Ферментный промискуитет

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Ферментный промискуитет (неразборчивость) — это способность фермента катализировать случайную побочную реакцию в дополнение к своей основной реакции. Хотя ферменты являются чрезвычайно специфическими катализаторами, они часто могут выполнять побочные реакции в дополнение к своей основной природной каталитической активности[1]. Побочная активность фермента обычно протекает медленнее по сравнению с основной деятельностью и находится под нейтральным отбором. Несмотря на то, что обычно эти активности физиологически нерелевантны, в условиях нового избирательного давления эти виды деятельности могут принести пользу, тем самым побуждая эволюцию ранее побочных активностей стать новым основным видом деятельности[2]. Примером этого является хлоргидролаза атразина (кодируется atzA) Pseudomonas sр., произошедшая из меламиндезаминазы (кодируется triA), которая имеет очень небольшую побочную активность в отношении атразина, химического вещества, созданного руками человека[3].

Вступление[править | править код]

Ферменты развиваются, чтобы катализировать конкретную реакцию на конкретном субстрате с высокой каталитической эффективностью (kcat/KM, см. также Кинетика Михаэлиса — Ментен). Однако в дополнение к этой основной активности они обладают побочными, активность которых обычно на несколько порядков ниже, и которые не являются результатом эволюционного отбора и, следовательно, не участвуют в физиологии организма. Это явление позволяет ферментам приобретать новые функции, поскольку побочные активности могут принести пользу под новым давлением отбора, ведущим к дублированию гена, кодирующего фермент, и выбору побочной активности в качестве нового основного вида деятельности.

Эволюция ферментов[править | править код]

Дублирование и расхождение[править | править код]

Существует несколько теоретических моделей для предсказания порядка дублирования и смены специализации, но фактический процесс более запутан и нечёток (§ Реконструированные ферменты ниже)[4]. С одной стороны, амплификация гена приводит к увеличению концентрации фермента и потенциальной свободе от ограничительной регуляции, что, следовательно, увеличивает скорость реакции (v) побочной активности фермента, делая его эффекты более выраженными физиологически («эффект дозировки гена»)[5]. С другой стороны, ферменты могут развить повышенную вторичную активность с небольшой потерей первичной активности («устойчивости») с небольшим адаптивным конфликтом (§ Устойчивость и пластичность ниже)[6].

Устойчивость и пластичность[править | править код]

Исследование четырёх различных гидролаз (параоксоназа сыворотки крови человека (PON1), фосфотриэстераза псевдомонад (PTE), протеинтирозинфосфатаза (PTP) и карбоангидраза II человека (CAII)) показало, что основная их активность является «устойчивой» к изменениям, тогда как побочные активности являются «слабыми» и более «пластичными». В частности, выбор побочной активности, (посредством направленной эволюции), изначально не уменьшает основную активность фермента (следовательно, её «устойчивость»), но сильно влияет на побочные виды активности (следовательно, их «пластичность»)[6].

Фосфотриэстераза (PTE) из Pseudomonas diminuta эволюционировала, чтобы стать арилэстеразой (гидролаза P — O в C — O) за восемнадцать циклов, получив 109 сдвигов в специфичности (отношение KM), однако большая часть изменений произошла в начальных циклах, в которых неизбираемая рудиментарная активность PTE сохранялась и развивающаяся активность арилэстеразы росла, в то время как в последних циклах имел место небольшой компромисс за потерю рудиментарной активности PTE в пользу активности арилэстеразы[7].

Это означает, во-первых, что специализированный фермент (монофункциональный) в процессе эволюции проходит через универсальную стадию (многофункциональный), прежде чем снова стать специализированным — предположительно после дупликации гена согласно модели IAD, — и, во-вторых, побочные активности более пластичны, в отличие от основной активности.

