Трансферазы: ферменты переноса функциональных групп

Трансферазы: ферменты, переносящие функциональные группы между молекулами. Участвуют в биохимических путях, метаболизме, трансляции. Важны для жизни!

10 мин чтения

100%

Источник: Transferase — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Класс ферментов, которые переносят функциональные группы между молекулами.

В биохимии трансфераза – это любой из классов ферментов, катализирующих перенос специфических функциональных групп (например, метильной или гликозильной группы) из одной молекулы (называемой донором) в другую (называемую акцептором). Они участвуют в сотнях различных биохимических путей в биологии и являются неотъемлемой частью некоторых из важнейших процессов жизни. Трансферазы участвуют в бесчисленных реакциях в клетке. Три примера этих реакций – активность трансферазы кофермента А (CoA), которая переносит тиоэфиры, действие N-ацетилтрансферазы, являющейся частью пути метаболизма триптофана, и регуляция пируватдегидрогеназы (PDH), которая преобразует пируват в ацетил-КоА. Трансферазы также используются во время трансляции. В этом случае аминокислотная цепь является функциональной группой, переносимой пептидилтрансферазой. Перенос включает удаление растущей аминокислотной цепи из молекулы тРНК в А-сайте рибосомы и ее последующее присоединение к аминокислоте, прикрепленной к тРНК в P-сайте. Механически, фермент, катализирующий следующую реакцию, будет трансферазой:

В вышеуказанной реакции (где тире обозначает связь, а не знак минус), X будет донором, а Y – акцептором. R обозначает функциональную группу, перенесенную в результате активности трансферазы. Донор часто является коэнзимом.

История

Некоторые из наиболее важных открытий, связанных с трансферазами, произошли еще в 1930-х годах. Самые ранние открытия активности трансфераз были сделаны в других классах ферментов, включая бета-галактозидазу, протеазу и кислотно-щелочную фосфатазу. До того, как стало известно, что отдельные ферменты способны выполнять такую задачу, считалось, что передачу функциональных групп осуществляют два или более фермента. Трансаминация, или перенос аминогруппы (NH2) от аминокислоты к кетокислоте посредством аминотрансферазы (также известной как "трансаминаза"), была впервые отмечена в 1930 году Дороти М. Нидхэм, после наблюдения за исчезновением глутаминовой кислоты, добавленной в грудную мышцу голубя. Это наблюдение позднее было подтверждено открытием механизма реакции Браунштейном и Крицманом в 1937 году. Их анализ показал, что эта обратимая реакция может быть применена к другим тканям. Это утверждение было подтверждено работой Рудольфа Шёнхаймера с радиоизотопами в качестве трассеров в 1937 году. Это, в свою очередь, открыло возможность того, что подобные переносы являются основным способом производства большинства аминокислот посредством переноса аминогрупп. Другим примером ранних исследований трансфераз и последующей переклассификации стало открытие уридилтрансферазы. В 1953 году было показано, что фермент УДФ-глюкоза-пирофосфорилаза является трансферазой, поскольку было обнаружено, что он может обратимо образовывать УТФ и G1F из УДФ-глюкозы и органического пирофосфата. Еще одним исторически значимым открытием, связанным с трансферазами, стало открытие механизма расщепления катехоламинов катехолом O-метилтрансферазой. Это открытие во многом предопределило присуждение Юлиусу Аксельроду Нобелевской премии по физиологии или медицине в 1970 году (совместно с сэром Бернардом Кацем и Ульфом фон Эйлером). Классификация трансфераз продолжается и сегодня, и новые ферменты этого класса открываются регулярно. Примером является Pipe – сульфотрансфераза, участвующая в формировании дорсально-вентрального узора у дрозофилы. Первоначально точный механизм действия Pipe был неизвестен из-за недостатка информации о его субстрате. Исследования каталитической активности Pipe исключили вероятность того, что это гепарансульфатный гликозаминогликан. Дальнейшие исследования показали, что Pipe направлен на сульфатацию структур яичников. В настоящее время Pipe классифицируется как сульфотрансфераза 2-O гепаранового сульфата дрозофилы.

