Введение
Класс ферментов Гликозилтрансферазы (GTF, Gtfs) - это ферменты (EC 2.4), которые устанавливают естественные гликозидные связи. Они каталитизируют передачу сахаридных фракций от активированного нуклеотидного сахара (также известного как "гликозиловый донор") к нуклеофильной молекуле-акцептору гликозила, нуклеофилом которой может быть кислород, углерод, азот или серная основа. Результатом гликозилового переноса может быть углевод, гликозид, олигосахарид или полисахарид. Некоторые гликозильтрансферазы каталитизируют перенос в неорганический фосфат или воду. Передача гликозила может также происходить к белковым остаткам, обычно к тирозину, серину или треонину, чтобы получить связанные с O гликопротеины, или к аспарагину, чтобы получить связанные с N гликопротеины. Маннозильные группы могут быть переданы триптофану для получения C-маннозильного триптофана, который относительно обилен у эукариотов. Трансферазы могут также использовать липиды в качестве акцептора, образуя гликолипиды, и даже использовать липидные связанные сахарные фосфатные доноры, такие как долихолевые фосфаты в эукариотических организмах или ундекапренилфосфат в бактериях. Гликозильтрансферазы, которые используют доноры нуклеотидов сахара, являются ферментами Лелоара, названными в честь Луиса Ф. Лелоара, ученого, который открыл первый нуклеотид сахара и получил Нобелевскую премию по химии 1970 года за свою работу по обмену углеводов. Гликозильтрансферазы, которые используют доноры, не являющиеся нуклеотидами, такие как долихол или полипренолпирофосфат, не являются леоирскими гликозильтрансферазами. В млекопитающих используются только 9 доноров нуклеотидов сахара для гликозильтрансфераз: UDP глюкоза, UDP галактоза, UDP GlcNAc, UDP GalNAc, UDP ксилоза, UDP глюкуроновая кислота, GDP манноза, GDP фукоза и CMP сиаловая кислота. Фосфаты этих донорных молекул обычно координируются двузначными катионами, такими как марганец, однако существуют независимые от металлов ферменты. Многие гликозильтрансферазы являются однопроходными трансмембранными белками, и они обычно прикреплены к мембранам аппарата Голги
Glycosyltransferases (GTFs, Gtfs) are enzymes (EC 2.4) that establish natural glycosidic linkages. They catalyze the transfer of saccharide moieties from an activated nucleotide sugar (also known as the "glycosyl donor") to a nucleophilic glycosyl acceptor molecule, the nucleophile of which can be oxygen carbon , nitrogen , or sulfur based. The result of glycosyl transfer can be a carbohydrate, glycoside, oligosaccharide, or a polysaccharide. Some glycosyltransferases catalyse transfer to inorganic phosphate or water. Glycosyl transfer can also occur to protein residues, usually to tyrosine, serine, or threonine to give O linked glycoproteins, or to asparagine to give N linked glycoproteins. Mannosyl groups may be transferred to tryptophan to generate C mannosyl tryptophan, which is relatively abundant in eukaryotes. Transferases may also use lipids as an acceptor, forming glycolipids, and even use lipid linked sugar phosphate donors, such as dolichol phosphates in eukaryotic organism, or undecaprenyl phosphate in bacteria. Glycosyltransferases that use sugar nucleotide donors are Leloir enzymes, after Luis F. Leloir, the scientist who discovered the first sugar nucleotide and who received the 1970 Nobel Prize in Chemistry for his work on carbohydrate metabolism. Glycosyltransferases that use non nucleotide donors such as dolichol or polyprenol pyrophosphate are non Leloir glycosyltransferases. Mammals use only 9 sugar nucleotide donors for glycosyltransferases: UDP glucose, UDP galactose, UDP GlcNAc, UDP GalNAc, UDP xylose, UDP glucuronic acid, GDP mannose, GDP fucose, and CMP sialic acid. The phosphate(s) of these donor molecules are usually coordinated by divalent cations such as manganese, however metal independent enzymes exist. Many glycosyltransferases are single pass transmembrane proteins, and they are usually anchored to membranes of Golgi apparatus
Механизм
Гликозильтрансферазы могут быть разделены на "удерживающие" или "инвертирующие" ферменты в зависимости от того, сохраняется ли стереохимия аномерной связи донора (α→α) или инвертируется (α→β) во время переноса. Инвертирующий механизм прост, требует единого нуклеофильного удара от принимающего атома, чтобы инвертировать стереохимию. Механизм удержания является предметом споров, но существуют убедительные доказательства против механизма двойного смещения (который вызвал бы две инверсии по поводу аномерного углерода для чистого удержания стереохимии) или диссоциативного механизма (преобладающий вариант которого был известен как SNi). Был предложен механизм "ортогональной ассоциации", который, подобно инвертирующим ферментам, требует только одной нуклеофильной атаки от акцептора с нелинейного угла (как это наблюдается во многих кристаллических структурах), чтобы достичь удержания аномера.