Реконструированные ферменты[править | править код]

Самым последним и наиболее ярким примером эволюции ферментов является появление ферментов, способствующих биологическому восстановлению, в течение последних 60 лет. Из-за очень небольшого количества замен аминокислот они представляют собой отличную модель для исследования эволюции ферментов в природе. Однако использование существующих ферментов для определения того, как эволюционировало семейство ферментов, имеет недостаток, заключающийся в том, что недавно возникший фермент сравнивают с паралогами, не зная истинной идентичности предка до того, как два гена расходятся. Эта проблема может быть решена благодаря реконструкции предков. Впервые предложенная в 1963 году Линусом Полингом и Эмилем Цукеркандлом, предковая реконструкция — это вывод и синтез гена из предковой формы группы генов[8] который недавно возродился благодаря усовершенствованным методам вывода[9] и недорогому искусственному синтезу генов[10] в результате которого необходимо изучать несколько наследственных ферментов, которые некоторые называют «стемзимами»[11][12].

Доказательства, полученные с помощью реконструированного фермента, предполагают, что порядок событий, когда новая активность улучшается, а ген дублируется, не является четким, в отличие от того, что предполагают теоретические модели эволюции генов.

Одно исследование показало, что предковый ген семейства протеаз иммунной защиты у млекопитающих имел более широкую специфичность и более высокую каталитическую эффективность, чем современное семейство паралогов[11] тогда как другое исследование показало, что предковый стероидный рецептор позвоночных был рецептором эстрогена с небольшой неоднозначностью субстрата для других гормонов, что указывает на то, что они, вероятно, не были синтезированы в то время[13].

Эта вариабельность наследственной специфичности наблюдалась не только между разными генами, но и внутри одного и того же семейства генов. В свете большого количества паралогичных генов α-глюкозидазы грибов с рядом специфических мальтозоподобных (мальтоза, тураноза, мальтотриоза, мальтулоза и сахароза) и изомальтозоподобных (изомальтоза и палатиноза) субстратов, исследование реконструировало всех ключевых предков и обнаружили, что последний общий предок паралогов был в основном активен на мальтозоподобных субстратах с лишь следовой активностью для изомальтозоподобных сахаров, несмотря на то, что он привел к линии изомальтозоглюкозидаз и линии, которая далее расщеплялась на мальтозоглюкозидазы и изомальтозоглюкозидазы. В противоположность этому, предок до последнего расщепления имел более выраженную изомальтозоподобную активность глюкозидазы[4].

Изначальный метаболизм[править | править код]

Рой Дженсен в 1976 году предположил, что первичные ферменты должны быть очень неразборчивыми, чтобы метаболические сети собирались лоскутным способом (отсюда и его название, лоскутная модель). Эта изначальная каталитическая универсальность позже была утрачена в пользу высококаталитических специализированных ортологичных ферментов.[14] Как следствие, многие ферменты центрального метаболизма имеют структурные гомологи, которые расходились до появления последнего универсального общего предка[15].

Распределение[править | править код]

Промискуитет — это не только изначальная черта, но и очень распространенное свойство в современных геномах. Был проведен ряд экспериментов для оценки распределения активности промискуитетных ферментов в E. coli . В E. coli 21 из 104 протестированных единичных генов (из коллекции Keio[16]) можно было устранить за счет сверхэкспрессии некогнатного белка E. coli (с использованием объединённого набора плазмид из коллекции ASKA[17]). Механизмы, с помощью которых некогнатная ORF может восстановить нокаут, можно сгруппировать в восемь категорий: избыточная экспрессия изоферментов (гомологи), неоднозначность субстрата, транспортная неоднозначность (очистка), каталитическая неразборчивость, поддержание метаболического потока (включая сверхэкспрессию большого компонента синтазы в отсутствие субъединицы аминотрансферазы), обход пути, регуляторные эффекты и неизвестные механизмы[5]. Точно так же сверхэкспрессия коллекции ORF позволила E. coli повысить устойчивость более чем на порядок в 86 из 237 токсичных сред[18].

