Фосфопируватгидратаза относится к семейству лиаз , а именно гидролиаз, которые расщепляют связи углерод-кислород. Систематическое название этого фермента — 2-фосфо- D -глицератгидролиаза (фосфоенолпируватобразующая) .
Реакция обратима и зависит от концентрации субстратов в окружающей среде. [3] Оптимальный pH для человеческого фермента составляет 6,5. [4] Энолаза присутствует во всех тканях и организмах, способных к гликолизу или ферментации . Фермент был открыт Ломанном и Мейерхофом в 1934 году, [5] и с тех пор был выделен из различных источников, включая человеческие мышцы и эритроциты . [4] У людей дефицит ENO1 связан с наследственной гемолитической анемией , тогда как дефицит ENO3 связан с болезнью накопления гликогена XIII типа.
Изоферменты
У людей есть три субъединицы енолазы, α , β и γ , каждая из которых кодируется отдельным геном, который может объединяться, образуя пять различных изоферментов : αα, αβ, αγ, ββ и γγ. [3] [6] Три из этих изоферментов (все гомодимеры) чаще встречаются в клетках взрослого человека, чем другие:
αα или ненейрональная енолаза (NNE). Также известна как енолаза 1. Встречается в различных тканях, включая печень, мозг, почки, селезенку, жировую ткань. Она присутствует на определенном уровне во всех нормальных клетках человека.
ββ или мышечно-специфическая енолаза (MSE). Также известна как енолаза 3. Этот фермент в значительной степени ограничен мышцами, где он присутствует в очень высоких концентрациях.
γγ или нейрон-специфическая енолаза (NSE). Также известна как енолаза 2. Экспрессируется на очень высоком уровне в нейронах и нервных тканях, где может составлять до 3% от общего растворимого белка. Она экспрессируется на гораздо более низком уровне в большинстве клеток млекопитающих.
Энолаза является членом большого суперсемейства энолаз . Она имеет молекулярную массу 82 000–100 000 дальтон в зависимости от изоформы. [3] [4] В человеческой альфа-енолазе две субъединицы антипараллельны в ориентации, так что Glu 20 одной субъединицы образует ионную связь с Arg 414 другой субъединицы. [3] Каждая субъединица имеет два отдельных домена. Меньший N-концевой домен состоит из трех α-спиралей и четырех β-слоев . [3] [6] Больший C-концевой домен начинается с двух β-слоев, за которыми следуют две α-спирали, и заканчивается стволом, состоящим из чередующихся β-слоев и α-спиралей, расположенных таким образом, что β-бета-слои окружены α-спиралями. [3] [6] Компактная, глобулярная структура фермента является результатом значительных гидрофобных взаимодействий между этими двумя доменами.
Энолаза — высококонсервативный фермент с пятью остатками активного центра, которые особенно важны для активности. По сравнению с диким типом енолазы, мутантная енолаза, которая отличается либо по остатку Glu 168 , Glu 211 , Lys 345 , либо по остатку Lys 396 , имеет уровень активности, который снижен в 105 раз. [3] Кроме того, изменения, затрагивающие His 159, оставляют мутанту только 0,01% его каталитической активности. [3] Неотъемлемой частью енолазы являются два кофактора Mg 2+ в активном центре, которые служат для стабилизации отрицательных зарядов в субстрате. [3] [6]
В последнее время дополнительные функции нескольких энолаз, такие как взаимодействие с плазминогеном , привлекли внимание к каталитическим петлям ферментов и их структурному разнообразию. [7] [8]
3-D изображение димера енолазы в антипараллельной ориентации. N-концевой Glu 20 одного димера образует ионную связь с C-концевым Arg 414 другого для стабилизации четвертичной структуры фермента.
Активный сайт енолазы в середине ствола С-концевого домена. Изображены два кофактора Mg 2+ и пять высококонсервативных остатков, необходимых для правильной каталитической функции: His 159 , Glu 168 , Glu 211 , Lys 345 , Lys 396 .
