Введение
Ген, кодирующий белок у вида Homo sapiens. Фермент уридинмонофосфатсинтаза (UMPS) (оротатфосфорибозилтрансфераза и оротидин-5'-декарбоксилаза) катализирует образование уридинмонофосфата (UMP) – молекулы, переносящей энергию во многих важных биосинтетических путях. У человека ген, кодирующий этот фермент, расположен на длинном плече хромосомы 3 (3q13).
The enzyme Uridine monophosphate synthase (, UMPS) (orotate phosphoribosyl transferase and orotidine 5' decarboxylase) catalyses the formation of uridine monophosphate (UMP), an energy carrying molecule in many important biosynthetic pathways. In humans, the gene that codes for this enzyme is located on the long arm of chromosome 3 (3q13).
Структура и функция
Этот бифункциональный фермент имеет два основных домена: субъединицу оротатфосфорибозилтрансферазы (OPRTase, ) и субъединицу оротидин-5'-фосфатдекарбоксилазы (ODCase, ). Эти два центра катализируют последние два этапа de novo биосинтетического пути монофосфата уридина (UMP). После присоединения рибозо-P к оротату посредством OPRTase с образованием оротидин-5'-монофосфата (OMP), OMP декарбоксилируется до монофосфата уридина с помощью ODCase. У микроорганизмов эти два домена представлены отдельными белками, но у многоклеточных эукариот два каталитических центра экспрессируются на одном белке – монофосфат-уридинсинтазе (UMPS). UMPS существует в различных формах в зависимости от внешних условий. In vitro мономерный UMPS с коэффициентом седиментации S20,w 3,6 превращается в димер, S20,w = 5,1 после добавления анионов, таких как фосфат. В присутствии OMP, продукта OPRTase, димер переходит в форму с более высокой скоростью седиментации S20,w 5,6. Эти отдельные конформационные формы демонстрируют различную ферментативную активность: мономер UMPS-синтазы проявляет низкую декарбоксилазную активность, а полную декарбоксилазную активность проявляет только 5,6 S димер. Предполагается, что слияние двух отдельных каталитических центров в один белок стабилизирует его мономерную форму. Ковалентное объединение в UMPS стабилизирует домены, содержащие соответствующие каталитические центры, повышая его активность в многоклеточных организмах, где концентрации, как правило, в 10 раз ниже, чем у отдельных аналогов у прокариот. Другим микроорганизмам с разделенными ферментами необходимо поддерживать более высокие концентрации, чтобы сохранить свои ферменты в более активной димерной форме.
Слияние
События слияния между ОПРТазой и ОДКазой, приведшие к образованию бифункционального фермента UMPS, происходили различными способами в разных ветвях древа жизни. Во-первых, хотя у большинства эукариотов (например, метазоа, амебозоа, растения и гетеролобозеи) OPRTase находится на N-конце, а ODCase – на C-конце, показано, что существует и инвертированное слияние, то есть OPRTase на C-конце и ODCase на N-конце (например, у паразитических протистов, трипаносоматид и стременопил). Более того, другие группы эукариотов, такие как грибы, сохраняют оба фермента в виде отдельных белков. Независимо от важности порядка слияния, эволюционное происхождение каждого каталитического домена в UMPS также является предметом изучения. И OPRTase, и ODCase подвергались горизонтальному переносу генов, в результате чего у эукариотов присутствуют ферменты как бактериального, так и эукариотического происхождения. Например, у метазоа, амебозоа, растений и гетеролобозеи есть эукариотические ODCase и OPRTase, в то время как у альвеолят и стременопил – бактериальные. Возможны и другие перестановки: у грибов бактериальная OPRTase и эукариотическая ODCase, а у кинетопластид – обратная комбинация. Для определения движущей силы ассоциации белков были проведены эксперименты, в ходе которых разделяли оба домена и изменяли связывающий пептид, удерживающий их вместе. У Plasmodium falciparum комплекс OPRTase OMPDCase демонстрирует более высокую кинетическую и термическую стабильность по сравнению с монофункциональными ферментами. У H. sapiens, хотя отдельные и слитые домены обладают схожей активностью, первые проявляют большую чувствительность к условиям, способствующим диссоциации мономеров.
