Введение
Фермент, участвующий в гликолизе, фосфопируватгидратаза, обычно известная как энолаза, является металлоферментом, который катализирует превращение 2-фосфоглицерата (2 PG) в фосфоенолпируват (PEP) – девятый и предпоследний этап гликолиза. Химическая реакция: 2-фосфо-D-глицерат → фосфоенолпируват + H₂O.
Phosphopyruvate hydratase, usually known as enolase, is a metalloenzyme that catalyses the conversion of 2 phosphoglycerate (2 PG) to phosphoenolpyruvate (PEP), the ninth and penultimate step of glycolysis. The chemical reaction is:
2 phospho D glycerate phosphoenolpyruvate + H2O
Phosphopyruvate hydratase belongs to the family of lyases, specifically the hydro lyases, which cleave carbon oxygen bonds. The systematic name of this enzyme is 2 phospho D glycerate hydro lyase (phosphoenolpyruvate forming). The reaction is reversible, depending on environmental concentrations of substrates. The optimum pH for the human enzyme is 6.5. Enolase is present in all tissues and organisms capable of glycolysis or fermentation. The enzyme was discovered by Lohmann and Meyerhof in 1934, and has since been isolated from a variety of sources including human muscle and erythrocytes. Three of these isoenzymes (all homodimers) are more commonly found in adult human cells than the others:
αα or non neuronal enolase (NNE). Also known as enolase 1. Found in a variety of tissues, including liver, brain, kidney, spleen, adipose. It is present at some level in all normal human cells. ββ or muscle specific enolase (MSE). Also known as enolase 3. This enzyme is largely restricted to muscle where it is present at very high levels in muscle. γγ or neuron specific enolase (NSE). Also known as enolase 2. Expressed at very high levels in neurons and neural tissues, where it can account for as much as 3% of total soluble protein. It is expressed at much lower levels in most mammalian cells. When present in the same cell, different isozymes readily form heterodimers.
Фосфопируватгидратаза относится к семейству лиаз, в частности к гидролиазам, которые расщепляют углерод-кислородные связи. Систематическое название этого фермента – 2-фосфо-D-глицерат-гидролиаза (фосфоенолпируват-образующая). Реакция обратима и зависит от концентрации субстратов в окружающей среде. Оптимальный pH для человеческого фермента составляет 6,5. Энолаза присутствует во всех тканях и организмах, способных к гликолизу или ферментации. Фермент был обнаружен Ломанном и Мейергофом в 1934 году и с тех пор был выделен из различных источников, включая мышцы человека и эритроциты. Три из этих изоферментов (все – гомодимеры) чаще встречаются в клетках взрослого человека, чем другие:
Phosphopyruvate hydratase, usually known as enolase, is a metalloenzyme that catalyses the conversion of 2 phosphoglycerate (2 PG) to phosphoenolpyruvate (PEP), the ninth and penultimate step of glycolysis. The chemical reaction is:
2 phospho D glycerate phosphoenolpyruvate + H2O
Phosphopyruvate hydratase belongs to the family of lyases, specifically the hydro lyases, which cleave carbon oxygen bonds. The systematic name of this enzyme is 2 phospho D glycerate hydro lyase (phosphoenolpyruvate forming). The reaction is reversible, depending on environmental concentrations of substrates. The optimum pH for the human enzyme is 6.5. Enolase is present in all tissues and organisms capable of glycolysis or fermentation. The enzyme was discovered by Lohmann and Meyerhof in 1934, and has since been isolated from a variety of sources including human muscle and erythrocytes. Three of these isoenzymes (all homodimers) are more commonly found in adult human cells than the others:
αα or non neuronal enolase (NNE). Also known as enolase 1. Found in a variety of tissues, including liver, brain, kidney, spleen, adipose. It is present at some level in all normal human cells. ββ or muscle specific enolase (MSE). Also known as enolase 3. This enzyme is largely restricted to muscle where it is present at very high levels in muscle. γγ or neuron specific enolase (NSE). Also known as enolase 2. Expressed at very high levels in neurons and neural tissues, where it can account for as much as 3% of total soluble protein. It is expressed at much lower levels in most mammalian cells. When present in the same cell, different isozymes readily form heterodimers.