Механизм
Используя изотопные зонды, предлагается, чтобы общий механизм преобразования 2-PG в PEP был реакцией элиминации E1cB с участием промежуточного карбаниона. [9] Следующий подробный механизм основан на исследованиях кристаллической структуры и кинетики . [3] [10] [11] [12] [13] [14] [15] Когда субстрат, 2-фосфоглицерат, связывается с α-енолазой, его карбоксильная группа координируется с двумя кофакторами ионов магния в активном центре. Это стабилизирует отрицательный заряд на депротонированном кислороде, одновременно увеличивая кислотность альфа-водорода. Lys 345 енолазы депротонирует альфа-водород, и полученный отрицательный заряд стабилизируется резонансом с карбоксилатным кислородом и кофакторами ионов магния. После создания промежуточного карбаниона гидроксид на C3 элиминируется в виде воды с помощью Glu 211 , и образуется PEP.
Кроме того, в ферменте происходят конформационные изменения, которые способствуют катализу. В человеческой α-енолазе субстрат поворачивается в положение при связывании с ферментом из-за взаимодействий с двумя каталитическими ионами магния, Gln 167 и Lys 396. Движения петель Ser 36 к His 43 , Ser 158 к Gly 162 и Asp 255 к Asn 256 позволяют Ser 39 координироваться с Mg 2+ и закрывать активный сайт. В дополнение к координации с каталитическими ионами магния, pKa альфа-водорода субстрата также снижается из-за протонирования фосфорильной группы His 159 и его близости к Arg 374. Arg 374 также вызывает депротонирование Lys 345 в активном сайте, что подготавливает Lys 345 к его роли в механизме.
Диагностическое применение
В недавних медицинских экспериментах концентрации энолазы были отобраны в попытке диагностировать определенные состояния и их тяжесть. Например, более высокие концентрации энолазы в спинномозговой жидкости сильнее коррелировали с астроцитомой низкой степени злокачественности , чем другие протестированные ферменты ( альдолаза , пируваткиназа , креатинкиназа и лактатдегидрогеназа ). [16] Это же исследование показало, что самая высокая скорость роста опухоли наблюдалась у пациентов с самыми высокими уровнями энолазы СМЖ. Повышенные уровни энолазы также были выявлены у пациентов, недавно перенесших инфаркт миокарда или инсульт . Было сделано заключение, что уровни нейрон-специфической энолазы СМЖ, сывороточной NSE и креатинкиназы (тип BB) являются показательными при прогностической оценке жертв остановки сердца. [17] Другие исследования были сосредоточены на прогностической ценности значений NSE у жертв инсульта. [18]
Низкомолекулярные ингибиторы енолазы были синтезированы как химические зонды (аналоги субстрата) каталитического механизма фермента и в последнее время исследовались как потенциальные методы лечения рака и инфекционных заболеваний. [21] [22] Большинство ингибиторов обладают свойствами хелатирования металлов и связываются с ферментом посредством взаимодействия со структурным атомом магния Mg(A). [23] [24] Наиболее мощным из них является фосфоноацетогидроксамат, [24] который в своей непротонированной форме имеет сродство pM к ферменту. Он имеет структурное сходство с предполагаемым каталитическим промежуточным соединением между PEP и 2-PG. Были предприняты попытки использовать этот ингибитор в качестве противотрипаносомного препарата [25], а в последнее время — в качестве противоракового средства, в частности, в глиобластоме с дефицитом енолазы из-за гомозиготной делеции гена ENO1 как части локуса супрессора опухоли 1p36 ( синтетическая летальность ). [26] Натуральный продукт фосфонатного антибиотика SF2312 ( CAS 107729-45-3), который активен против грамположительных и отрицательных бактерий, особенно в анаэробных условиях, [27] является высокоэффективным ингибитором энолазы 4zcw, который связывается аналогично фосфоноацетогидроксамату 4za0. [28] SF2312 ингибирует активность энолазы как эукариотического , так и прокариотического происхождения, [29] отражая сильную эволюционную консервацию энолазы и древнее происхождение пути гликолиза. SF2312 — это