Регулирование
UMPS подвергается сложному регулированию со стороны OMP, продукта его OPRTазы и субстрата для ODCase. OMP является аллостерическим активатором активности OMP-декарбоксилазы. фосфат,
ОПРтаза
P. falciparum OPRTase следует случайному пути в синтезе и деградации OMP. Анализ переходного состояния с использованием изотопных эффектов и квантовых расчетов выявил полностью диссоциированную дианионную структуру оротата, рибокацию и нуклеофильную молекулу пирофосфата. Тем не менее, это неожиданно, поскольку большинство N-рибозилтрансфераз включают протонированные и нейтральные уходящие группы, в то время как депротонированный оротат не является хорошей уходящей группой в катионном переходном состоянии. OPRTase, как представитель PRTases типа I, имеет выраженную петлю рядом со своим активным центром. Она гибкая в открытом состоянии и ее трудно обнаружить на картах электронной плотности для некоторых OPRTases. Для осуществления катализа необходимо существование димера, в котором петля одной субъединицы покрывает активный центр другой. В Salmonella typhimurium формируется новая пара антипараллельных β-листов и в петле образуется пять новых межatomных контактов – между петлей и остальной частью белка, а также между петлей и лигандами. Существует две возможности относительно движения петли: она может перемещаться жестко или формироваться из неупорядоченной структуры, приобретающей порядок. Второй сценарий представляется более вероятным для OPRTase. Должен существовать энергетический баланс между образованием нового порядка в пептиде и образованием водородных связей в петле, между петлей и остальной частью белка, а также между петлей и лигандами. В комплексе фермента Mg PRPP наблюдается равновесие 30:1 между закрытой и открытой структурами, что указывает на предпочтение закрытой конформации. Также рассматривалась возможность протонирования OMP по O4 или O2 перед декарбоксилированием, что подразумевает образование илида по N1. Отсутствие донора протонов вблизи O4 или O2 в кристаллографических структурах служит доказательством против этого, наряду с исключением генерации илида в качестве лимитирующей стадии в 15N экспериментах. Кроме того, возникли сомнения в жизнеспособности протонированных интермедиатов из-за отсутствия электронных стабилизаторов. В результате было предложено разрыв связи между C6 и C7 из-за протонирования первого, проходящего через карбанионное состояние. Дефицит этого фермента является наследственным аутосомно-рецессивным признаком у голштинской породы крупного рогатого скота и приводит к гибели плода. Дефицит фермента можно изучать на модельном организме Caenorhabditis elegans. Штамм rad 6 содержит стоп-кодон, элиминирующий домен оротидин-5'-декарбоксилазы белка; этот домен отсутствует в других белках, кодируемых геномом. Штамм проявляет плейотропный фенотип, включающий сниженную жизнеспособность и фертильность, замедленный рост и повышенную чувствительность к радиации.
Фармакологическое значение
Установлено, что UMPS и его два отдельных домена, ODCase и OPRTase, необходимы для жизнеспособности паразитов из таксона Chromoalveolata, таких как L. donovani или P. falciparum. Поскольку UMPS, ODCase и OPRTase различаются у разных организмов, проводились исследования по разработке видоспецифических ингибиторов. Также использовались продукты селенирования. Абдо и др. (2010) провели реакции с 2-этоксиэтанселеновой кислотой, используя богатые электронами ароматические субстраты, для получения 2-этоксиэтилселеновых эфиров. Эти эфиры способны превращаться в арилселенильные продукты, такие как соединения семейства 5-уридинила, которые продемонстрировали ингибирование при субмикромолярных концентрациях в отношении P. falciparum и H. sapiens.
ОДС
Ингибиторы ОДКазы также происходят из аналогов субстратов, таких как модификации колец ОМФ или УМФ. У *H. sapiens* ODCase ингибировалась галогенидными соединениями, производными от УМФ (например, 5-FУМФ, 5-BrУМФ, 5-IУМФ и 6-IУМФ). В *Methanobacterium thermoautotrophicum* используется иная стратегия, заключающаяся в модификации слабых взаимодействующих лигандов, таких как цитидин-5'-монофосфат, который превращается в барбитурат-5'-рибонуклеозидфосфат и ксантозин-5'-монофосфат. ODCase *P. falciparum* успешно ингибировалась модификациями цитидин-5'-монофосфата в положениях N3 и N4.