Гомология[править | править код]

Известно, что гомологи иногда проявляют неразборчивость по отношению к основным реакциям друг друга[19]. Эта перекрестная неразборчивость наиболее изучена с членами суперсемейства щелочных фосфатаз, которые катализируют гидролитическую реакцию по сульфатной, фосфонатной, монофосфатной, дифосфатной или трифосфатной сложноэфирной связи нескольких соединений[20]. Несмотря на расхождение, гомологи обладают разной степенью взаимной неразборчивости: различия в неразборчивости связаны с задействованными механизмами, особенно с необходимым промежуточным звеном[20].

Степень неразборчивости[править | править код]

Ферменты, как правило, находятся в состоянии, которое является не только компромиссом между стабильностью и каталитической эффективностью, но это также верно и в отношении специфичности и эволюционируемости, причем последние два определяют, является ли фермент универсальным (высокоразвитым из-за большой неразборчивости, но низкой основной активностью) или специальным (высокая основная активность, плохо развивающаяся из-за высокой разборчивости)[21]. Примерами являются ферменты для первичного и вторичного метаболизма в растениях (§ Вторичный метаболизм растений ниже). В игру могут вступать и другие факторы, например, глицерофосфодиэстераза (gpdQ) из Enterobacter aerogenes показывает разные значения своей неразборчивой активности в зависимости от двух ионов металлов, которые она связывает, что продиктовано доступностью ионов[22].v В некоторых случаях неразборчивость можно увеличить, ослабив специфичность активного сайта путем увеличения его с помощью одной мутации, как это было в случае мутанта D297G эпимеразы L-Ala-D / L-Glu E. coli (ycjG) и E323G мутант лактонизирующего фермента II псевдомонад муконат, что позволяет им беспорядочно катализировать активность O-сукцинилбензоатсинтазы (menC)[23]. Напротив, неразборчивость может быть уменьшена, как это было в случае γ-гумуленсинтазы (сесквитерпенсинтазы) из Abies grandis, которая, как известно, продуцирует 52 различных сесквитерпена из фарнезилдифосфата после нескольких мутаций[24].

Исследования ферментов с широкой специфичностью — не беспорядочных, но концептуально близких — таких как трипсин и химотрипсин млекопитающих и бифункциональная изопропилмалат-изомераза / гомоаконитаза из Pyrococcus horikoshii, показали, что подвижность петли активного центра в значительной степени способствует каталитической эластичности фермента[25][26].

Токсичность[править | править код]

Промискуитетная активность — это ненативная активность, для которой фермент не эволюционировал, возникающая из-за аккомодационной конформации активного сайта. Однако основная активность фермента является результатом не только отбора в сторону высокой каталитической скорости по отношению к конкретному субстрату для получения конкретного продукта, но также и во избежание образования токсичных или ненужных продуктов[2]. Например, если синтез тРНК загружает неправильную аминокислоту в тРНК, полученный пептид будет иметь неожиданно изменённые свойства, следовательно, для повышения точности присутствуют несколько дополнительных доменов[27]. Подобно реакции синтеза тРНК, первая субъединица тироцидинсинтетазы (tyrA) из Bacillus brevis аденилирует молекулу фенилаланина, чтобы использовать аденильный фрагмент в качестве рычага для получения тирокидина, циклического нерибосомного пептида. Когда была исследована специфичность фермента, было обнаружено, что он обладает высокой селективностью в отношении природных аминокислот, которые не являются фенилаланином, но гораздо более толерантен к неприродным аминокислотам[28]. В частности, большинство аминокислот не катализировалось, тогда как следующей наиболее катализированной нативной аминокислотой был тирозин по структуре, но в тысячную долю больше, чем фенилаланин, тогда как несколько некодируемых аминокислот катализировались лучше, чем тирозин, а именно D-фенилаланин, β- циклогексил-L-аланин, 4-амино-L-фенилаланин и L-норлейцин[28].