хиральная молекула, только 3S-энантиомер которой проявляет ингибирующую активность по отношению к енолазе и биологическую активность против бактерий. [30] Совсем недавно было показано, что производное SF2312, названное HEX, и его пролекарство POMHEX оказывают противоопухолевую активность против глиомы с делецией ENO1 в доклинической внутричерепной ортотопической модели мыши. [31] Аллостерическое связующее вещество ENOblock [22] изначально было описано как ингибитор энолазы, но впоследствии было показано, что оно фактически не ингибирует фермент, а скорее мешает ферментативному анализу энолазы in vitro. [32] Было обнаружено, что ENOblock изменяет клеточную локализацию энолазы, влияя на ее вторичные, негликолитические функции, такие как регуляция транскрипции. [33] Последующий анализ с использованием коммерческого анализа также показал, что ENOblock может ингибировать активность энолазы в биологических контекстах, таких как клетки и ткани животных. [33] Метилглиоксаль также был описан как ингибитор человеческой енолазы. [34]
Аналоги ингибиторов энолазы переходного состояния активного центра были исследованы в доклинических условиях для лечения различных микробных патогенов, а также в прецизионной онкологии опухолей с гомозиготными делециями 1p36, в которых отсутствует ENO1. [31] [35] [36] [37] [38] [39] [40]
Фтор — известный конкурент субстрата энолазы 2-PG. Фтор может образовывать комплекс с магнием и фосфатом, который связывается в активном центре вместо 2-PG. [4] Одно исследование показало, что фторид может ингибировать бактериальную энолазу in vitro . [41] Ингибирующая энолазу активность аниона фторида может способствовать противокариесному эффекту зубной пасты с фторидом, ограничивая выработку молочной кислоты (продукта гликолиза, для которого требуется энолаза). [ необходима медицинская цитата ]
Ссылки
^ PDB : 2ONE ; Zhang E, Brewer JM, Minor W, Carreira LA, Lebioda L (октябрь 1997 г.). «Механизм энолазы: кристаллическая структура асимметричного димера енолаза-2-фосфо-D-глицерат/енолаза-фосфоенолпируват при разрешении 2,0 А». Биохимия . 36 (41): 12526–12534. doi :10.1021/bi9712450. PMID 9376357.
^ PDB : 2XSX ; Vollmar M, Krysztofinska E, Chaikuad A, Krojer T, Cocking R, Vondelft F, Bountra C, Arrowsmith CH, Weigelt J, Edwards A, Yue WW, Oppermann U (2010). "Кристаллическая структура человеческой бета-енолазы ENOB". Protein Data Bank .
^ abcdefghij Pancholi V (июнь 2001 г.). «Многофункциональная альфа-енолаза: ее роль при заболеваниях». Cellular and Molecular Life Sciences . 58 (7): 902–920. doi :10.1007/pl00000910. PMC 11337373 . PMID 11497239. S2CID 9191423.
^ abcd Hoorn RK, Flikweert JP, Staal GE (ноябрь 1974). «Очистка и свойства енолазы человеческих эритроцитов». International Journal of Biochemistry . 5 (11–12): 845–852. doi :10.1016/0020-711X(74)90119-0. hdl : 1874/18158 . S2CID 86699159.
^ Ломан, К; Мейерхоф, О (1934). «Über die enzymatische umwandlung von phosfoglyzerinsäure in brenztraubensäure und Phosphorsäure» [Ферментативное превращение фосфоглицериновой кислоты в пировиноградную и фосфорную кислоту]. Biochemische Zeitschrift (на немецком языке). 273 : 60–72.
^ abcd Пешавария М, Дэй ИН (апрель 1991 г.). «Молекулярная структура гена специфической для мышц человека енолазы (ENO3)». Биохимический журнал . 275 (ч. 2) (ч. 2): 427–433. doi :10.1042/bj2750427. PMC 1150071. PMID 1840492 .
^ Ehinger S, Schubert WD, Bergmann S, Hammerschmidt S, Heinz DW (октябрь 2004 г.). "Плазмин(оген)-связывающая альфа-енолаза из Streptococcus pneumoniae: кристаллическая структура и оценка участков связывания плазмина(оген)". Journal of Molecular Biology . 343 (4): 997–1005. doi :10.1016/j.jmb.2004.08.088. PMID 15476816.
^ Рагхунатхан К, Харрис ПТ, Спурбек РР, Арвидсон КГ, Арвидсон ДН (июнь 2014 г.). «Кристаллическая структура эффективного ингибитора адгезии гонококков: енолаза из Lactobacillus gasseri». FEBS Letters . 588 (14): 2212–2216. doi :10.1016/j.febslet.2014.05.020. PMID 24859038. S2CID 9976031.
