Β-γλουκουρονιδάση

λυσοσωματικό ένζυμο απαραίτητο για τον καταβολισμό σχεδόν όλων των βλεννοπολυσακχαριδίων

     

Οι βήτα-γλουκουρονιδάσες είναι μέλη της οικογένειας των ενζύμων γλυκοσιδασών που καταλύουν τη διάσπαση των σύνθετων υδατανθράκων . [1] Η ανθρώπινη β-γλουκουρονιδάση είναι ένας τύπος γλουκουρονιδάσης (μέλος της οικογένειας γλυκοσιδάσης 2) που καταλύει την υδρόλυση των υπολειμμάτων β-D- γλουκουρονικού οξέος από το μη αναγωγικό άκρο των βλεννοπολυσακχαριτών (που αναφέρονται επίσης ως γλυκοζαμινογλυκάνες ) όπως η θειική ηπαράνη . [1] [2] [3] Η ανθρώπινη β-γλουκουρονιδάση βρίσκεται στα λυσοσώματα . [4] Στο έντερο, η β-γλουκουρονιδάση μετατρέπει τη συζευγμένη χολερυθρίνη στη μη συζευγμένη μορφή για επαναρρόφηση. Η βήτα-γλουκουρονιδάση υπάρχει επίσης στο μητρικό γάλα, το οποίο συμβάλλει στον νεογνικό ίκτερο . Η πρωτεΐνη κωδικοποιείται από το γονίδιο GUSB στους ανθρώπους [5] [6] και από το γονίδιο uidA στα βακτήρια. [7]

ΔομήΕπεξεργασία

Η ανθρώπινη β-γλουκουρονιδάση συντίθεται ως μονομερές 80 kDa (653 αμινοξέα ) προτού η πρωτεόλυση αφαιρέσει 18 αμινοξέα από το C-τερματικό άκρο για να σχηματίσει ένα μονομερές 78 kDa. [8] [9] Η βήτα-γλουκουρονιδάση υπάρχει ως ομοτετραμερές 332 kDa. [10] Η βήτα-γλουκουρονιδάση περιέχει αρκετούς αξιοσημείωτους δομικούς σχηματισμούς, συμπεριλαμβανομένου ενός τύπου βήτα βαρελιού που είναι γνωστό ως βαρέλι jelly roll και ενός βαρελιού TIM . [11]

Μηχανισμός κατάλυσηςΕπεξεργασία

Η ανθρώπινη β-γλoυκουρονιδάση είναι ομόλογη με το ένζυμο β-γαλακτοσιδάση της Escherichia coli . [12] [13] Αυτή η σχέση, μαζί με τη γνώση ότι οι γλυκοσιδάσες συχνά εκτελούν υδρόλυση που καταλύεται από δύο όξινα υπολείμματα, οδήγησε στην ανάπτυξη της υπόθεσης για το μηχανισμό δράσης. Σύμφωνα με αυτή, τα δύο υπολείμματα γλουταμικού οξέος Glu540 και Glu451 (πυρηνόφιλαο και όξινο υπολείμμα, αντίστοιχα) καθώς και το υπόλειμμα τυροσίνης Tyr504 εμπλέκονται στην κατάλυση. Πειράματα κατά τα οποία οποιοδήποτε από τα τρία αυτά αμινοξέα υπόκεινται σε μετάλλαξη οδηγούν σε δραματική μείωση της ενεργότητάς της, υποστηρίζοντας αυτή την υπόθεση. Αυξημένη ενεργότητα παρατηρήθηκε όταν το Glu451 αντικαταστάθηκε από αλανίνη, γεγονός που επιβεβαιώνει πως το Glu451 είναι το όξινο/βασικό υπόλειμμα. [14] Χρησιμοποιώντας την ανάλυση επισημασμένων πεπτιδίων β-γλουκουρονιδάσης μετά από υδρόλυση ενός υποστρώματος που εισέρχεται σε ένα πολύ σταθερό ενδιάμεσο στάδιο, οι ερευνητές κατέληξαν ότι το Glu540 είναι το πυρηνόφιλο υπόλειμμα. [15]

