Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Фермент, участвующий в гликолизе
Enzyme involved in glycolysis
Триозофосфат-изомераза (TPI или TIM) – это фермент, который катализирует обратимое превращение изомеров триозофосфата – дигидроксиацетонфосфата и D-глицеральдегид-3-фосфата. TPI играет важную роль в гликолизе и необходим для эффективного производства энергии. TPI обнаружен практически во всех организмах, в которых его искали, включая животных, таких как млекопитающие и насекомые, а также грибы, растения и бактерии. Однако некоторые бактерии, не осуществляющие гликолиз, например, уреаплазмы, не содержат TPI. У людей дефицит TPI связан с прогрессирующим тяжелым неврологическим расстройством, называемым дефицитом триозофосфат-изомеразы. Дефицит триозофосфат-изомеразы характеризуется хронической гемолитической анемией. Хотя существует множество мутаций, вызывающих это заболевание, большинство из них включают замену глутаминовой кислоты в положении 104 на аспартат. Триозофосфат-изомераза – высокоэффективный фермент, ускоряющий реакцию в миллиарды раз по сравнению с ее естественным протеканием в растворе. Реакция настолько эффективна, что считается каталитически совершенной: ее скорость ограничена только скоростью диффузии субстрата в активный центр фермента и из него.
Triose phosphate isomerase (TPI or TIM) is an enzyme that catalyzes the reversible interconversion of the triose phosphate isomers dihydroxyacetone phosphate and D glyceraldehyde 3 phosphate. TPI plays an important role in glycolysis and is essential for efficient energy production. TPI has been found in nearly every organism searched for the enzyme, including animals such as mammals and insects as well as in fungi, plants, and bacteria. However, some bacteria that do not perform glycolysis, like ureaplasmas, lack TPI. In humans, deficiencies in TPI are associated with a progressive, severe neurological disorder called triose phosphate isomerase deficiency. Triose phosphate isomerase deficiency is characterized by chronic hemolytic anemia. While there are various mutations that cause this disease, most include the replacement of glutamic acid at position 104 with an aspartic acid. Triose phosphate isomerase is a highly efficient enzyme, performing the reaction billions of times faster than it would occur naturally in solution. The reaction is so efficient that it is said to be catalytically perfect: It is limited only by the rate the substrate can diffuse into and out of the enzyme's active site.
Механизм
Механизм включает промежуточное образование энедиола. Относительная свободная энергия каждого основного состояния и переходного состояния была определена экспериментально и представлена на рисунке. Электрофильный остаток гистидина 95 отдает протон для образования промежуточного энедиола. После депротонирования энедиолат разрушается, отрывая протон от протонированного глутамата 165, и образует продукт GAP. Катализ обратной реакции протекает аналогично, формируя тот же энедиол, но с коллапсом энедиолата по кислороду в положении C2. ТРИ имеет диффузионное ограничение. С термодинамической точки зрения, образование DHAP предпочтительнее образования GAP в 20 раз. Однако в гликолизе использование GAP на последующих этапах метаболизма сдвигает реакцию в сторону его образования. ТРИ ингибируется сульфат-, фосфат- и арсенат-ионами, которые связываются с активным центром. Другие ингибиторы включают 2-фосфогликолат, аналог переходного состояния, и D-глицерол-1-фосфат, аналог субстрата.
The mechanism involves the intermediate formation of an enediol. The relative free energy of each ground state and transition state has been determined experimentally, and is displayed in the figure. and the electrophilic histidine 95 residue donates a proton to form the enediol intermediate. When deprotonated, the enediolate then collapses and, abstracting a proton from protonated glutamate 165, forms the GAP product. Catalysis of the reverse reaction proceeds analogously, forming the same enediol but with enediolate collapse from the oxygen at C2. TPI is diffusion limited. In terms of thermodynamics, DHAP formation is favored 20:1 over GAP production. However, in glycolysis, the use of GAP in the subsequent steps of metabolism drives the reaction toward its production. TPI is inhibited by sulfate, phosphate, and arsenate ions, which bind to the active site. Other inhibitors include 2 phosphoglycolate, a transition state analog, and D glycerol 1 phosphate, a substrate analog.
Структура
Триозофосфат изомераза представляет собой димер, состоящий из идентичных субъединиц, каждая из которых содержит около 250 аминокислотных остатков. Трехмерная структура субъединицы включает восемь α-спиралей снаружи и восемь параллельных β-нитей внутри. На иллюстрации ленточный каркас каждой субъединицы окрашен от синего к красному от N-конца к C-концу. Этот структурный мотив называется αβ-барелем или TIM-барелем и является наиболее распространенной белковой складкой. Активный центр этого фермента расположен в центре бареля. В каталитическом механизме участвуют остаток глутаминовой кислоты и гистидин. Последовательность аминокислот вокруг остатков активного центра сохранена во всех известных триозофосфат изомеразах. Структура триозофосфат изомеразы определяет ее функцию. Помимо точно расположенных остатков глутамата и гистидина, необходимых для образования энедиола, цепь из десяти или одиннадцати аминокислот TPI формирует петлю, стабилизирующую промежуточное соединение. Петля, образованная остатками 166–176, замыкается и образует водородную связь с фосфатной группой субстрата. Это стабилизирует энедиол и другие переходные состояния на пути реакции. Потеря высокоэнергетической фосфатной связи и субстрата для дальнейшего гликолиза делает образование метилглиоксаля неэффективным. Исследования показывают, что лизин, расположенный вблизи активного центра (в позиции 12), также критически важен для функции фермента. Лизин, протонированный при физиологическом pH, может способствовать нейтрализации отрицательного заряда фосфатной группы. Замена этого лизинового остатка на нейтральную аминокислоту приводит к полной потере функции TPI, однако варианты с другой положительно заряженной аминокислотой сохраняют некоторую активность.
Triose phosphate isomerase is a dimer of identical subunits, each of which is made up of about 250 amino acid residues. The three dimensional structure of a subunit contains eight α helices on the outside and eight parallel β strands on the inside. In the illustration, the ribbon backbone of each subunit is colored in blue to red from N terminus to C terminus. This structural motif is called an αβ barrel, or a TIM barrel, and is by far the most commonly observed protein fold. The active site of this enzyme is in the center of the barrel. A glutamic acid residue and a histidine are involved in the catalytic mechanism. The sequence around the active site residues is conserved in all known triose phosphate isomerases. The structure of triose phosphate isomerase contributes to its function. Besides the precisely placed glutamate and histidine residues to form the enediol, a ten or eleven amino acid chain of TPI acts as a loop to stabilize the intermediate. The loop, formed by residues 166 to 176, closes and forms a hydrogen bond to the phosphate group of the substrate. This action stabilizes the enediol intermediate and the other transition states on the reaction pathway. The loss of a high energy phosphate bond and the substrate for the rest of glycolysis makes formation of methylglyoxal inefficient. Studies suggest that a lysine close to the active site (at position 12) is also crucial for enzyme function. The lysine, protonated at physiological pH, may help neutralize the negative charge of the phosphate group. When this lysine residue is replaced with a neutral amino acid, TPI loses all function, but variants with a different positively charged amino acid retain some function.