^ Poyner RR, Laughlin LT, Sowa GA, Reed GH (февраль 1996 г.). «К идентификации кислотно-основных катализаторов в активном центре енолазы: сравнение свойств вариантов K345A, E168Q и E211Q». Биохимия . 35 (5): 1692–1699. doi :10.1021/bi952186y. PMID 8634301.
^ Reed GH, Poyner RR, Larsen TM, Wedekind JE, Rayment I (декабрь 1996 г.). «Структурные и механистические исследования енолазы». Current Opinion in Structural Biology . 6 (6): 736–743. doi :10.1016/S0959-440X(96)80002-9. PMID 8994873.
^ Wedekind JE, Reed GH, Rayment I (апрель 1995 г.). «Октаэдрическая координация в месте с высоким сродством металла в енолазе: кристаллографический анализ комплекса MgII-фермент из дрожжей при разрешении 1,9 А». Биохимия . 34 (13): 4325–4330. doi :10.1021/bi00013a022. PMID 7703246.
^ Wedekind JE, Poyner RR, Reed GH, Rayment I (август 1994). "Хелирование серина 39 с Mg2+ защелкивает ворота в активном центре энолазы: структура бис(Mg2+) комплекса дрожжевой энолазы и промежуточного аналога фосфоноацетогидроксамата при разрешении 2,1-A". Biochemistry . 33 (31): 9333–9342. doi :10.1021/bi00197a038. PMID 8049235.
^ Larsen TM, Wedekind JE, Rayment I, Reed GH (апрель 1996 г.). «Кислород карбоксилата субстрата связывает ионы магния в активном центре енолазы: структура фермента дрожжей, комплексированного с равновесной смесью 2-фосфоглицерата и фосфоенолпирувата при разрешении 1,8 А». Биохимия . 35 (14): 4349–4358. doi :10.1021/bi952859c. PMID 8605183.
^ Duquerroy S, Camus C, Janin J (октябрь 1995 г.). "Рентгеновская структура и каталитический механизм энолазы лобстера". Биохимия . 34 (39): 12513–12523. doi :10.1021/bi00039a005. PMID 7547999.
^ Royds JA, Timperley WR, Taylor CB (декабрь 1981 г.). «Уровни энолазы и других ферментов в спинномозговой жидкости как показатели патологических изменений». Журнал неврологии, нейрохирургии и психиатрии . 44 (12): 1129–1135. doi :10.1136/jnnp.44.12.1129. PMC 491233. PMID 7334408 .
^ Roine RO, Somer H, Kaste M, Viinikka L, Karonen SL (июль 1989). «Неврологический исход после остановки сердца вне больницы. Прогнозирование с помощью анализа ферментов спинномозговой жидкости». Архивы неврологии . 46 (7): 753–756. doi :10.1001/archneur.1989.00520430047015. PMID 2742544.
^ Hay E, Royds JA, Davies-Jones GA, Lewtas NA, Timperley WR, Taylor CB (июль 1984 г.). «Энолаза спинномозговой жидкости при инсульте». Журнал неврологии, нейрохирургии и психиатрии . 47 (7): 724–729. doi :10.1136/jnnp.47.7.724. PMC 1027902. PMID 6747647 .
^ Lundberg K, Kinloch A, Fisher BA, Wegner N, Wait R, Charles P и др. (октябрь 2008 г.). «Антитела к цитруллинированному альфа-енолазному пептиду 1 специфичны для ревматоидного артрита и перекрестно реагируют с бактериальной энолазой». Артрит и ревматизм . 58 (10): 3009–3019. doi :10.1002/art.23936. PMID 18821669.
^ Fujii A, Yoneda M, Ito T, Yamamura O, Satomi S, Higa H и др. (май 2005 г.). «Аутоантитела против аминоконца альфа-енолазы являются полезным диагностическим маркером энцефалопатии Хашимото». Журнал нейроиммунологии . 162 (1–2): 130–136. doi :10.1016/j.jneuroim.2005.02.004. PMID 15833368. S2CID 43249019.
^ Anderson VE, Weiss PM, Cleland WW (июнь 1984). «Реакционные промежуточные аналоги енолазы». Биохимия . 23 (12): 2779–2786. doi :10.1021/bi00307a038. PMID 6380574.
