Fosfopentosa epimerase

ribulosa-fosfat 3-epimerase
Dodekamer D-ribulosa-5-fosfat 3-epimerase, Francisella tularensis
Pengenal pasti
Nombor EC5.1.3.1
Nombor CAS9024-20-8
Pangkalan data
IntEnzLihat IntEnz
BRENDAEntri BRENDA
ExPASyLihat NiceZyme
KEGGEntri KEGG
MetaCycLaluan metabolik
PRIAMProfil
Struktur PDBRCSB PDB
PDBj
PDBe
PDBsum
Ontologi genAmiGO / EGO
Keluarga ribulosa-fosfat 3 epimerase
Pengenal pasti
SimbolRibul_P_3_epim
PfamPF00834
InterProIPR000056
PROSITEPDOC00833
SCOP1rpx
SUPERFAMILY1rpx

Fosfopentosa epimerase (juga dikenali sebagai ribulosa-fosfat 3-epimerase dan ribulosa 5-fosfat 3-epimerase, EC 5.1.3.1) yang dikodkan oleh gen RPE ialah metaloprotein yang memangkinkan pertukaran antara D-ribulosa 5-fosfat dan D-xilulosa 5-fosfat.[1]

Penukaran boleh balik ini diperlukan untuk penetapan karbon dalam tumbuhan melalui kitaran Calvin, dan fasa bukan oksidatif laluan pentosa fosfat.[2][3] Enzim ini juga telah terlibat dalam pertukaran pentosa dan glukuronat tambahan.

Dalam Cupriavidus metallidurans, dua salinan pengekodan gen untuk PPE diketahui,[4] satu (P40117) dikodkan secara kromosom, dan satu lagi (Q04539) ada di plasmid. PPE telah ditemui dalam pelbagai jenis bakteria, arkebakteria, kulat dan tumbuhan. Semua protein mempunyai 209 hingga 241 sisa asid amino. Enzim mempunyai struktur balang TIM.

Keluarga

Fosfopentosa epimerase tergolong dalam dua keluarga protein dengan hierarki yang semakin meningkat. Enzim ini tergolong dalam keluarga isomerase, khususnya rasemase dan epimerase yang bertindak ke atas karbohidrat dan terbitannya.[1] Selain itu, pangkalan data Pengelasan Struktur Protein telah mentakrifkan superkeluarga "pegnikat ribulosa fosfat", di mana epimerase ini merupakan ahlinya.[1] Protein lain yang termasuk dalam superkeluarga ini ialah 5'-monofosfat dekarboksilase (OMPDC), dan 3-keto-l-gulonat 6-fosfat dekarboksilase (KGPDC).

Struktur

Sehingga akhir 2007, 4 struktur telah diselesaikan untuk kelas enzim ini, dengan kod penyertaan PDB 1H1Y, 1H1Z, 1RPX dan 1TQJ.

Kajian kristalografi telah membantu menjelaskan struktur apoenzim fosfopentosa epimerase. Keputusan kajian ini telah menunjukkan bahawa enzim ini wujud sebagai homodimer dalam larutan.[5][6] Tambahan pula, fosfopentosa epimerase dilipat menjadi balang (β/α)8 triosafosfat isomerase (TIM) yang merangkumi gelungan.[2] Balang teras terdiri daripada 8 helaian selari yang membentuk helaian beta pusat, dengan struktur heliks terletak di antara helai berturut-turut. Gelung dalam struktur ini telah diketahui mengawal kekhususan substrat. Khususnya, gelung yang menghubungkan heliks α6 dengan helai β6 menutup tapak aktif apabila substrat diikat.[2]

Seperti yang dinyatakan sebelum ini, fosfopentosa epimerase ialah metaloenzim. Ia memerlukan kofaktor bagi kefungsian, dan mengikat satu kation logam divalen bagi setiap subunit.[7] Enzim ini telah ditunjukkan menggunakan Zn2+ terutamanya bagi pemangkinan bersama dengan Co2+ dan Mn2+.[2] Walau bagaimanapun, fosfopentosa epimerase manusia yang dikodkan oleh gen RPE adalah berbeza kerana ia secara utamanya mengikat Fe2+ dalam pemangkinan. Fe2+ diselaraskan secara oktahedron, dan menstabilkan molekul perantara tindak balas 2,3-enediolat yang diperhatikan dalam rajah.[2]

Tapak aktif

Kawasan gelung β6/α6 berinteraksi dengan substrat, dan mengawal akses ke tapak aktif. Phe147, Gly148, dan Ala149 dalam rantau ini menutup tapak aktif sebaik sahaja pengikatan berlaku. Di samping itu, ion Fe2+ diselaraskan terhadap His35, His70, Asp37, Asp175, dan oksigen O2 dan O3 substrat.[2] Pengikatan atom substrat di kation besi membantu menstabilkan kompleks semasa pemangkinan. Kajian mutagenesis juga telah menunjukkan bahawa dua asid aspartik terletak di dalam tapak aktif, dan membantu pemangkinan pengantara melalui tindak balas pemindahan 1,1-proton.[1] Asid aspartik ialah pemangkin asid/bes. Akhir sekali, sebaik sahaja ligan dilekatkan di tapak aktif, satu siri metionina (Met39, Met72 dan Met141) menyekat pergerakan selanjutnya melalui penyempitan.[8]

Mekanisme

Ini ialah mekanisme di mana fosfopentose epimerase menukar ribulosa 5-fosfat kepada xylulose 5-fosfat. Molekul perantara ialah 2,3-trans-enediolat.