Some of the most important discoveries relating to transferases occurred as early as the 1930s. Earliest discoveries of transferase activity occurred in other classifications of enzymes, including beta galactosidase, protease, and acid/base phosphatase. Prior to the realization that individual enzymes were capable of such a task, it was believed that two or more enzymes enacted functional group transfers. Transamination, or the transfer of an amine (or NH2) group from an amino acid to a keto acid by an aminotransferase (also known as a "transaminase"), was first noted in 1930 by Dorothy M. Needham, after observing the disappearance of glutamic acid added to pigeon breast muscle. This observance was later verified by the discovery of its reaction mechanism by Braunstein and Kritzmann in 1937. Their analysis showed that this reversible reaction could be applied to other tissues. This assertion was validated by Rudolf Schoenheimer's work with radioisotopes as tracers in 1937. This in turn would pave the way for the possibility that similar transfers were a primary means of producing most amino acids via amino transfer. Another such example of early transferase research and later reclassification involved the discovery of uridyl transferase. In 1953, the enzyme UDP glucose pyrophosphorylase was shown to be a transferase, when it was found that it could reversibly produce UTP and G1P from UDP glucose and an organic pyrophosphate. Another example of historical significance relating to transferase is the discovery of the mechanism of catecholamine breakdown by catechol O methyltransferase. This discovery was a large part of the reason for Julius Axelrod’s 1970 Nobel Prize in Physiology or Medicine (shared with Sir Bernard Katz and Ulf von Euler). Classification of transferases continues to this day, with new ones being discovered frequently. An example of this is Pipe, a sulfotransferase involved in the dorsal ventral patterning of Drosophila. Initially, the exact mechanism of Pipe was unknown, due to a lack of information on its substrate. Research into Pipe's catalytic activity eliminated the likelihood of it being a heparan sulfate glycosaminoglycan. Further research has shown that Pipe targets the ovarian structures for sulfation. Pipe is currently classified as a Drosophila heparan sulfate 2 O sulfotransferase.

Классификация

Трансферазы, классифицируемые главным образом по типу переносимой биохимической группы, можно разделить на десять категорий (в соответствии с классификацией по номеру EC). Эти категории включают более 450 различных уникальных ферментов. В системе нумерации EC трансферазы имеют классификацию EC2. Водород не рассматривается как функциональная группа в отношении мишеней трансфераз; вместо этого, перенос водорода относится к оксидоредуктазам. Карбамоилтрансферазы, например, переносят карбамоильную группу от одной молекулы к другой. Карбамоильные группы имеют формулу NH2CO. В ATCase такая реакция записывается как карбамоилфосфат + L-аспартат → L-карбамоиласпартат + фосфат.

EC 2.2: альдегидные и кетоновые трансферазы

Ферменты, которые переносят альдегидные или кетоновые группы и включены в EC 2.2. Эта категория состоит из различных транскетолаз и трансальдолаз. Трансальдолаза, давшая название альдегидтрансферазам, является важной частью пентозофосфатного пути. Реакция, которую она катализирует, заключается в переносе дигидроксиацетонной функциональной группы на глицеральдегид-3-фосфат (также известный как G3P). Реакция протекает следующим образом: седогептулоза-7-фосфат + глицеральдегид-3-фосфат → эритроза-4-фосфат + фруктоза-6-фосфат.

EC 2.3: ацилтрансферазы

Передача ацильных групп или ацильных групп, которые превращаются в алкильные в процессе переноса, является ключевым аспектом EC 2.3. Кроме того, эта категория также различает аминоацильные и неаминоацильные группы. Пептидилтрансфераза – это рибозим, облегчающий образование пептидных связей во время трансляции. Как аминоацилтрансфераза, она катализирует перенос пептида на аминоацил-тРНК в соответствии со следующей реакцией: пептидил-тРНКА + аминоацил-тРНКБ → тРНКА + пептидил-аминоацил-тРНКБ.

EC 2.4: гликозиловые, гексозиловые и пентозиловые трансферазы

EC 2.4 включает ферменты, переносящие гликозильные группы, а также ферменты, переносящие гексозу и пентозу. Гликозилтрансфераза – это подкатегория трансфераз EC 2.4, участвующая в биосинтезе дисахаридов и полисахаридов путем переноса моносахаридов на другие молекулы. Ярким примером гликозилтрансферазы является лактозасинтаза, представляющая собой димер, состоящий из двух белковых субъединиц. Ее основная функция – образование лактозы из глюкозы и УДФ-галактозы, которое происходит по следующей схеме: УДФ β-D-галактоза + D-глюкоза → УДФ + лактоза.