Возвратность реакции
Недавнее открытие обратимости многих реакций, катализированных инвертирующими гликозильтрансферазами, послужило сдвигом парадигмы в этой области и поднимает вопросы относительно обозначения нуклеотидов сахара как "активированных" доноров.
Классификация по последовательности
Методы классификации, основанные на последовательности, оказались мощным способом генерации гипотез о функции белка, основанных на выравнивании последовательности с родственными белками. В базе данных углеводов активных ферментов представлена классификация гликозильтрансфераз на основе последовательности в более чем 90 семейств. Ожидается, что в каждой из семейств будет происходить одна и та же трехмерная складка.
Структура
В отличие от разнообразия 3D-структур, наблюдаемых для гликозидных гидролаз, гликозилтрансферазы имеют гораздо меньший диапазон структур. Совсем недавно была выявлена новая гликозильтрансферазная складка для гликозильтрансфераз, участвующих в биосинтезе полимерного основания пептидогликана NAG NAM.
Ингибиторы
Известно много ингибиторов гликозилтрансфераз. Некоторые из них являются натуральными продуктами, такими как моеномицин, ингибитор пептидогликановых гликозильтрансфераз, никкомицины, ингибиторы хитиновой синтезазы, и эхинокандины, ингибиторы грибковых β 1, 3- глюкановых синтеза. Некоторые ингибиторы гликозилтрансферазы используются в качестве лекарств или антибиотиков. Моеномицин используется в кормах для животных в качестве стимулятора роста. Каспофунгин был разработан из эхинокандинов и используется в качестве противогрибкового средства. Этамбутол является ингибитором микобактериальных арабинотрансфераз и используется для лечения туберкулеза. Люфенурон является ингибитором синтеза хитина насекомыми и используется для борьбы с блохами у животных. Синтетические ингибиторы гликозильтрансфераз на основе имидазолия разработаны для использования в качестве противомикробных и антисептических средств.
Определяющий фактор группы крови
Система групп крови АБО определяется тем, какой тип гликозильтрансфераз экспрессируется в организме. Локус гена ABO, экспрессирующий гликозильтрансферазы, имеет три основные аллельные формы: A, B и O. Аллель A кодирует 1 3 N ацетилгалактозаминилтрансферазу, которая связывает α N ацетилгалактозамин с D-галактинозным концом H-антигена, производя таким образом антиген A. Аллель B кодирует 1 3 галактозилтрансферазу, которая соединяет α D галактозу, связанную с D галактозой на конце H антигена, создавая B антиген. В случае аллели O экзон 6 содержит делецию, которая приводит к потере ферментативной активности. Аллель О немного отличается от аллеля А по случаю удаления одного нуклеотида гуанина в позиции 261. Делеция вызывает смещение кадра и приводит к трансляции почти полностью другого белка, которому не хватает ферментативной активности. В результате H-антиген остается неизменным в случае групп O. Сочетание гликозильтрансфераз обоими аллелями, присутствующими у каждого человека, определяет, есть ли группа крови AB, A, B или O.
Применение
Гликозильтрансферазы широко используются как в целенаправленном синтезе специфических гликоконъюгатов, так и в синтезе дифференциально гликозилированных библиотек лекарств, биологических зондов или натуральных продуктов в контексте открытия лекарств и разработки лекарств (процесс, известный как гликорандомизация). Подходящие ферменты могут быть изолированы из природных источников или получены рекомбинантным путем. В качестве альтернативы были разработаны системы на основе целых клеток, использующие либо эндогенные доноры гликозила, либо системы на основе клеток, содержащие клонированные и экспрессированные системы для синтеза доноров гликозила. В безклеточных подходах крупномасштабное применение гликозилтрансфераз для синтеза гликоконъюгатов требует доступа к большому количеству гликозильных доноров. С другой стороны, были разработаны системы рециркуляции нуклеотидов, которые позволяют ресинтезировать доноры гликозила из высвобождаемого нуклеотида. Подход к рециркуляции нуклеотидов имеет дополнительное преимущество в сокращении количества нуклеотидов, образующихся в качестве побочного продукта, тем самым уменьшая количество ингибирования, вызванного интересующей гликозильтрансферазой - обычно наблюдаемой особенностью нуклеотидного побочного продукта.