Одним из специфических случаев выбранной вторичной активности являются полимеразы и эндонуклеазы рестрикции, где неправильная активность фактически является результатом компромисса между точностью и эволюционируемостью. Например, для рестрикционных эндонуклеаз неправильная активность (звездчатая активность) часто приводит к летальному исходу для организма, но небольшое количество данной активности позволяет развиваться новым функциям для противодействия патогенам[29].

Вторичный метаболизм растений[править | править код]

Антоцианы (на фото дельфинидин) содержатся в растениях, особенно в их цветах, придают им разнообразную окраску для привлечения опылителей и являются типичным примером вторичного метаболита растений.

Растения производят большое количество вторичных метаболитов благодаря ферментам, которые, в отличие от тех, которые участвуют в первичном метаболизме, менее каталитически эффективны, но обладают большей механической эластичностью (типы реакций) и более широкой специфичностью. Порог либерального дрейфа (вызванный низким давлением отбора из-за небольшого размера популяции) позволяет приросту физической формы, обеспечиваемому одним из продуктов, поддерживать другие виды деятельности, даже если они могут быть физиологически бесполезными[30].

Биокатализ[править | править код]

В биокатализе занимаются поиском множества реакций, отсутствующих в природе. Для этого ферменты с небольшой беспорядочной активностью по отношению к требуемой реакции идентифицируются и развиваются посредством направленной эволюции или рационального дизайна[31].

Примером широко развивающегося фермента является ω-трансаминаза, которая может заменять кетон хиральным амином[32] и, следовательно, библиотеки различных гомологов коммерчески доступны для быстрой биодобычи (например, Codexis).

Другой пример — возможность использования беспорядочной активности цистеинсинтазы (cysM) по отношению к нуклеофилам для получения непротеиногенных аминокислот[33].

Сходство реакции[править | править код]

Сходство между ферментативными реакциями (ЕС) можно рассчитать, используя изменения связей, реакционные центры или показатели субструктуры (EC-BLAST)[34].

Лекарства и промискуитет[править | править код]

В то время как промискуитет в основном изучается с точки зрения стандартной кинетики ферментов, связывание лекарств и их последующая реакция представляют собой беспорядочную активность, поскольку фермент катализирует реакцию инактивации по отношению к новому субстрату, для которого он не эволюционировал, чтобы катализировать[6]. Это может быть связано с тем, что в белках имеется лишь небольшое количество отдельных участков связывания лигандов.

С другой стороны, метаболизм ксенобиотиков млекопитающих был разработан так, чтобы обладать широкой специфичностью для окисления, связывания и удаления чужеродных липофильных соединений, которые могут быть токсичными, таких как алкалоиды растений, поэтому их способность детоксифицировать антропогенные ксенобиотики является продолжением этого[35].