Fosfopentosa menggunakan mekanisme pemangkin jenis asid/bes. Tindak balas berlaku sedemikian rupa sehingga trans-2,3-enediol fosfat terbentuk sebagai molekul perantaraan.[9][10] Kedua-dua asid aspartik yang disebutkan di atas bertindak sebagai penderma dan penerima proton. Kedua-dua Asp37 dan Asp175 ialah hidrogen terikat kepada kation besi di tapak aktif.[2] Apabila Asp37 dinyahproton, ia menyerang proton di karbon ketiga D-ribulosa 5-fosfat yang membentuk perantaraan.[11] Dalam langkah bersepadu, apabila Asp37 meraih proton, ikatan karbonil di substrat merebut proton kedua daripada Asp175 untuk membentuk kumpulan hidroksil. Kompleks besi membantu menstabilkan sebarang caj tambahan. C3 D-ribulosa 5-fosfat ialah atom yang mengalami epimerisasi ini, membentuk D-xilulosa 5-fosfat.[8] Mekanisme ini ditunjukkan dalam rajah.

Fungsi

Kitaran Calvin

Eksperimen mikroskop elektron dalam tumbuhan telah menunjukkan bahawa epimerase fosfopentose menyetempat di membran tilakoid kloroplas.[12] Epimerase ini mengambil bahagian dalam fasa ketiga kitaran Calvin yang melibatkan penjanaan semula ribulosa 1,5-bifosfat. RuBP ialah penerima karbon dioksida (CO2) dalam langkah pertama laluan, menunjukkan bahawa fosfopentosa epimerase mengawal fluks melalui kitaran Calvin. Tanpa penjanaan semula ribulosa 1,5-bifosfat, kitaran tidak akan dapat diteruskan. Oleh itu, xilulosa 5-fosfat ditukar secara berbalik menjadi ribulosa 5-fosfat oleh epimerase ini. Selepas itu, kinase fosforibulosa menukarkan ribulosa 5-fosfat kepada ribulosa 1,5-bifosfat.[11]

Laluan pentosa fosfat

Tindak balas laluan pentosa fosfat (PPP) berlaku dalam sitoplasma. Fosfopentosa epimerase secara khusus mempengaruhi bahagian bukan oksidatif laluan yang melibatkan pengeluaran pelbagai molekul gula dan prekursor.[2] Enzim ini menukarkan ribulosa 5-fosfat kepada epimer yang sesuai bagi tindak balas transketolase, xilulosa 5-fosfat.[11] Oleh itu, tindak balas yang berlaku dalam laluan pentosa fosfat adalah terbalik tepat dengan tindak balas yang berlaku dalam kitaran Calvin. Mekanismenya tetap sama, dan melibatkan pembentukan perantara enediolat.

Disebabkan penglibatannya dalam laluan ini, fosfopentosa epimerase ialah enzim penting dalam tindak balas sel terhadap tekanan oksidatif.[2] Penjanaan NADPH oleh laluan pentosa fosfat membantu melindungi sel daripada spesies oksigen reaktif. NADPH mampu mengurangkan glutation yang menyahtoksikkan badan dengan menghasilkan air daripada hidrogen peroksida (H2O2).[2] Oleh itu, bukan sahaja fosfopentosa epimerase mengubah fluks melalui PPP, tetapi ia juga menghalang pembentukan peroksida.

Evolusi

Struktur banyak analog fosfopentosa epimerase telah ditemui melalui kajian kristalografi.[13][14] Oleh kerana peranannya dalam kitaran Calvin dan laluan pentosa fosfat, struktur keseluruhannya dipelihara. Apabila jujukan organisma jauh evolusi dibandingkan, lebih daripada 50% persamaan diperhatikan.[15] Walau bagaimanapun, asid amino yang diletakkan dalam antara muka dimer yang terlibat dalam banyak interaksi antara molekul pula tidak semestinya dipelihara. Ia adalah penting untuk ambil perhatian bahawa ahli superkeluarga "ribulosa fosfat mengikat" terhasil daripada evolusi berbeza daripada nenek moyang balang (β/α)8.[1]

Penyasaran dadah dan malaria

Organisma protozoa Plasmodium falciparum ialah agen penyebab utama malaria. Fosfopentosa epimerase terlibat dalam laluan syikimat, laluan penting untuk penyebaran malaria.[16] Setelah enzim menukar ribulosa 5-fosfat kepada xilulosa 5-fosfat, ia dimetabolismekan lagi menjadi eritrosa 4-fosfat. Laluan syikimat kemudian menukarkan eriotrosa 4-fosfat kepada korismat.[16] Fosfopentosa epimerase bertanggungjawab dalam membolehkan Plasmodium falciparum menggunakan eritrosa 4-fosfat sebagai substrat. Disebabkan penglibatan enzim ini dalam laluan syikimat, enzim ini menjadi sasaran ubat berpotensi untuk membangunkan ubat antimalaria.