EC 2.5: алкиловые и ариловые трансферазы

EC 2.5 относится к ферментам, которые переносят алкильные или арильные группы, но не включают метильные группы. Это отличается от функциональных групп, которые превращаются в алкильные группы при переносе, поскольку они относятся к EC 2.3. В настоящее время EC 2.5 имеет только один подкласс: алкил- и арилтрансферазы. Например, цистеинсинтаза катализирует образование уксусной кислоты и цистеина из O3-ацетил-L-серина и сероводорода: O3-ацетил-L-серин + H2S → L-цистеин + ацетат.

EC 2.6: азотные трансферазы

Группировка, соответствующая переносу азотных групп, – EC 2.6. Она включает такие ферменты, как трансаминаза (также известная как "аминотрансфераза"), и небольшое количество оксиминотрансфераз и других ферментов, переносящих азотные группы. Ранее в EC 2.6 включалась амидинотрансфераза, но впоследствии она была переклассифицирована как подкатегория EC 2.1 (ферменты, переносящие одноуглеродные группы). В случае аспартат-трансаминазы, которая может действовать на тирозин, фенилаланин и триптофан, происходит обратимый перенос аминогруппы от одной молекулы к другой. Реакция, например, протекает в следующем порядке: L-аспартат + 2-оксоглутарат → оксалоацетат + L-глутамат.

EC 2.7: фосфорные трансферазы

Хотя EC 2.7 включает ферменты, переносящие фосфорсодержащие группы, в него также входят нуклеотидилтрансферазы. Подкатегория фосфотрансфераз подразделяется на категории в зависимости от типа группы, принимающей фосфат. После формирования комплекс CDK-циклин способен осуществлять свою функцию в клеточном цикле. Реакция, катализируемая CDK, выглядит следующим образом: АТФ + белок-мишень → АДФ + фосфопротеин.

EC 2.8: трансферазы серы

Перенос серосодержащих групп охватывается EC 2.8 и подразделяется на подкатегории сульфотрансфераз, сульфотрансфераз и CoA-трансфераз, а также ферменты, переносящие алкилтиогруппы. Особую группу сульфотрансфераз составляют те, которые используют PAPS в качестве донора сульфатной группы. В эту группу входит алкогольсульфотрансфераза, обладающая широкой специфичностью. Благодаря этому алкогольсульфотрансфераза также известна под другими названиями, включая "гидроксистероидную сульфотрансферазу", "стероидную сульфокиназу" и "эстрогенную сульфотрансферазу". Снижение ее активности связывают с заболеваниями печени у человека. Эта трансфераза катализирует следующую реакцию: 3'-фосфоаденилсульфат + спирт → аденозин 3',5'-бисфосфат + алкилсульфат.

EC 2.9: селен-трансферазы

EC 2.9 включает ферменты, которые переносят содержащие селен группы. Эта категория содержит всего две трансферазы и, таким образом, является одной из самых маленьких подкатегорий трансфераз. Селеноцистеинсинтаза, впервые включенная в систему классификации в 1999 году, превращает серил-тРНК(Sec UCA) в селеноцистеил-тРНК(Sec UCA).

EC 2.10: металлические трансферазы

К категории EC 2.10 относятся ферменты, переносящие молибден- или вольфрамсодержащие группы. Однако, по состоянию на 2011 год, был добавлен только один фермент: молибдоптерин-молибдотрансфераза. Этот фермент является компонентом биосинтеза MoCo у Escherichia coli. Катализируемая им реакция выглядит следующим образом: аденилилмолибдоптерин + молибдат → молибденовый кофактор + АМФ.

Роль в гисто-кровавой группе

Трансферазы А и В являются основой системы групп крови АВО человека. Как А, так и В-трансферазы являются гликозилтрансферазами, то есть они переносят молекулу сахара на H-антиген. Это позволяет H-антигену синтезировать гликопротеиновые и гликолипидные конъюгаты, известные как A/B антигены. Функция трансферазы А в клетке заключается в добавлении N-ацетилгалактозамина к H-антигену, в результате чего образуется A-антиген. Полное название B-трансферазы – альфа-1,3-галактозилтрансфераза. Ген, кодирующий А и В-трансферазы, расположен на 9-й хромосоме. Этот ген содержит семь экзонов и шесть интронов и имеет длину более 18 килобайт. Аллели, определяющие А и В-трансферазы, чрезвычайно схожи. Получающиеся ферменты различаются всего в четырех аминокислотных остатках. Кетоны образуются при расщеплении жиров в организме и служат важным источником энергии. Неспособность организма использовать кетоны приводит к эпизодическому кетоацидозу, который обычно впервые проявляется в младенчестве. Лечение в основном направлено на контроль диеты пациента.