^ ab Jung DW, Kim WH, Park SH, Lee J, Kim J, Su D и др. (2 апреля 2013 г.). «Уникальный ингибитор малой молекулы енолазы проясняет его роль в фундаментальных биологических процессах». ACS Chemical Biology . 8 (6): 1271–1282. doi :10.1021/cb300687k. PMID 23547795.
^ Poyner RR, Reed GH (август 1992). «Структура комплекса бис-дивалентного катиона с фосфоноацетогидроксаматом в активном центре енолазы». Биохимия . 31 (31): 7166–7173. doi :10.1021/bi00146a020. PMID 1322695.
^ ab Zhang E, Hatada M, Brewer JM, Lebioda L (май 1994). "Каталитическое связывание ионов металлов в енолазе: кристаллическая структура комплекса енолаза-Mn2+-фосфоноацетогидроксамат при разрешении 2,4-A". Биохимия . 33 (20): 6295–6300. doi :10.1021/bi00186a032. PMID 8193144.
^ de Navarro MV, Gomes Dias SM, Mello LV, da Silva Giotto MT, Gavalda S, Blonski C и др. (октябрь 2007 г.). «Структурная гибкость энолазы Trypanosoma brucei, выявленная с помощью рентгеновской кристаллографии и молекулярной динамики». Журнал FEBS . 274 (19): 5077–5089. doi : 10.1111/j.1742-4658.2007.06027.x . PMID 17822439.
^ Muller FL, Colla S, Aquilanti E, Manzo VE, Genovese G, Lee J и др. (август 2012 г.). «Пассажирские делеции создают терапевтические уязвимости при раке». Nature . 488 (7411): 337–342. Bibcode :2012Natur.488..337M. doi :10.1038/nature11331. PMC 3712624 . PMID 22895339.
^ Ватанабэ Х., Ёсида Дж., Танака Э., Ито М., Миядох С., Шомура Т. (1986). «Исследования нового антибиотика на основе фосфоновой кислоты, SF-2312». Sci Rep Meiji Seika Kaisha . 25 : 12–17.
^ Leonard PG, Satani N, Maxwell D, Lin YH, Hammoudi N, Peng Z и др. (декабрь 2016 г.). «SF2312 — это природный ингибитор фосфоната энолазы». Nature Chemical Biology . 12 (12): 1053–1058. doi :10.1038/nchembio.2195. PMC 5110371 . PMID 27723749.
^ Кручинска Дж., Ломбардо М.Н., Эрландсен Х., Хазин А., Дуай С.С., Паттис Дж.Г. и др. (ноябрь 2019 г.). «Функциональная и структурная основа ингибирования енолазы E. coli с помощью SF2312: имитатор промежуточного карбаниона». Научные отчеты . 9 (1): 17106. Бибкод : 2019НатСР...917106К. дои : 10.1038/s41598-019-53301-3. ПМК 6863902 . ПМИД 31745118.
^ Pisaneschi F, Lin YH, Leonard PG, Satani N, Yan VC, Hammoudi N и др. (Июль 2019 г.). «3S-энантиомер стимулирует ингибирующую активность енолазы в SF2312 и его аналогах». Molecules . 24 (13): 2510. doi : 10.3390/molecules24132510 . PMC 6651268 . PMID 31324042.
^ Аб Лин Ю.Х., Сатани Н., Хаммуди Н., Ян В.К., Барекатайн Ю., Хадка С. и др. (декабрь 2020 г.). «Ингибитор енолазы для таргетного лечения рака с удаленным ENO1». Природный метаболизм . 2 (12): 1413–1426. дои : 10.1038/s42255-020-00313-3. ПМЦ 7744354 . ПМИД 33230295.
^ Сатани Н, Лин ЙХ, Хаммуди Н, Рагхаван С, Георгиу ДК, Мюллер FL (28 декабря 2016 г.). «ENOblock не подавляет активность гликолитического фермента энолазы». PLOS ONE . 11 (12): e0168739. Bibcode : 2016PLoSO..1168739S. doi : 10.1371 /journal.pone.0168739 . PMC 5193436. PMID 28030597.