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. ↑ Srinivasan, Bharath (2016-07-12). "Catalytic and substrate promiscuity: distinct multiple chemistries catalysed by the phosphatase domain of receptor protein tyrosine phosphatase". Biochemical Journal. 473 (14): 2165—2177. doi:10.1042/bcj20160289. ISSN 0264-6021. PMID 27208174.
  2. ↑ 1 2 "Enzyme promiscuity: a mechanistic and evolutionary perspective". Annual Review of Biochemistry. 79: 471—505. 2010. doi:10.1146/annurev-biochem-030409-143718. PMID 20235827.
  3. ↑ "Catalytic improvement and evolution of atrazine chlorohydrolase". Applied and Environmental Microbiology. 75 (7): 2184—91. April 2009. doi:10.1128/AEM.02634-08. PMID 19201959.
  4. ↑ 1 2 "Reconstruction of ancestral metabolic enzymes reveals molecular mechanisms underlying evolutionary innovation through gene duplication". PLOS Biology. 10 (12): e1001446. 2012. doi:10.1371/journal.pbio.1001446. PMID 23239941.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
  5. ↑ 1 2 "Multicopy suppression underpins metabolic evolvability". Molecular Biology and Evolution. 24 (12): 2716—22. December 2007. doi:10.1093/molbev/msm204. PMID 17884825.
  6. ↑ 1 2 3 "The 'evolvability' of promiscuous protein functions". Nature Genetics. 37 (1): 73—6. January 2005. doi:10.1038/ng1482. PMID 15568024.
  7. ↑ "Diminishing returns and tradeoffs constrain the laboratory optimization of an enzyme". Nature Communications. 3: 1257. 2012. Bibcode:2012NatCo...3.1257T. doi:10.1038/ncomms2246. PMID 23212386.
  8. ↑ Pauling, L. and E. Zuckerkandl, Chemical Paleogenetics Molecular Restoration Studies of Extinct Forms of Life. Acta Chemica Scandinavica, 1963. 17: p. 9-&.
  9. ↑ "Assessing the accuracy of ancestral protein reconstruction methods". PLOS Computational Biology. 2 (6): e69. June 2006. Bibcode:2006PLSCB...2...69W. doi:10.1371/journal.pcbi.0020069. PMID 16789817.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
  10. ↑ "Single-step assembly of a gene and entire plasmid from large numbers of oligodeoxyribonucleotides". Gene. 164 (1): 49—53. October 1995. doi:10.1016/0378-1119(95)00511-4. PMID 7590320.
  11. ↑ 1 2 "A despecialization step underlying evolution of a family of serine proteases". Molecular Cell. 12 (2): 343—54. August 2003. doi:10.1016/s1097-2765(03)00308-3. PMID 14536074.
  12. ↑ "Resurrecting ancient genes: experimental analysis of extinct molecules" (PDF). Nature Reviews Genetics. 5 (5): 366—75. May 2004. doi:10.1038/nrg1324. PMID 15143319. Архивировано (PDF) из оригинала 27 марта 2012. Дата обращения: 25 июля 2021.
  13. ↑ "Resurrecting the ancestral steroid receptor: ancient origin of estrogen signaling". Science. 301 (5640): 1714—7. September 2003. Bibcode:2003Sci...301.1714T. doi:10.1126/science.1086185. PMID 14500980.
  14. ↑ "Enzyme recruitment in evolution of new function". Annual Review of Microbiology. 30: 409—25. 1976. doi:10.1146/annurev.mi.30.100176.002205. PMID 791073.
  15. ↑ "The primordial metabolism: an ancestral interconnection between leucine, arginine, and lysine biosynthesis". BMC Evolutionary Biology. 7 Suppl 2: S3. 2007. doi:10.1186/1471-2148-7-S2-S3. PMID 17767731.{{cite journal}}: Википедия:Обслуживание CS1 (не помеченный открытым DOI) (ссылка)
  16. ↑ "Construction of Escherichia coli K-12 in-frame, single-gene knockout mutants: the Keio collection". Molecular Systems Biology. 2: 2006.0008. 2006. doi:10.1038/msb4100050. PMID 16738554.
  17. ↑ "Complete set of ORF clones of Escherichia coli ASKA library (a complete set of E. coli K-12 ORF archive): unique resources for biological research". DNA Research. 12 (5): 291—9. 2006. doi:10.1093/dnares/dsi012. PMID 16769691.
  18. ↑ "Artificial gene amplification reveals an abundance of promiscuous resistance determinants in Escherichia coli". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 108 (4): 1484—9. January 2011. Bibcode:2011PNAS..108.1484S. doi:10.1073/pnas.1012108108. PMID 21173244.
