Кіріспе
Хомо сапиенс түріндегі белокты кодтайтын ген, Уридин монофосфат синтетазасы (UMPS) (оротат фосфорибозил трансферазасы және оротидин 5'-декарбоксилазасы) көптеген маңызды биосинтез жолдарында энергия тасымалдаушы молекула – уридин монофосфатының (UMP) түзілуін катализдейді. Адамдарда бұл ферментті кодтайтын ген 3-хромосоманың ұзын қолшатырында (3q13) орналасқан.
The enzyme Uridine monophosphate synthase (, UMPS) (orotate phosphoribosyl transferase and orotidine 5' decarboxylase) catalyses the formation of uridine monophosphate (UMP), an energy carrying molecule in many important biosynthetic pathways. In humans, the gene that codes for this enzyme is located on the long arm of chromosome 3 (3q13).
Құрылымы мен қызметі
Бұл екі функциялы ферменттің екі негізгі домені бар: оротат фосфорибозилтрансфераза (ОПРтаза, ) суббөлімі және оротидин 5’ фосфат декарбоксилаза (ОДКаза, ) суббөлімі. Бұл екі сайт де ново уридин монофосфаты (УМФ) биосинтез жолының соңғы екі қадамын катализдейді. Оротатқа OPRTase арқылы рибоза фосфатын қосу арқылы оротидин 5’ монофосфаты (OMP) пайда болғаннан кейін, OMP ODCase арқылы уридин монофосфатына дейін декарбоксилдендіріледі. Микроорганизмдерде бұл екі домен жеке белоктар болып табылады, бірақ көпжасушалы эукариоттарда екі каталитикалық сайт бір белокта – уридин монофосфат синтетазасында (UMPS) экспрессияланады. UMPS сыртқы жағдайларға байланысты әртүрлі формаларда кездеседі. In vitro, S20,w 3.6 тұнбалану коэффициентіне ие мономерлік UMPS, фосфат сияқты аниондар қосылғаннан кейін S20,w = 5.1 димерге айналады. OPRTase өнімі OMP-нің қатысуымен димер одан тез тұнатын формаға, S20,w 5.6, өзгереді. Бұл жеке конформациялық формалар әртүрлі ферменттік белсенділіктерді көрсетеді: UMPS мономеры төмен декарбоксилаза белсенділігін көрсетеді, ал толық декарбоксилаза белсенділігі тек 5.6 S димерге тән. Екі жеке каталитикалық сайттың бір белокқа бірігуі оның мономерлік түрін тұрақтандырады деп саналады. UMPS-тегі ковалентті байланыс тиісті каталитикалық орталықтары бар домендерді тұрақтандырады, көпжасушалы организмдерде оның белсенділігін жақсартады, онда концентрациялар прокариоттардағы жеке белоктардың концентрациясынан 1/10-ға төмен болады. Жеке ферменттері бар басқа микроорганизмдер өз ферменттерін белсенді димерлік түрінде ұстау үшін жоғары концентрацияларды сақтауы керек.
Құрылыс
ОПРтаза мен ОДКаза арасындағы қосылу оқиғалары, нәтижесінде екі функциялы фермент UMPS пайда болды, тіршілік ағашының әртүрлі тармақтарында әр түрлі жолмен жүрді. Біріншіден, көптеген эукариоттарда (мысалы, метазоа, амебозоа, плантае және гетеролобозоа) OPRTase N-ұшында, ал ODCase C-ұшында орналасса, кері қосылу, яғни OPRTase C-ұшында және ODCase N-ұшында болатыны да анықталды (мысалы, паразиттік протостар, трипанозоматидтер және страменопилдер). Сонымен қатар, саңырауқұлақтар сияқты басқа эукариоттық топтар екі ферментті де жеке белоктар түрінде сақтайды. Қосылу реті маңызды болғанымен, UMPS-тегі әрбір каталитикалық доменнің эволюциялық тегі де зерттеу нысаны болып табылады. ОПРтаза мен ОДКаза екеуі де көлденең гендер алмасу арқылы өтті, нәтижесінде эукариоттарда бактериялық және эукариоттық текті ферменттер пайда болды. Мысалы, метазоа, амебозоа, плантае және гетеролобозоада эукариоттық ОДКаза мен ОПРТаза бар, ал альвеолаталар мен страменопильдерде бактериялық ферменттер кездеседі. Саңырауқұлақтарда бактериялық ОПРтаза және эукариоттық ОДКаза болса, кинетопластидтерде кері комбинация байқалады, сондықтан басқа да қайта құрылымдалулар мүмкін. Белоктардың қауымдасуын қозғаушы күшті анықтау үшін екі доменді бөліп, оларды байланыстыратын линкерлік пептидті өзгертетін бірнеше тәжірибелер жүргізілді. Plasmodium falciparum-да OPRTase OMPDCase кешені монофункционалды ферменттерге қарағанда кинетикалық және термиялық тұрақтылығын арттырады. H. sapiens-те бөлек және біріктірілген домендердің белсенділігі шамалас болғанымен, алғашқылары мономерлік диссоциацияны ынталандыратын жағдайларға сезімталдығы жоғары.