αα или не-нейронная энолаза (ННЭ). Также известна как энолаза 1. Обнаружена в различных тканях, включая печень, мозг, почки, селезенку, жировую ткань. Присутствует в некотором количестве во всех нормальных клетках человека. ββ или мышечно-специфическая энолаза (МСЭ). Также известна как энолаза 3. Этот фермент преимущественно локализуется в мышцах, где он присутствует в очень высоких концентрациях. γγ или нейрон-специфическая энолаза (НСЭ). Также известна как энолаза 2. Экспрессируется в очень высоких уровнях в нейронах и нервной ткани, где может составлять до 3% от общего количества растворимого белка. В большинстве клеток млекопитающих экспрессируется на гораздо более низких уровнях. При наличии в одной клетке различные изоферменты легко образуют гетеродимеры.
Phosphopyruvate hydratase, usually known as enolase, is a metalloenzyme that catalyses the conversion of 2 phosphoglycerate (2 PG) to phosphoenolpyruvate (PEP), the ninth and penultimate step of glycolysis. The chemical reaction is:
2 phospho D glycerate phosphoenolpyruvate + H2O
Phosphopyruvate hydratase belongs to the family of lyases, specifically the hydro lyases, which cleave carbon oxygen bonds. The systematic name of this enzyme is 2 phospho D glycerate hydro lyase (phosphoenolpyruvate forming). The reaction is reversible, depending on environmental concentrations of substrates. The optimum pH for the human enzyme is 6.5. Enolase is present in all tissues and organisms capable of glycolysis or fermentation. The enzyme was discovered by Lohmann and Meyerhof in 1934, and has since been isolated from a variety of sources including human muscle and erythrocytes. Three of these isoenzymes (all homodimers) are more commonly found in adult human cells than the others:
αα or non neuronal enolase (NNE). Also known as enolase 1. Found in a variety of tissues, including liver, brain, kidney, spleen, adipose. It is present at some level in all normal human cells. ββ or muscle specific enolase (MSE). Also known as enolase 3. This enzyme is largely restricted to muscle where it is present at very high levels in muscle. γγ or neuron specific enolase (NSE). Also known as enolase 2. Expressed at very high levels in neurons and neural tissues, where it can account for as much as 3% of total soluble protein. It is expressed at much lower levels in most mammalian cells. When present in the same cell, different isozymes readily form heterodimers.
Структура
Энолаза является представителем обширного суперсемейства энолаз. Её молекулярная масса составляет 82 000–100 000 дальтон, в зависимости от изоформы.
Механизм
Используя изотопные зонды, предлагается, что общий механизм превращения 2-фосфоглицерата в PEP представляет собой реакцию элиминирования по типу E1cB с участием карбанионного интермедиата. Следующий детальный механизм основан на исследованиях кристаллической структуры и кинетики. Когда субстрат, 2-фосфоглицерат, связывается с α-энолазой, его карбоксильная группа координируется с двумя кофакторами ионов магния в активном центре. Это стабилизирует отрицательный заряд на депротонированном кислороде, одновременно повышая кислотность α-водорода. Lys345 энолазы депротонирует α-водород, и образовавшийся отрицательный заряд стабилизируется резонансом с карбоксилатным кислородом и кофакторами ионов магния. После образования карбанионного интермедиата гидроксильная группа на C3 элиминируется в виде воды при участии Glu211, что приводит к образованию PEP. Кроме того, в ферменте происходят конформационные изменения, способствующие катализу. В α-энолазе человека субстрат поворачивается в рабочее положение при связывании с ферментом благодаря взаимодействию с двумя каталитическими ионами магния, Gln167 и Lys396. Движения петель Ser36–His43, Ser158–Gly162 и Asp255–Asn256 позволяют Ser39 координироваться с Mg2+ и закрывать активный центр. Помимо координации с каталитическими ионами магния, pKa α-водорода субстрата также снижается за счет протонирования фосфорильной группы His159 и ее близости к Arg374. Arg374 также вызывает депротонирование Lys345 в активном центре, подготавливая Lys345 к его роли в механизме.