  19. ↑ "Functional interrelationships in the alkaline phosphatase superfamily: phosphodiesterase activity of Escherichia coli alkaline phosphatase". Biochemistry. 40 (19): 5691—9. May 2001. doi:10.1021/bi0028892. PMID 11341834.
  20. ↑ 1 2 "Cloning, overexpression, purification, and characterization of O-acetylserine sulfhydrylase-B from Escherichia coli". Protein Expression and Purification. 47 (2): 607—13. June 2006. doi:10.1016/j.pep.2006.01.002. PMID 16546401.
  21. ↑ "Stability effects of mutations and protein evolvability". Current Opinion in Structural Biology. 19 (5): 596—604. October 2009. doi:10.1016/j.sbi.2009.08.003. PMID 19765975.
  22. ↑ "Promiscuity comes at a price: catalytic versatility vs efficiency in different metal ion derivatives of the potential bioremediator GpdQ". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteins and Proteomics. 1834 (1): 425—32. January 2013. doi:10.1016/j.bbapap.2012.02.004. PMID 22366468.
  23. ↑ "Evolutionary potential of (beta/alpha)8-barrels: functional promiscuity produced by single substitutions in the enolase superfamily". Biochemistry. 42 (28): 8387—93. July 2003. doi:10.1021/bi034769a. PMID 12859183.
  24. ↑ "Designed divergent evolution of enzyme function". Nature. 440 (7087): 1078—82. April 2006. Bibcode:2006Natur.440.1078Y. doi:10.1038/nature04607. PMID 16495946.
  25. ↑ "Specificity of trypsin and chymotrypsin: loop-motion-controlled dynamic correlation as a determinant". Biophysical Journal. 89 (2): 1183—93. August 2005. arXiv:q-bio/0505037. Bibcode:2005BpJ....89.1183M. doi:10.1529/biophysj.104.057158. PMID 15923233.
  26. ↑ "Crystal structure of the Pyrococcus horikoshii isopropylmalate isomerase small subunit provides insight into the dual substrate specificity of the enzyme". Journal of Molecular Biology. 344 (2): 325—33. November 2004. doi:10.1016/j.jmb.2004.09.035. PMID 15522288.
  27. ↑ "Structural diversity and protein engineering of the aminoacyl-tRNA synthetases". Biochemistry. 51 (44): 8705—29. November 2012. doi:10.1021/bi301180x. PMID 23075299.
  28. ↑ 1 2 "Mapping the limits of substrate specificity of the adenylation domain of TycA". ChemBioChem. 10 (4): 671—82. March 2009. doi:10.1002/cbic.200800553. PMID 19189362.
  29. ↑ "Promiscuous restriction is a cellular defense strategy that confers fitness advantage to bacteria". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 109 (20): E1287—93. May 2012. Bibcode:2012PNAS..109E1287V. doi:10.1073/pnas.1119226109. PMID 22509013.
  30. ↑ "The rise of chemodiversity in plants". Science. 336 (6089): 1667—70. June 2012. Bibcode:2012Sci...336.1667W. doi:10.1126/science.1217411. PMID 22745420.
  31. ↑ "Engineering the third wave of biocatalysis". Nature. 485 (7397): 185—94. May 2012. Bibcode:2012Natur.485..185B. doi:10.1038/nature11117. PMID 22575958.
  32. ↑ "Comparison of the omega-transaminases from different microorganisms and application to production of chiral amines". Bioscience, Biotechnology, and Biochemistry. 65 (8): 1782—8. August 2001. doi:10.1271/bbb.65.1782. PMID 11577718.
  33. ↑ "Semisynthetic production of unnatural L-alpha-amino acids by metabolic engineering of the cysteine-biosynthetic pathway". Nature Biotechnology. 21 (4): 422—7. April 2003. doi:10.1038/nbt807. PMID 12640465.
  34. ↑ "EC-BLAST: a tool to automatically search and compare enzyme reactions". Nature Methods. 11 (2): 171—4. February 2014. doi:10.1038/nmeth.2803. PMID 24412978.
  35. ↑ "The enzymes of detoxication". The Journal of Biological Chemistry. 265 (34): 20715—8. December 1990. doi:10.1016/S0021-9258(17)45272-0. PMID 2249981.
Источник — https://ru.wikipedia.org/w/index.php?title=Ферментный_промискуитет&oldid=134905116