Биотин байланыстырушы ақуыздың құрылымы және функциясы
Biotin carboxyl carrier protein
Биотин тасымалдаушы ақуыздары (BCCP) – май қышқылдарының биосинтезінде маңызды роль атқаратын, биотин мен карбоксибиотин тасымалдаушы ферменттер. Ацетил-КоА-ны малоннил-КоА-ға айналдырады.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
Кіріспе
Биотин карбоксил тасымалдаушы белок (BCCP) – биотинге тәуелді карбоксилазалар арқылы АТФ-қа тәуелді карбоксилдену процесінде биотинді және карбоксибиотинді тасымалдайтын биотин байланысу доменін қамтитын белоктарды білдіреді. Биотин карбоксил тасымалдаушы белок – ацетил-КоА суббірлігі болып табылады, ол ацетил-КоА катализіне және малонил-КоА-ға түрленуіне мүмкіндік береді. Нақтырақ айтқанда, BCCP тасымалдаушы белоктың карбоксилденуін катализдейді, аралық затты құрайды. Содан кейін карбоксил тобы транскарбоксилаза арқылы беріліп, малонил-КоА түзіледі. Бұл түрлену май қышқылдарының биосинтезіндегі маңызды қадам болып табылады. *E. coli* ацетил-КоА карбоксилазасында BCCP жеке белок болып табылады және accB деп аталады. Ал *Haloferax mediterranei* пропионил-КоА карбоксилазасында BCCP (pccA) биотин карбоксилазасымен біріктірілген. Өсімдіктердегі май қышқылдарының биосинтезі, мысалы триацилглицерол, өсімдіктің жалпы денсаулығы үшін маңызды, себебі ол тұқым майының жинақталуын қамтамасыз етеді. BCCP катализдейтін биосинтез әдетте өсімдік жасушаларының хлоропластарында жүзеге асады. BCCP белгілі бір биосинтез процесі клетканың белсенді орындарында CO2 тасымалдауға мүмкіндік береді. Биотин карбоксил тасымалдаушы белок шамамен 22 000 г белокқа 1 моль биотинді тасымалдайды. Қазіргі уақытта BCCP-лер туралы көп зерттеулер жүргізілмеген. Алайда, жақында жүргізілген өсімдік геномикасының зерттеуі *Brassica* BCCP-ының абиотикалық және биотикалық стресске жауап беруде маңызды рөл атқаратынын көрсетті. Яғни, бұл белоктер өсімдіктің гомеостазын бұзатын экстремалды жағдайларға ұшырағаннан кейін өсімдіктің қалған бөліктеріне сигналдар жіберуі мүмкін.
Biotin carboxyl carrier protein (BCCP) refers to proteins containing a biotin attachment domain that carry biotin and carboxybiotin throughout the ATP dependent carboxylation by biotin dependent carboxylases. The biotin carboxyl carrier protein is an Acetyl CoA subunit that allows for Acetyl CoA to be catalyzed and converted to malonyl CoA. More specifically, BCCP catalyzes the carboxylation of the carrier protein to form an intermediate. Then the carboxyl group is transferred by the transcacrboxylase to form the malonyl CoA. This conversion is an essential step in the biosynthesis of fatty acids. In the case of E. coli Acetyl CoA carboxylase, the BCCP is a separate protein known as accB On the other hand, in Haloferax mediterranei, propionyl CoA carboxylase, the BCCP pccA is fused with biotin carboxylase. The biosynthesis of fatty acids in plants, such as triacylglycerol, is vital to the plant's overall health because it allows for accumulation of seed oil. The biosynthesis that is catalyzed by BCCP usually takes place in the chloroplast of plant cells. The biosynthesis performed by the BCCP protein allows for the transfer of CO2 within active sites of the cell. The biotin carboxyl carrier protein carries approximately 1 mol of biotin per 22,000 g of protein. There is not much research on BCCPs at the moment. However, a recent studyon plant genomics found that Brassica BCCPs might play a key role in abiotic and biotic stress responses. Meaning that these proteins may be relaying messages to the rest of the plant body after it has been exposed to extreme conditions that disrupt the plant's homeostasis.
Малонил-КоА синтезі
Малонил-КоА синтезі екі жартылай реакциядан тұрады. Біріншісі – биотинді бикарбонатпен карбоксилдеу, ал екіншісі – карбоксибиотиннен CO2 тобын ацетил-КоА-ға беру, бұл малонил-КоА-ның түзілуіне жағдай жасайды. Бұл екі қадамды реакцияның сәтті өтуі үшін BCCP-мен қатар екі түрлі ақуыздық суббірліктер қажет: биотин карбоксилазасы (BC) және карбоксилтрансферазасы (CT). BCCP құрамында лизин қалдығына ковалентті байланысқан биотин кофакторы бар. Саңырауқұлақтарда, сүтқоректілерде және өсімдік цитозолдарында осы үш компоненттің (BCCP, BC және CT) барлығы бір полипептидтік тізбекте кездеседі. Дегенмен, осы ақуызға қатысты зерттеулердің көп бөлігі ферменттің E. coli түрінде жүргізілді, онда барлық үш компонент бір полипептидтік тізбекте біріктірілмей, үш жеке кешен түрінде болады.