Реттеу
UMPS OMP-мен күрделі реттелуге жатады, ол OPRTase өнімі және ODCase үшін субстрат. OMP, OMP декарбоксилаза активтілігінің аллостериялық активаторы болып табылады, фосфат.
ОПРтаза
P. falciparum OPRTase OMP синтезі мен ыдырауында кездейсоқ жолмен өтеді. Өткізілген күй талдаулары изотоптық әсерлер мен кванттық есептеулерді толық дианниондық оротат құрылымын, рибокацияны және нуклеофильді пирофосфат молекуласын анықтау үшін пайдаланды. Дегенмен, бұл күтпеген нәрсе, себебі көптеген N рибозилтрансферазалары протондалған және бейтарап кететін топтарды қамтиды, ал депротонталған оротат катиондық өткізілген күйде жақсы емес. OPRTase, I типтегі PRTase-лердің мүшесі ретінде, өзінің белсенді орнының жанында ерекше иілгіштікке ие. Ол ашық күйінде икемді және кейбір OPRTase-лердің электрондық тығыздық карталарында анық көрінбейді. Катализ жүзеге асуы үшін димер болуы керек, онда бір кішібөлшектің иілгіштігі екіншісінің белсенді орнын жабады. Salmonella typhimurium-да жаңа жұп параллельді β-парақтар пайда болады және иілгіштіктің өзімен, қалған белокпен және лигандтармен арасында бес жаңа атомдық байланыс құрылады. Иілгіштіктің қозғалысына қатысты екі мүмкіндік бар: ол қатаң түрде қозғалуы мүмкін немесе тәртіпке келген құрылымға айналатын тәртіпсіз құрылымнан пайда болуы мүмкін. Екінші сценарий OPRTase үшін ықтималрақ көрінеді. Пептидтің жаңа құрылымы мен иілгіштіктегі сутекті байланыстардың қалыптасуы, иілгіштік пен қалған белок арасындағы және иілгіштік пен лигандтар арасындағы энергия тепе-теңдігі болуы керек. Ферменттің Mg PRPP кешеніндегі жабық және ашық құрылымдар арасындағы 30:1 тепе-теңдік жабық конформацияның басымдығын көрсетеді. OMP-нің O4 немесе O2 протондалуы, декарбоксилдеуге дейін, N1-де йлидтің қалыптасуын талап етеді, сонымен қатар қарастырылды. Кристаллографиялық құрылымдарда O4 немесе O2 жанында протон донорының болмауы, 15N эксперименттерінде йлидтің қалыптасуын шектеуші қадам ретінде алып тастаумен бірге, оған қарсы дәлел болып табылады. Сонымен қатар, электрондық тұрақтандырғыштардың болмауынан протонды аралықтың тұрақтылығына күмән тудырады. Нәтижесінде, C6 және C7 арасындағы байланыстың үзілуі, біріншісі карбаниондық күйден өтетіндей протондалуға байланысты ұсынылды. Бұл ферменттің жетіспеушілігі Холштейн сиырларында аутосомалық рецессивті мұралық белгі және ол туылмай өлімге әкеледі. Фермент тапшылығын Caenorhabditis elegans модельдік организмінде зерттеуге болады. Rad 6 штаммында протеиннің оротидин 5’ декарбоксилаза доменін жоятын ертерек тоқтату кодоны бар; бұл домен геноммен кодталған басқа ешқандай ақуыздарда кездеспейді. Бұл штаммның көптеген фенотиптері бар, оның ішінде төмендеген тіршілік және өнімділік, баяу өсу және сәулеленуге сезімталдық.
Фармакологиялық маңызы
UMPS және оның екі бөлек домендері, ODCase және OPRTase, L. donovani немесе P. falciparum сияқты Chromoalveolata таксонына жататын паразиттердің тірі қалуы үшін қажет екені көрсетілді. UMPS, ODCase және OPRTase организмдер арасында өзгеше болғандықтан, түрге тән тежегіштерді зерттеу жүргізілді. Селендеу туындылары да қолданылды. Абдо және авторлар тобы (2010) 2-этоксиэтанселен қышқылымен электронға бай ароматты субстраттарды қолданып, (2-этоксиэтил)селен эфирлерін жасады. Бұл эфирлер P. falciparum және H. sapiens-те субмикромолярлық концентрацияларда тежелімділік көрсеткен 5-уридинил отбасы сияқты арилселенилденген туындыларға айналуға қабілетті.
ОДҚ ісі
ОДКаза ингибиторлары OMP немесе UMP сақиналарының өзгерістері сияқты субстрат аналогтарынан да туындайды. *H. sapiens*-те ODCаза UMP-ден алынған галоген қосылыстарымен тежелді (мысалы, 5-FUMP, 5-BrUMP, 5-IUMP және 6-IUMP). *Methanobacterium thermoautotrophicum*-да басқа стратегия қолданылды, цитидин 5'-монофосфат сияқты әлсіз байланысқан лигандтарды өзгерту арқылы барбитурат рибонуклеозид 5'-монофосфатына, ксантозин 5'-монофосфатына айналдыруға қол жеткізілді. *P. falciparum* ODCазасы цитидин 5'-монофосфаттың N3 және N4 модификациялары арқылы сәтті тежелді.