Rujukan

  1. ^ a b c d e "D-Ribulose 5-phosphate 3-epimerase: functional and structural relationships to members of the ribulose-phosphate binding (beta/alpha)8-barrel superfamily". Biochemistry. 45 (8): 2493–503. Feb 2006. doi:10.1021/bi052474m. PMID 16489742.
  2. ^ a b c d e f g h i j "Conversion of D-ribulose 5-phosphate to D-xylulose 5-phosphate: new insights from structural and biochemical studies on human RPE". FASEB Journal. 25 (2): 497–504. Feb 2011. doi:10.1096/fj.10-171207. PMC 6188353. PMID 20923965.
  3. ^ Mendz, George; Stuart Hazell (1991). "Evidence for a pentose phosphate pathway in Helicobacter pylori". FEMS Microbiology Letters. 84 (3): 331–336. doi:10.1111/j.1574-6968.1991.tb04619.x.
  4. ^ "The Calvin cycle enzyme pentose-5-phosphate 3-epimerase is encoded within the cfx operons of the chemoautotroph Alcaligenes eutrophus". Journal of Bacteriology. 174 (22): 7337–44. Nov 1992. doi:10.1128/jb.174.22.7337-7344.1992. PMC 207429. PMID 1429456.
  5. ^ "D-Ribulose-5-phosphate 3-epimerase: cloning and heterologous expression of the spinach gene, and purification and characterization of the recombinant enzyme". Plant Physiology. 118 (1): 199–207. Sep 1998. doi:10.1104/pp.118.1.199. PMC 34857. PMID 9733539.
  6. ^ "Purification, properties and assay of D-ribulose 5-phosphate 3-epimerase from human erythrocytes". The Biochemical Journal. 211 (3): 617–23. Jun 1983. doi:10.1042/bj2110617. PMC 1154406. PMID 6882362.
  7. ^ "Ribulose-phosphate 3-epimerase". UniProt. Dicapai pada 6 March 2013.
  8. ^ a b "Structure and catalytic mechanism of the cytosolic D-ribulose-5-phosphate 3-epimerase from rice". Journal of Molecular Biology. 326 (1): 127–35. Feb 2003. doi:10.1016/S0022-2836(02)01374-8. PMID 12547196.
  9. ^ Das, Debajoyti (1978). Biochemistry. Academic Publishers. m/s. 454–460.
  10. ^ "On the mechanism of the pentose phosphate epimerases". The Journal of Biological Chemistry. 247 (18): 5862–6. Sep 1972. doi:10.1016/S0021-9258(19)44837-0. PMID 4560420.
  11. ^ a b c Berg, Jeremy (2006). Biochemistry. WH Freeman and Company. m/s. 570–580. ISBN 978-0-7167-8724-2.
  12. ^ "Identification of a catalytic aspartyl residue of D-ribulose 5-phosphate 3-epimerase by site-directed mutagenesis". The Journal of Biological Chemistry. 274 (4): 2132–6. Jan 1999. doi:10.1074/jbc.274.4.2132. PMID 9890975.
  13. ^ "Cloning of the amphibolic Calvin cycle/OPPP enzyme D-ribulose-5-phosphate 3-epimerase (EC 5.1.3.1) from spinach chloroplasts: functional and evolutionary aspects". Plant Molecular Biology. 29 (6): 1279–91. Dec 1995. doi:10.1007/bf00020468. PMID 8616224.
  14. ^ "Structure of D-ribulose 5-phosphate 3-epimerase from Synechocystis to 1.6 A resolution". Acta Crystallographica Section D. 60 (Pt 9): 1687–90. Sep 2004. doi:10.1107/S0907444904015896. PMID 15333955.
  15. ^ "Chloroplast pentose-5-phosphate 3-epimerase from potato: cloning, cDNA sequence, and tissue-specific enzyme accumulation". FEBS Letters. 377 (3): 349–52. Dec 1995. doi:10.1016/0014-5793(95)01373-3. PMID 8549753.
  16. ^ a b "Structure of a ribulose 5-phosphate 3-epimerase from Plasmodium falciparum". Proteins. 62 (2): 338–42. Feb 2006. doi:10.1002/prot.20764. PMID 16304640.

Pautan luar