Диагностическое применение
В недавних медицинских экспериментах измерялись концентрации энолазы с целью диагностики определенных состояний и оценки их тяжести. Например, более высокие концентрации энолазы в спинномозговой жидкости лучше коррелировали с астроцитомой низкой степени злокачественности, чем другие исследованные ферменты (алдолаза, пируваткиназа, креатинкиназа и лактатдегидрогеназа). То же исследование показало, что наиболее быстрый темп роста опухоли наблюдался у пациентов с самыми высокими уровнями энолазы в спинномозговой жидкости. Повышенные уровни энолазы также были обнаружены у пациентов, перенесших недавний инфаркт миокарда или инсульт. Было установлено, что уровни нейрон-специфической энолазы в спинномозговой жидкости, НСЭ в сыворотке и креатинкиназы (тип BB) имеют прогностическое значение при оценке состояния пациентов после остановки сердца. Другие исследования были посвящены прогностической ценности показателей НСЭ у пациентов, перенесших инсульт. Автоантитела к альфа-энолазе связаны с ревматоидным артритом и редким синдромом, известным как энцефалопатия Хашимото.
Ингибиторы
Маломолекулярные ингибиторы энолазы были синтезированы в качестве химических зондов (субстратных аналогов) каталитического механизма фермента, а в последнее время изучаются как потенциальные средства для лечения рака и инфекционных заболеваний. Большинство ингибиторов обладают свойствами хелатирования металлов и связываются с ферментом посредством взаимодействия со структурным атомом магния Mg(A). Наиболее мощным из них является фосфоноацетогидроксамат, а недавно – как противоопухолевый агент, в частности, при глиобластомах, характеризующихся дефицитом энолазы вследствие гомозиготного делетирования гена ENO1 в локусе 1p36 – области, содержащей ген-супрессор опухолей (синтетическая летальность). Природный фосфонатный антибиотик SF2312 (CAS 107729-45-3), активный против грамположительных и грамотрицательных бактерий, особенно в анаэробных условиях, является высокоэффективным ингибитором энолазы, который связывается аналогично фосфоноацетогидроксамату. SF2312 ингибирует активность энолазы как в эукариотических, так и в прокариотических клетках, что отражает сильную эволюционную консервацию энолазы и древнее происхождение гликолитического пути. SF2312 – хиральная молекула, при этом ингибирующую активность энолазы и биологическую активность против бактерий проявляет только 3S-энантиомер. Недавно было показано, что производное SF2312, названное HEX, и его пролекарство POMHEX, оказывают противоопухолевое действие на глиомы с делецией ENO1 в доклинической модели ортотопической интракраниальной опухоли у мышей. Аллостерический лиганд ENOblock был обнаружен изменяющим клеточную локализацию энолазы, влияя на ее вторичные, негликолитические функции, такие как регуляция транскрипции. Последующий анализ с использованием коммерческого анализа также показал, что ENOblock способен ингибировать активность энолазы в биологических контекстах, таких как клетки и ткани животных. Ингибиторы энолазы, являющиеся аналогами переходного состояния активного центра, были исследованы в доклинических условиях для лечения различных микробных патогенов, а также в прецизионной онкологии для опухолей с гомозиготными делециями 1p36, лишенных ENO1. Фторид является известным конкурентом субстрата 2-фосфоглицерата (2PG) энолазы. Фторид может образовывать комплекс с магнием и фосфатом, который связывается в активном центре вместо 2PG. Ингибирующая активность фторид-аниона может способствовать антикариозному эффекту фторидсодержащей зубной пасты, ограничивая образование молочной кислоты (продукта гликолиза, для которого требуется энолаза).