Αν και ο συγκεκριμένος τύπος πυρηνόφιλης υποκατάστασης που χρησιμοποιείται από τη β-γλουκουρονιδάση είναι ασαφής, στοιχεία από ομόλογα ένζυμα της οικογένειας των γλυκοσιδασών υποδηλώνουν ότι αυτές οι αντιδράσεις είναι ποιοτικώς SN2. Οι αντιδράσεις αυτές λαμβάνουν χώρα με ενδιάμεσα στάδια (μεταβατική κατάσταση) με χαρακτηριστικά ιόντων οξοκαρβενίου. Αρχικά, λόγω αυτού του χαρακτηριστικού οξοκαρβενίου του ενδιάμεσου σταδίου, οι αντιδράσεις αυτές θεωρήθηκαν SN1 (ξεκάθαρο ενδιάμεσο ιόν οξοκαρβενίου). Ωστόσο, πιο πρόσφατα στοιχεία υποδηλώνουν ότι αυτές οι καταστάσεις ιόντων οξοκαρβενίου έχουν διάρκεια ζωής 10 femtoseconds - 0,1 nanoseconds (παρόμοια με αυτή μιας περιόδου δόνησης δεσμού ). Αυτές οι διάρκειες ζωής είναι πολύ μικρές για να αντιστοιχούν σε ενδιάμεσο της αντίδρασης. Έτσι, φαίνεται πως αν και αυτές οι αντιδράσεις έχουν τα χαρακτηριστικά μιας SN1 αντίδρασης, είναι ποιοτικώς SN2. [1]

Όσον αφορά την Tyr504 στον μηχανισμό κατάλυσης, ο ακριβής της ρόλος δεν είναι ξεκάθαρος. [14] Συγκρίνοντας τη δομή της β-γλουκουρονιδάσης με το ομόλογο ένζυμο ξυναλάση, η Tyr504 ίσως σταθεροποιεί το πυρηνόφιλο που αποχωρεί (Glu540) ή ρυθμίζει την ενεργότητά του.

Επιπλέον σε αυτά τα υπολείμματα, ένα διατηρημένο υπόλειμμα ασπαραγίνης (Asn450) θεωρείται πως σταθεροποιεί το υπόστρωμα μέσω της δράσης ενός δεσμού υδρογόνου στη 2-υδροξυλομάδα του υποστρώματος σακχάρου. [10]

Σύνδρομο SlyΕπεξεργασία

Ανεπάρκειες στη β-γλυκουρονιδάση έχουν ως αποτέλεσμα την αυτοσωματική υπολειπόμενη κληρονομική μεταβολική νόσο γνωστή ως σύνδρομο Sly ή Βλεννοπολυσακχαρίδωση VII. Ανεπάρκεια σε αυτό το ένζυμο έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευση μη υδρολυμένων βλεννοπολυσακχαριτών στον ασθενή. Αυτή η ασθένεια μπορεί να είναι εξαιρετικά εξουθενωτική για τον ασθενή ή μπορεί να οδηγήσει σε εμβρυϊκό ύδρωπα πριν από τη γέννηση. Επιπλέον, σε επιζώντες ασθενείς παρατηρούνται διανοητική υστέρηση, κοντό ανάστημα, τραχιά χαρακτηριστικά του προσώπου, ανωμαλίες της σπονδυλικής στήλης και διεύρυνση του ήπατος και του σπλήνα. [4] Ως μοντέλα αυτής της ασθένειας έχουν χρησιμοποιηθεί ένα στέλεχος ποντικιού και μία οικογένεια σκύλων, ενώ πρόσφατα ανακαλύφθηκε και μία οικογένεια αιλουροειδών που παρουσιάζουν ανεπάρκεια β-γλουκουρονιδάσης. [16] [17] Πηγή αυτής της μείωσης της δραστικότητας έχει ταυτοποιηθεί ως η μετάλλαξη E351K (το Glu351 μεταλλάσσεται σε ένα υπόλειμμα λυσίνης). Το Glu351 διατηρείται σε είδη θηλαστικών, γεγονός που υποδηλώνει μια σημαντική λειτουργία για αυτό το υπόλειμμα. Εξέταση της κρυσταλλικής δομής ακτίνων Χ του ανθρώπινου ενζύμου υποδηλώνει ότι αυτό το υπόλειμμα (Glu352 στο ανθρώπινο ένζυμο), το οποίο είναι θαμμένο βαθιά μέσα στην περιοχή του κυλίνδρου TIM, μπορεί να είναι σημαντικό για τη σταθεροποίηση της τριτοταγούς δομής του ενζύμου. [18] Στην κρυσταλλική δομή, φαίνεται ότι η Arg216, μέλος του jelly roll της πρωτεΐνης, σχηματίζει μια γέφυρα άλατος (ιοντικοί και δεσμοί υδρογόνου) με το Glu352. Επομένως, το Glu352 πιθανώς εμπλέκεται στη σταθεροποίηση της αλληλεπίδρασης μεταξύ δύο διαφορετικών τρισδιάστατων περιοχών του ενζύμου. [11]