Недостаток CPT-II

Дефицит карнитинопальмитоилтрансферазы II (также известный как дефицит CPT II) приводит к избытку жирных кислот с длинной цепью, поскольку организм не способен транспортировать жирные кислоты в митохондрии для переработки в качестве источника энергии. Заболевание вызвано дефектом гена CPT2. Этот дефицит может проявляться у пациентов в одной из трех форм: летальной неонатальной, тяжелой инфантильной гепатокардиомышечной и миопатической. Данный дефицит возникает при наличии любых мутаций в гене галактозо-1-фосфат-уридилилтрансферазы (GALT), что приводит к снижению количества производимого GALT. Существуют две формы галактоземии: классическая и Дуарте. Галактоземия Дуарте обычно протекает менее тяжело, чем классическая галактоземия, и вызывается дефицитом галактокиназы. Галактоземия лишает младенцев возможности перерабатывать сахара, содержащиеся в грудном молоке, что приводит к рвоте и анорексии в первые дни жизни. В хрусталиках глаз накапливается второе токсичное вещество – галактозитол, вызывающий катаракту. В настоящее время единственным доступным методом лечения является ранняя диагностика с последующим соблюдением диеты, исключающей лактозу, и назначением антибиотиков при развитии инфекций.

Дефицит холиноацетилтрансферазы

Холиноацетилтрансфераза (также известная как ChAT или CAT) — важный фермент, который синтезирует нейромедиатор ацетилхолин. Ацетилхолин участвует во многих нейропсихических функциях, таких как память, внимание, сон и бодрствование. Фермент имеет шарообразную форму и состоит из одной аминокислотной цепи. Ген ChAT локализован на 10-й хромосоме.

Болезнь Альцгеймера

Снижение экспрессии ChAT является одним из характерных признаков болезни Альцгеймера. У пациентов с болезнью Альцгеймера наблюдается снижение активности на 30–90% в нескольких областях мозга, включая височную, теменную и лобную доли. Однако дефицит ChAT не считается основной причиной этого заболевания. Низкий уровень активности ChAT является ранним индикатором болезни и может быть обнаружен задолго до начала гибели двигательных нейронов, и даже до появления симптомов у пациента.

Болезнь Хантингтона

У пациентов с болезнью Гентингтона также наблюдается заметное снижение выработки ChAT. Хотя конкретная причина снижения выработки не ясна, считается, что гибель среднеразмерных моторных нейронов с колючими дендритами приводит к снижению уровня ChAT. Также отмечается снижение активности в прилежащем ядре (nucleus accumbens), что, как полагают, коррелирует со снижением когнитивных функций у этих пациентов. Эти дефекты в продолговатом мозге могут привести к неспособности контролировать важные автономные функции, такие как сердечно-сосудистая и дыхательная системы. Дефицит ChAT вовлечен в миастенические синдромы, где проблема возникает пресинаптически. Эти синдромы характеризуются неспособностью пациентов к ресинтезу ацетилхолина. Он выполняет обе эти задачи, добавляя дезоксинуклеотиды в виде матрицы к 3'-концу существующей молекулы ДНК. Терминальная трансфераза – одна из немногих ДНК-полимераз, способных функционировать без РНК-праймера. Эти глутатионтрансферазы могут использоваться для создания биосенсоров для обнаружения загрязнителей, таких как гербициды и инсектициды. Глутатионтрансферазы также используются в трансгенных растениях для повышения устойчивости к биотическому и абиотическому стрессу.

Трансферазы каучука

В настоящее время единственным коммерчески доступным источником натурального каучука является растение Hevea (Hevea brasiliensis). Натуральный каучук превосходит синтетический каучук по ряду характеристик, важных для коммерческого использования. Предпринимаются усилия по созданию трансгенных растений, способных синтезировать натуральный каучук, в том числе табак и подсолнечник. Эти усилия сосредоточены на секвенировании субъединиц ферментного комплекса резиновой трансферазы с целью трансфекции этих генов в другие растения, например, многочисленных гликозилтрансфераз в аппарате Гольджи. Некоторые из них – многодоменные трансмембранные белки, например, определенные олигосахарилтрансферазы или микросомальная глутатион-S-трансфераза из семейства MAPEG.