Ксантозинфосфорилаза

Ксантозинфосфорилаза , также известная как инозин-гуанозинфосфорилаза , является каталитическим ферментом, кодируемым геном XapA в E. coli . Известно, что присутствие ксантозина индуцирует синтез ксантозинфосфорилазы геном XapA. Основными функциями фермента являются фосфоролиз нуклеозидов и синтез нуклеотидов , что делает его членом группы пуриновых нуклеозидфосфорилаз . Этот белок может расщеплять все пуриновые нуклеозиды (включая ксантозин), за исключением аденозина , дезоксиаденозина и гипоксантина арабинозида. Эти реакции деградации обратимы in vitro , однако фосфоролиз доминирует in vivo . Ксантозинфосфорилаза локализуется в цитоплазме , поскольку эти функции деградации происходят там. Ксантозинфосфорилаза предпочтительно использует нейтральную форму ксантозина, а не его моноанионную форму, поскольку она предпочитает находиться в нейтральной среде.

Существует три кристаллические структуры. Три структуры были представлены в банке белков RSCB под кодами 1YQU (тригональная форма с гуанином и фосфатом), 1YQQ (малая орторомбическая форма с гуанином и фосфатом) и 1YR3 (большая орторомбическая форма с ксантином и сульфатом). (В этом разделе все изображения и чертежи созданы на основе 1YQQ, за исключением специально отмеченных случаев) Как и другие пуриновые нуклеозидфосфорилазы , ксантозинфосфорилаза является тримером, но иногда мигрирует в гексамер. Структура гексамера представляет собой комбинацию двух тримеров, а не комбинацию трех димеров, поэтому гексамер известен как «димер тримеров». ^[1] На рисунке 1 показан «димер тримеров». Две части тримера — верхняя правая часть и нижняя левая часть.

Химические компоненты лиганда ксантозинфосфорилазы (1YQQ) - это гуанин и ион фосфата (рисунок 2 и рисунок 3). Лиганды скрыты в петле (рисунок 6). Как показано на рисунке Jmol, выделенные лиганды скрыты в петле ксантозинфосфорилазы. В ферменте имеется три петлевые 3D-структуры, каждая петля скрывает ион фосфата и гуанин.

В кристаллической структуре фермента (рисунок 4) есть присутствие наложенных друг на друга гексамеров в кристаллических формах, что подразумевает, что гексамер является преобладающей формой в условиях кристаллизации. Структуру лучше всего описать как димер тримеров. Трехмерная структура показана ниже. Из трехмерной структуры домен белка представляет собой смесь альфа-спирали и бета-слоя. Альфа-спираль и бета-слоя создают петлю.

Топологическая схема (рисунок 5) показывает связность вторичной структуры, которая является альтернативой альфа-спиралям и бета-слоям.

В 1980 году Хаммер-Йеперсен К., Бакстон Р.С. и Хансен Т.Д. обнаружили наличие второй пуриновой нуклеозидфосфорилазы в диких штаммах E. coli K-12 после того, как она продемонстрировала рост на ксантозине. Они пришли к выводу, что ксантозин был единственным соединением, которое могло индуцировать ксантозинфосфорилазу. Они не обнаружили никаких других ферментов в ходе этого процесса, ксантозинфосфорилаза была единственным новым полученным продуктом.

Ксантозинфосфорилаза (PNP-ĮĮ) является разновидностью пуриновых нуклеозидфосфорилаз (PNP) в E. coli и находится в цитозоле. ^[2] Фермент кодируется 873-нуклеотидной последовательностью гена в E. coli, ^[3] которая кодирует XapA, XapB и XapR Согласно исследованию Сигера, ген XapA не может быть экспрессирован без сотрудничества гена XapR. Ген XapA и ген XapR переносятся почти одновременно. Поэтому ген XapA и ген XapB расположены очень близко. Однако сверхэкспрессия XapR не увеличивает ген XapA. Экспрессия гена XapA увеличивается максимум в восемь раз. Поэтому другие факторы также соответствуют экспрессии XapA. ^[4] Отсутствие ксантозина отключает промотор XapA, указывая на то, что XapA не может быть синтезирован в культуре, в которой отсутствует ксантозин. ^[5]

Генный локус ксантозинфосфорилазы у человека ( Homo sapiens ) находится на хромосоме 14q13.1. ^[6] Когда возникают нарушения в кодирующей области, они вызывают дефицит PNP.