Μοριακές εφαρμογές: χρήση ως γονίδιο αναφοράςΕπεξεργασία

Στη μοριακή βιολογία, η β-γλουκουρονιδάση χρησιμοποιείται ως γονίδιο αναφοράς για την παρακολούθηση της γονιδιακής έκφρασης σε κύτταρα θηλαστικών και φυτών. Η παρακολούθηση της δραστηριότητας της β-γλουκουρονιδάσης μέσω της χρήσης δοκιμασίας GUS επιτρέπει τον προσδιορισμό της χωρικής και χρονικής έκφρασης του εν λόγω γονιδίου. [19]

  • Οι εικόνες μοριακών γραφικών δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας το πακέτο UCSF Chimera από το Resource for Biocomputing, Visualization, and Informatics στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια, Σαν Φρανσίσκο (υποστηριζόμενο από το NIH P41 RR-01081). [20]

Δείτε επίσηςΕπεξεργασία

  • Άλφα-γλυκουρονιδάση
  • Γλυκουρονοσυλο-δισουλφογλυκοζαμινική γλυκουρονιδάση
  • Γλυκυρριζινική βήτα-γλυκουρονιδάση

βιβλιογραφικές αναφορέςΕπεξεργασία

 

  1. 1,0 1,1 1,2 Comprehensive Biological Catalysis. 1. Manchester, UK: Academic Press. 1998. σελίδες 119–138. ISBN 978-0-12-646864-9.  Σφάλμα αναφοράς: Invalid <ref> tag; name "Catalysis" defined multiple times with different content
  2. «Mechanisms of enzymatic glycoside hydrolysis». Current Opinion in Structural Biology 4 (6): 885–92. December 1994. doi:10.1016/0959-440X(94)90271-2. PMID 7712292. 
  3. Sinnott ML (1990). «Catalytic mechanisms of enzymic glycosyl transfer». Chem Rev 90 (7): 1171–1202. doi:10.1021/cr00105a006. 
  4. 4,0 4,1 Nyhan, William L.· Barshop, Bruce (2005). Atlas of Metabolic Diseases (2 έκδοση). London, UK: Hodder Arnold. σελίδες 501–503, 546–550. ISBN 978-0-340-80970-9.  Σφάλμα αναφοράς: Invalid <ref> tag; name "Metabolic" defined multiple times with different content
  5. «Cloning, sequencing, and expression of cDNA for human beta-glucuronidase». Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America 84 (3): 685–9. February 1987. doi:10.1073/pnas.84.3.685. PMID 3468507. Bibcode1987PNAS...84..685O. 
  6. «Entrez Gene: GUSB glucuronidase, beta». 
  7. «Distribution of uidA gene sequences in Escherichia coli isolates in water sources and comparison with the expression of beta-glucuronidase activity in 4-methylumbelliferyl-beta-D-glucuronide media». Applied and Environmental Microbiology 59 (7): 2271–6. July 1993. doi:10.1128/AEM.59.7.2271-2276.1993. PMID 8357258. PMC 182268. Bibcode1993ApEnM..59.2271M. https://archive.org/details/sim_applied-and-environmental-microbiology_1993-07_59_7/page/2271. 
  8. «C-terminal processing of human beta-glucuronidase. The propeptide is required for full expression of catalytic activity, intracellular retention, and proper phosphorylation». The Journal of Biological Chemistry 268 (30): 22627–33. October 1993. doi:10.1016/S0021-9258(18)41574-8. PMID 8226771. 