The synthesis of Malonyl CoA consists of two half reactions. The first being the carboxylation of biotin with bicarbonate and the second being the transfer of the CO2 group to acetyl CoA from carboxybiotin to allow for the formation of malonyl CoA. Two different protein subassemblies, along with BCCP, are required for this two step reaction to be successful: biotin carboxylase (BC) and carboxyltransferase (CT). BCCP contains the biotin cofactor which is covalently bound to a lysine residue. In fungi, mammals, and plant cytosols, all three of these components (BCCP, BC, and CT) exist on one polypeptide chain. However, most studies of this protein have been conducted on the E. coli form of the enzyme, where all three components exist as three separate complexes rather than being united on one polypeptide chain.
Құрылымы
BCCP құрылымы туралы алғашқы мәліметтерді биохимиктер Ф. К. Атаппилли мен В. А. Хендрикссон 1995 жылы жариялаған. Оны орталық гидрофобтық ядроның айналысында орналасқан төрт жұп антипараллель β-жіптері бар ұзын β-шаштық құрылым деп қарастыруға болады. Биотинилдену мотиві Met Lys Met β-шаштық құрылымның ұшында орналасқан. Лиз қалдығының CαCβ байланысының айналуы айналмалы қол моделін құруға ықпал етеді. BCCP ядросының N-ұшындағы ферменттің қалған бөлігімен байланыс биотин бөлігінен құрылымның қарама-қарсы жағында орналасқан. Бұл аймақтың айналуы айналмалы домен моделін құруға көмектеседі, ал биотиннің N1′ атомы осы бұрылыс нүктесінен шамамен 40 Å қашықтықта орналасқан. Бұл айналмалы домен моделі үшін шамамен 80 Å диапазонын береді, ал қазірге дейін байқалған BC–CT белсенді сайттары арасындағы қашықтық 40 және 80 Å аралығында. Сонымен қатар, голоферменттегі BCCP ядросының алдындағы линкер де икемді болуы мүмкін, бұл биотиннің N1′ атомына одан да кеңірек жеткізілуіне мүмкіндік береді. E. coli BCCP 87 және P. shermanii TC-нің 1.3S суббірлігінің биотин қабылдайтын домендерінің құрылымы рентгендік кристаллография және ядролық магниттік резонанс зерттеулері арқылы анықталды (Атаппилли мен Хендрикссон, 1995; Робертс және тағы басқалар, 1999; Редди және тағы басқалар, 1998). Бұл 2-оксоқышқыл дегидрогеназа мультифермент кешендерінің липоил домендерімен құрылымдық жағынан байланысты, негізінен бірдей құрылымдарды жасады (Brocklehurst and Perham, 1993; Dardel et al., 1993), олар ұқсас трансляциядан кейінгі модификациядан өтеді. Бұл домендер екі төрт тізбекті β-парақтан тұратын жалпақ β-цилиндр құрылымын құрайды, онда N және C-терминалдық қалдықтар құрылымның бір жағында бір-біріне жақын орналасқан. Молекуланың екінші жағында, лизинді қабылдайтын биотинил немесе липоил β4 және β5 тізбектері арасындағы тығыз, ашық шаштық бұранданың ішінде орналасқан. Доменнің құрылымы маңызды құрылымдық детерминанттар болып табылатын гидрофобтық қалдықтардың ядросымен тұрақтандырылады. Сақталған глицин қалдықтары β-жіптерді байланыстыратын β-бұрыштарда орналасқан. Биотинді қабылдайтын доменнің құрылымы BCCP 87-ден тұрады, ол кейбір прокариоттық ацетил-CoA карбоксилазаларына тән, бірақ басқа биотиндомендерде кездеспейтін жеті аминқышқылынан тұратын инсерцияны қамтиды (Chapman Smith and Cronan, 1999). Пептидтің бұл аймағы β2 және β3 тізбектері арасында саусақ тәрізді құрылымды қабылдайды және қызықтысы, кристалл және ерітінді құрылымдарында биотин бөлігімен тікелей байланыс жасайды (Атаппилли мен Хендрикссон, 1995; Робертс және тағы басқалар, 1999). Бұл саусақтың биотинге тәуелді ферменттегі биотин карбоксилазасының немесе карбоксил трансферазасының белсенді орындарының бірін немесе екеуін де жабатын жылдамдырылатын қақпақ ретінде жұмыс істеуі мүмкін деген болжам бар (Cronan, 2001). Бұл қақпақтың функциясы белсенді орындардың сумен қапталуын болдырмауға көмектеседі, осылайша карбоксибиотиннен ацетил-CoA-ға CO2 беруді жеңілдетуге мүмкіндік береді. Екіншіден, саусақ BCCP димеризациясы үшін қажет, бұл активті ацетил-CoA карбоксилаза кешенін құру үшін қажет (Cronan, 2001). Қорытындылай келе, саусақ липоил протеин лигазасы арқылы мақсатты лизиннің бұрыс липофилирленуін тежеуге қызмет етеді (Reche and Perham, 1999). Мутагенез арқылы саусақты жою BCCP 87-ні липофилирлеуге қолайлы субстратқа айналдырды, бірақ биотинилденуді жойды (Reche and Perham, 1999). Алайда, саусақтың құрылымы барлық биотин домендерінде жоғары сақталған ерекшелік емес. Көптеген биотинге тәуелді ферменттерде, соның ішінде сүтқоректілердің бес ферментінің барлығында бұл инсерция жоқ. Алайда, биотин мен белок арасындағы өзара әрекеттесу сақталған ерекшелік болуы мүмкін және катализ үшін маңызды, өйткені ұқсас байланыстар P. shermanii транскарбоксилазасының (Jank et al., 2002) және B. subtilis биотинил/липоил қосылу ақуызының (Cui et al., 2006) "саусақсыз" домендерінде байқалды. Бұл фактілердің маңыздылығын анықтау үшін қосымша зерттеулер қажет, бірақ биотин ферменттері қолданатын механизмде протез тобы мен ақуыз арасындағы ковалентті емес өзара әрекеттесулер болуы мүмкін.
