежуточного соединения было меньше или равно 22 на основании исследований обмена дейтерия. Все еще очень простой, соответствующий pKах свободного карбанионного промежуточного соединения оценивается намного выше, примерно 30-34 (на основе измерений аналогичного 1,3-диметилового эфира).урацил ), что позволяет сделать вывод, что фермент стабилизирует карбанион не менее чем на 14 ккал / моль.[12]

Схема реакции, показывающая механизм катализа декарбоксилазы OMP через предполагаемый винилкарбанион в положении C6. Этот карбанион, вероятно, стабилизирован близлежащим протонированным остатком лизина. Нумерация остатков Lys93 и Asp91 соответствует последовательности для декарбоксилазы OMP из S. cerevisiae.[13]

Против UMP-синтазы

В дрожжах и бактерии, OMP декарбоксилаза является однофункциональным ферментом. Однако в млекопитающие, OMP декарбоксилаза является частью одного белка с двумя каталитическими активностями. Этот бифункциональный фермент получил название UMP-синтаза и он также катализирует предыдущую реакцию биосинтеза пиримидиновых нуклеотидов, перенос рибозо-5-фосфат из 5-фосфорибозил-1-пирофосфат к ругать сформировать OMP. У организмов, использующих декарбоксилазу ОМП, эта реакция катализируется оротат фосфорибозилтрансфераза.[14]

Значение в генетике дрожжей

Мутации в гене, кодирующем декарбоксилазу OMP, у дрожжей (URA3 ) приводит к ауксотрофии урацила. Кроме того, функция декарбоксилазы OMP делает штаммы дрожжей чувствительными к молекуле 5-фтороротовая кислота (5-FOA).[15] Установление гена URA3 как маркер выбора с использованием как положительных, так и отрицательных стратегий отбора сделали контролируемую экспрессию декарбоксилазы OMP важным лабораторным инструментом для исследования генетики дрожжей.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ PDB: 1EIX​; Харрис П., Наварро Поулсен Дж. К., Дженсен К. Ф., Ларсен С. (апрель 2000 г.). «Структурная основа каталитического механизма эффективного фермента: оротидин-5'-монофосфатдекарбоксилазы». Биохимия. 39 (15): 4217–24. Дои:10.1021 / bi992952r. PMID  10757968.
  2. ^ Радзичка А., Вольфенден Р. (январь 1995 г.). «Опытный фермент». Наука. 267 (5194): 90–3. Дои:10.1126 / science.7809611. PMID  7809611.
  3. ^ Миллер Б.Г., Смайли Дж. А., Шорт С. А., Вольфенден Р. (август 1999 г.). «Активность дрожжевой оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазы в отсутствие металлов». J. Biol. Chem. 274 (34): 23841–3. Дои:10.1074 / jbc.274.34.23841. PMID  10446147.
  4. ^ Миллер Б.Г., Вольфенден Р. (2002). «Каталитическое мастерство: необычный случай декарбоксилазы OMP». Анну. Преподобный Biochem. 71: 847–85. Дои:10.1146 / annurev.biochem.71.110601.135446. PMID  12045113.
  5. ^ Ву Н, Пай Э.Ф. (август 2002 г.). «Кристаллические структуры комплексов ингибиторов обнаруживают альтернативный способ связывания в оротидин-5'-монофосфат декарбоксилазе». J. Biol. Chem. 277 (31): 28080–7. Дои:10.1074 / jbc.M202362200. PMID  12011084.
  6. ^ Клюв П., Сигель Б. (1976). «Механизм декарбоксилирования 1,3-диметилоротовой кислоты. Модель оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазы». J Am Chem Soc. 98 (12): 3601–6. Дои:10.1021 / ja00428a035. PMID  1270703.
  7. ^ Ли Дж. К., Хоук К. Н. (май 1997 г.). «Пересмотр опытного фермента: предсказанный механизм оротидинмонофосфатдекарбоксилазы». Наука. 276 (5314): 942–5. Дои:10.1126 / science.276.5314.942. PMID  9139656.
  8. ^ Silverman, R.B .; Грозяк, М. (1982). «Модельная химия ковалентного механизма действия оротидин-5'-фосфат-декарбоксилазы». Варенье. Chem. Soc. 104 (23): 6434–6439. Дои:10.1021 / ja00387a047.
  9. ^ Ли, Джихиун К.; Тантилло, Дин Дж (2004-06-25). Оротидинмонофосфат декарбоксилаза: механистический диалог. ISBN  9783540205661.
  10. ^ Richavy MA, Cleland WW (2000). «Определение механизма оротидин-5'-монофосфат декарбоксилазы по изотопным эффектам». Биохимия. 39 (16): 4569–4574. Дои:10.1021 / bi000376p. PMID  10769111.
  11. ^ Тот К., Эмис Т.Л., Вуд Б.М., Чан К., Герлт Дж. А., Ричард Дж. П. (октябрь 2007 г.). "Эффект изотопа дейтерия продукта для оротидин-5'-монофосфат-декарбоксилазы: доказательства существования короткоживущего карбанионного промежуточного продукта". Варенье. Chem. Soc. 129 (43): 12946–7. Дои:10.1021 / ja076222f. ЧВК  2483675. PMID  17918849.
  12. ^ а б Эмиес Т.Л., Вуд Б.М., Чан К., Герлт Дж. А., Ричард Дж. П. (февраль 2008 г.). «Образование и стабильность карбаниона винила на активном сайте оротидин-5'-монофосфат декарбоксилазы: pKa протона C-6 ферментно-связанного UMP». Варенье. Chem. Soc. 130 (5): 1574–5. Дои:10.1021 / ja710384t. ЧВК  2652670. PMID  18186641.
  13. ^ Ван Влит Дж. Л., Райнхардт Л. А., Миллер Б. Г., Сиверс А., Клеланд В. В. (январь 2008 г.). «Исследование эффекта изотопов углерода на оротидин-5'-монофосфатдекарбоксилазе: поддержка анионного промежуточного соединения». Биохимия. 47 (2): 798–803. Дои:10.1021 / bi701664n. PMID  18081312.
  14. ^ Яблонски MJ, Пасек Д.А., Хан Б.Д., Джонс М.Э., Траут Т.В. (1996). «Внутренняя активность и стабильность бифункциональной UMP-синтазы человека и двух ее отдельных каталитических доменов, оротатфосфорибозилтрансферазы и оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазы». J Biol Chem. 271 (18): 10704–10708. Дои:10.1074 / jbc.271.18.10704. PMID  8631878.
  15. ^ Боке Дж. Д., ЛаКрут Ф., Финк Г. Р. (1984). «Положительный отбор по мутантам, лишенным активности оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазы в дрожжах: устойчивость к 5-фтороротовой кислоте». Мол Джен Генет. 197 (2): 345–346. Дои:10.1007 / BF00330984. PMID  6394957.