  9. «The role of glycosylation and phosphorylation in the expression of active human beta-glucuronidase». The Journal of Biological Chemistry 268 (16): 12193–8. June 1993. doi:10.1016/S0021-9258(19)50325-8. PMID 8505339. 
  10. 10,0 10,1 «Crystallization and preliminary X-ray analysis of endoglucanase from Pyrococcus horikoshii». Acta Crystallographica. Section F, Structural Biology and Crystallization Communications 64 (Pt 12): 1169–71. December 2008. doi:10.1107/S1744309108036919. PMID 19052378.  Σφάλμα αναφοράς: Invalid <ref> tag; name "Sakon" defined multiple times with different content
  11. 11,0 11,1 PDB: 1BHG​;
  12. «New families in the classification of glycosyl hydrolases based on amino acid sequence similarities». The Biochemical Journal 293 ( Pt 3) (3): 781–8. August 1993. doi:10.1042/bj2930781. PMID 8352747. 
  13. «A classification of glycosyl hydrolases based on amino acid sequence similarities». The Biochemical Journal 280 ( Pt 2) (2): 309–16. December 1991. doi:10.1042/bj2800309. PMID 1747104. 
  14. 14,0 14,1 «Active site residues of human beta-glucuronidase. Evidence for Glu(540) as the nucleophile and Glu(451) as the acid-base residue». The Journal of Biological Chemistry 274 (33): 23451–5. August 1999. doi:10.1074/jbc.274.33.23451. PMID 10438523.  Σφάλμα αναφοράς: Invalid <ref> tag; name "Islam" defined multiple times with different content
  15. «Identification of Glu-540 as the catalytic nucleophile of human beta-glucuronidase using electrospray mass spectrometry». The Journal of Biological Chemistry 273 (51): 34057–62. December 1998. doi:10.1074/jbc.273.51.34057. PMID 9852062. 
  16. «Murine mucopolysaccharidosis type VII. Characterization of a mouse with beta-glucuronidase deficiency». The Journal of Clinical Investigation 83 (4): 1258–66. April 1989. doi:10.1172/JCI114010. PMID 2495302. PMC 303816. https://archive.org/details/sim_journal-of-clinical-investigation_1989-04_83_4/page/1258. 
  17. «Beta-glucuronidase deficiency in a dog: a model of human mucopolysaccharidosis VII». Pediatric Research 18 (10): 980–4. October 1984. doi:10.1203/00006450-198410000-00014. PMID 6436780. 
  18. «Molecular basis of feline beta-glucuronidase deficiency: an animal model of mucopolysaccharidosis VII». Genomics 58 (2): 121–8. June 1999. doi:10.1006/geno.1999.5825. PMID 10366443. 
  19. «Vectors with the gus reporter gene for identifying and quantitating promoter regions in Saccharomyces cerevisiae». Gene 154 (1): 105–7. February 1995. doi:10.1016/0378-1119(94)00845-J. PMID 7867935. 
  20. «UCSF Chimera--a visualization system for exploratory research and analysis». Journal of Computational Chemistry 25 (13): 1605–12. October 2004. doi:10.1002/jcc.20084. PMID 15264254. http://www.cgl.ucsf.edu/home/tef/pubs/chimera.pdf. 

Περαιτέρω ανάγνωσηΕπεξεργασία

 

Εξωτερικοί σύνδεσμοιΕπεξεργασία