The first report of the BCCP structure was made by biochemists F. K. Athappilly and W. A. Hendrickson in 1995. It can be thought of as a long β hairpin structure, with four pairs of antiparallel β strands that wrap around a central hydrophobic core. The biotinylation motif Met Lys Met is located at the tip of the β hairpin structure. Rotations around the CαCβ bond of this Lys residue contribute to the swinging arm model. The connection to the rest of the enzyme at the N terminus of BCCP core is located at the opposite end of the structure from the biotin moiety. Rotations around this region contribute to the swinging domain model, and the N1′ atom of biotin is ~ 40 Å from this pivot point. This gives a range of ~ 80 Å for the swinging domain model, and the BC–CT active site distances observed so far are between 40 and 80 Å. In addition, the linker before the BCCP core in the holoenzyme could also be flexible, which would give further reach for the biotin N1′ atom. The structures of biotin accepting domains from E. coli BCCP 87 and the 1.3S subunit of P. shermanii TC were determined by both X ray crystallography and nuclear magnetic resonance studies. (Athappilly and Hendrickson, 1995; Roberts et al., 1999; Reddy et al., 1998). These produced essentially the same structures that are structurally related to the lipoyl domains of 2 oxo acid dehydrogenase multienzyme complexes (Brocklehurst and Perham, 1993; Dardel et al., 1993), which similarly undergo an analogous post translational modification. These domains form a flattened β barrel structure comprising two four stranded β sheets with the N and C terminal residues close together at one end of the structure. At the other end of the molecule, the biotinyl or lipoyl accepting lysine resides on a highly exposed, tight hairpin loop between β4 and β5 strands. The structure of the domain is stabilized by a core of hydrophobic residues, which are important structural determinants. Conserved glycine residues occupy β turns linking the β strands. The structure of the Biotin accepting domain consists of BCCP 87 which contains a seven amino acid insertion common to certain prokaryotic acetyl CoA carboxylases but not present in other biotindomains (Chapman Smith and Cronan, 1999). This region of the peptide adopts a thumb structure between the β2 and β3 strands and, interestingly, forms direct contacts with the biotin moiety in both the crystal and solution structures (Athappilly and Hendrickson, 1995; Roberts et al., 1999). It has been proposed that this thumb may function as a mobile lid for either, or possibly both, the biotin carboxylase or carboxyl transferase active sites in the biotin dependent enzyme (Cronan, 2001). The function of this lid could aid to prevent solvation of the active sites, thereby aiding in the transfer of CO2 from carboxybiotin to acetyl CoA. Secondly, the thumb is required for dimerization of BCCP, necessary for the formation of the active acetyl CoA carboxylase complex (Cronan, 2001). In conclusion, the thumb functions to inhibit the aberrant lipoylation of the target lysine by lipoyl protein ligase (Reche and Perham, 1999). Removal of the thumb by mutagenesis rendered BCCP 87 a favorable substrate for lipoylation but abolished biotinylation (Reche and Perham, 1999). The thumb structure, however, is not a highly conserved feature amongst all biotin domains. Many biotin dependent enzymes do not contain this insertion, including all five mammalian enzymes. However, it appears the interactions between biotin and protein might be a conserved feature and important for catalysis as similar contacts have been observed in the "thumbless" domains from P. shermanii transcarboxylase (Jank et al., 2002) and the biotinyl/lipoyl attachment protein of B. subtilis (Cui et al., 2006). The significance of this requires further investigation but it is possible that the mechanism employed by the biotin enzymes may involve noncovalent interactions between the protein and the prosthetic group.