Этот фермент катализирует фосфорилирование и кристаллическую структуру фермента. «Димерная структура тримеров» полезна для создания правильной ориентации исходных материалов и преобразования их в промежуточные продукты. Ксантозинфосфорилаза будет хорошо связываться с переходным состоянием и активным сайтом через страницу Protein Data Bank, которая может указывать на критические остатки, которые использует фермент. Ионы сульфата в активном сайте позволяют правильно накладывать нагрузку на этот субстрат, делая его более склонным к катализу и позволяя этому механизму действовать.

Экспериментальные данные показали, что ксантозинфосфорилаза осуществляет деградацию пурина посредством замены ксантина на неорганическую фосфатную группу. Этот фермент катализирует фосфорилирование ксантозина, инозина и гуанозина. (рисунок 8) Ксантозинфосфорилаза является членом группы пуриновых нуклеозидфосфорилаз, и ее основными функциями являются фосфоролиз нуклеозидов и синтез нуклеозидов. Эти действия происходят в цитоплазме, поэтому ксантозинфосфорилаза находится в цитоплазме. Ксантозинфосфорилаза использует ортофосфат для расщепления N-гликозидной связи рибонуклеозидов с образованием соответствующего свободного пуринового основания и рибозо-1-фосфата. ^[7]

Бифункциональный катализ — это основной путь, который использует этот фермент (и все другие ферменты). Кислотные и основные остатки, которые размещены по направлению к внешней стороне фермента. Это создает среду, которая может правильно навязать механизм фосфорилирования. Например, мы можем взглянуть на эту структуру PDB, которая показывает нам все соответствующие взаимодействия, поддерживаемые в активном центре фермента.

Ксантозинфосфорилаза способна расщеплять все пуриновые нуклеозиды (включая ксантозин), но не может расщеплять аденозин, дезоксиаденозин или гипоксантина арабинозид. Хотя эта реакция обратима in vitro, фосфоролиз доминирует in vivo. Кроме того, ксантозинфосфорилаза предпочитает находиться в нейтральной среде, поэтому она предпочтительно использует нейтральную форму ксантозина вместо его моноанионной формы. Моноанионные формы создали бы экстремальные проблемы в биологических условиях, а катализ был бы неблагоприятным.

Резонанс, которому может подвергаться ксантозин. При более низких значениях pKa ксантозин находится в катионной форме, и хотя он хорошо резонирует и довольно стабилен, в организме он не будет обнаружен таким образом. В нейтральной форме две кольцевые структуры связаны. Ксантозин имеет два карбонильных кислорода, что означает, что это может позволить атаку нуклеофила или стабилизирующие взаимодействия между кислородом и водородом. Кроме того, два атома азота в кольце могут потенциально действовать как нуклеофилы, но также могут использоваться для стабилизирующих взаимодействий, которые позволят провести правильное фосфорилирование. (Рисунок 7)

Будучи цитоплазматическим ферментом, функционирующим при физиологическом pH, этот фермент способен осуществлять деградацию пуринов, что может быть результатом механизмов замещения, используемых ксантином.

Использование содержащей ксантозин питательной среды может выбрать рост E.coli в присутствии колонии S.enterica . Поскольку S.enterica содержит ферменты, очень похожие на E.coli , но S.enterica не кодирует XapA, который отвечает за катализ ксантозина и обнаружен в E.coli . ^[8]

Ксантозинфосфорилаза — это пуриновая нуклеозидфосфорилаза , она участвует в метаболизме пуринов. Когда у человека отсутствует PNP, токсичные метаболиты, дезоксигуанозинтрифосфат, будут накапливаться, особенно в лимфоцитах. Следствием накопления токсичных метаболитов является нарушение функции В-клеток и Т-клеток . ^[9]