^ ab Cho H, Um J, Lee JH, Kim WH, Kang WS, Kim SH и др. (март 2017 г.). «ENOblock, уникальный ингибитор малых молекул негликолитических функций энолазы, облегчает симптомы диабета 2 типа». Scientific Reports . 7 : 44186. Bibcode :2017NatSR...744186C. doi :10.1038/srep44186. PMC 5341156 . PMID 28272459.
^ Pietkiewicz J, Gamian A, Staniszewska M, Danielewicz R (апрель 2009 г.). «Ингибирование специфической для мышц человека энолазы метилглиоксалем и необратимое образование конечных продуктов гликирования». Журнал ингибирования ферментов и медицинской химии . 24 (2): 356–364. doi :10.1080/14756360802187679. PMID 18830874. S2CID 85416928.
^ Jezewski AJ, Lin YH, Reisz JA, Culp-Hill R, Barekatain Y, Yan VC и др. (16 сентября 2021 г.). «Нацеливание на гликолиз хозяина как стратегию разработки противомалярийных препаратов». Frontiers in Cellular and Infection Microbiology . 11 : 730413. doi : 10.3389/fcimb.2021.730413 . PMC 8482815. PMID 34604112 .
^ Miller JJ, Shah IT, Hatten J, Barekatain Y, Mueller EA, Moustafa AM и др. (Июль 2021 г.). «Нацеливание антистафилококковых пролекарств на микробную структуру». eLife . 10 : e66657. doi : 10.7554/eLife.66657 . PMC 8318587 . PMID 34279224.
^ Микати М.О., Миллер Дж.Дж., Осборн Д.М., Барекатайн Ю., Гебремайкл Н., Шах И.Т. и др. (ноябрь 2020 г.). «Активация противомикробного пролекарства стафилококковой глиоксалазой GloB». ОКС Инфекционные болезни . 6 (11): 3064–3075. doi : 10.1021/acsinfecdis.0c00582. ПМЦ 8543975 . PMID 33118347. S2CID 226052354.
^ Maitituoheti M, Keung EZ, Tang M, Yan L, Alam H, Han G и др. (октябрь 2020 г.). «Перепрограммирование усилителя обеспечивает зависимость от гликолиза и сигнализации IGF в меланоме с мутацией KMT2D». Cell Reports . 33 (3): 108293. doi :10.1016/j.celrep.2020.108293. PMC 7649750 . PMID 33086062.
^ Кручинска Дж., Ломбардо М.Н., Эрландсен Х., Хазин А., Дуай С.С., Паттис Дж.Г. и др. (ноябрь 2019 г.). «Функциональная и структурная основа ингибирования енолазы E. coli с помощью SF2312: имитатор промежуточного карбаниона». Научные отчеты . 9 (1): 17106. Бибкод : 2019НатСР...917106К. дои : 10.1038/s41598-019-53301-3. ПМК 6863902 . ПМИД 31745118.
^ Pisaneschi F, Lin YH, Leonard PG, Satani N, Yan VC, Hammoudi N и др. (Июль 2019 г.). «3S-энантиомер стимулирует ингибирующую активность енолазы в SF2312 и его аналогах». Molecules . 24 (13): 2510. doi : 10.3390/molecules24132510 . PMC 6651268 . PMID 31324042.
^ Hüther FJ, Psarros N, Duschner H (апрель 1990 г.). «Изоляция, характеристика и кинетика ингибирования енолазы из Streptococcus rattus FA-1». Инфекция и иммунитет . 58 (4): 1043–1047. doi : 10.1128 /IAI.58.4.1043-1047.1990. PMC 258580. PMID 2318530.
Дальнейшее чтение
Holt A, Wold F (декабрь 1961 г.). «Выделение и характеристика энолазы мышечной ткани кролика». Журнал биологической химии . 236 (12): 3227–3231. doi : 10.1016/S0021-9258(18)94000-7 . PMID 13908561.
Бойер, П. Д., Ларди, Х. и Мирбак, К. (редакторы), Ферменты, 2-е изд., т. 5, Academic Press, Нью-Йорк, 1961, стр. 471-494.
Westhead EW, Mclain G (август 1964). «Очистка енолазы пивных и пекарских дрожжей с получением одного активного компонента». Журнал биологической химии . 239 (8): 2464–2468. doi : 10.1016/S0021-9258(18)93875-5 . PMID 14235523.