Введение
Класс ферментов Глютаминсинтетаза (GS) - это фермент, который играет важную роль в метаболизме азота, каталитизируя конденсацию глутамата и аммиака для образования глутамина: Глютамат + АТФ + NH3 → Глютамин + АДФ + фосфат Глютаминсинтетаза использует аммиак, полученный путем снижения нитратов, разложения аминокислот и фотореспирации. Амидная группа глутамата является источником азота для синтеза метаболитов путём глутамина. Другие реакции могут происходить через GS. Конкуренция между ионами аммония и водой, их связывающие аффинности и концентрация иона аммония влияют на синтез и гидролиз глутамина. Глютамин образуется, если ион аммония атакует ацилфосфатный промежуточный продукт, в то время как глутамат образуется, если вода атакует промежуточный продукт. Ион аммония связывается с GS сильнее, чем вода, из-за электростатических сил между катионом и отрицательно заряженным карманом. Бактериальные GS представляют собой додекамеры с 12 активными участками между каждым мономером. АТФ связывается с вершиной бифуннеля, который открывается на внешнюю поверхность GS. Фосфат проходит через верхнюю часть активного участка, а глутамин - через нижнюю часть (между двумя кольцами). ГС в мозге, в основном, содержится в астроцитах. Астроциты защищают нейроны от экзитотоксичности, поглощая избыток аммиака и глутамата. Различные точки зрения подходили к проблеме отека астроглии. Одно исследование показывает, что происходят морфологические изменения, которые увеличивают экспрессию GS в глутаматергических областях или другие адаптации, которые облегчают высокие уровни глутамата и аммиака. Ферменты класса I (GSI) являются специфическими для прокариотов и представляют собой олигомеры из 12 идентичных подединиц. Активность фермента типа GSI контролируется аденилированием тирозинового остатка. Аденолированный фермент неактивен. Ферменты класса II (GSII) встречаются у эукариотов и у бактерий, принадлежащих к семействам Rhizobiaceae, Frankiaceae и Streptomycetaceae (у этих бактерий также есть GS класса I). GSII - это декамер идентичных подединиц. Ферменты класса III (GSIII) в настоящее время обнаружены только в Bacteroides fragilis и Butyrivibrio fibrisolvens. Это двукольцевая dodecamer идентичных цепей. Он намного больше (около 700 аминокислот), чем ферменты GSI (450 - 470 аминокислот) или GSII (350 - 420 аминокислот). Хотя три класса GS явно структурно связаны, сходство последовательностей не так широко.
Glutamine synthetase (GS) is an enzyme that plays an essential role in the metabolism of nitrogen by catalyzing the condensation of glutamate and ammonia to form glutamine:
Glutamate + ATP + NH3 → Glutamine + ADP + phosphate
Glutamine synthetase uses ammonia produced by nitrate reduction, amino acid degradation, and photorespiration. The amide group of glutamate is a nitrogen source for the synthesis of glutamine pathway metabolites. Other reactions may take place via GS. Competition between ammonium ion and water, their binding affinities, and the concentration of ammonium ion, influences glutamine synthesis and glutamine hydrolysis. Glutamine is formed if an ammonium ion attacks the acyl phosphate intermediate, while glutamate is remade if water attacks the intermediate. Ammonium ion binds more strongly than water to GS due to electrostatic forces between a cation and a negatively charged pocket. Bacterial GS are dodecamers with 12 active sites between each monomer. ATP binds to the top of the bifunnel that opens to the external surface of GS. Phosphate leaves through the top of the active site, while glutamine leaves through the bottom (between two rings). GS, in the brain, is found primarily in astrocytes. Astrocytes protect neurons against excitotoxicity by taking up excess ammonia and glutamate. Different perspectives have approached the problem of astroglial swelling. One study shows that morphological changes occur that increase GS expression in glutamatergic areas or other adaptations that alleviates high levels of glutamate and ammonia. Class I enzymes (GSI) are specific to prokaryotes, and are oligomers of 12 identical subunits. The activity of GSI type enzyme is controlled by the adenylation of a tyrosine residue. The adenylated enzyme is inactive. Class II enzymes (GSII) are found in eukaryotes and in bacteria belonging to the Rhizobiaceae, Frankiaceae, and Streptomycetaceae families (these bacteria have also a class I GS). GSII are decamer of identical subunits. Class III enzymes (GSIII) have, currently, only been found in Bacteroides fragilis and in Butyrivibrio fibrisolvens. It is a double ringed dodecamer of identical chains. It is much larger (about 700 amino acids) than the GSI (450 to 470 amino acids) or GSII (350 to 420 amino acids) enzymes. While the three classes of GSs are clearly structurally related, the sequence similarities are not so extensive.
Регулирование и ингибирование
GS подвержен обратимой ковалентной модификации. Tyr397 из всех 12 подединиц может подвергаться аденилированию или деденилированию аденилтрансферазой (АТ), двуфункциональным регуляторным ферментом. Аденилирование - это посттрансляционная модификация, включающая ковалентное присоединение AMP к боковой цепи белка. Для каждого аденилирования требуется АТФ, а для полного ингибирования GS требуется 12 АТФ. Деденатилирование с помощью AT включает фосфоролитическое удаление связанных с Tyr аденоил-групп в виде ADP. На активность АТ влияет связанный с ней регуляторный белок: PII, тример 44 кД. Ингибирование GS в значительной степени сосредоточено на лигандах амино- сайта. Другими ингибиторами/регуляторами являются глицин и аланин. Аланин, глицин и серин связываются с глютаматным субстратом. GDP, AMP, ADP связываются с ATP. Вместо общей двухкомпонентной системы NtrC NtrB, цианобактерии содержат регулятор транскрипции NtcA, который ограничен этим кладом и контролирует экспрессию GS и множества генов, участвующих в обмене азота. Кроме того, GS в цианобактериях ковалентно не модифицируется для повышения чувствительности к ингибированию обратной связи. Эти инактивирующие факторы регулируются различными некодирующими РНК: sRNA NsiR4 взаимодействует с 5' UTR мРНК GS инактивирующего фактора IF7 (gifA mRNA) и снижает его экспрессию. Экспрессия NsiR4 находится под положительным контролем азотного контрольного фактора транскрипции NtcA. Кроме того, экспрессия GS- инактивирующего фактора IF17 контролируется связывающим с глутамином рибосвичем.