新聞中心
NEWS CENTER

Molecular Catalysis：腈水合酶的激活蛋白的研究進展

  • 分類：行業動態
  • 發布時間：2024-09-23 10:36
  • 訪問量：

【概要描述】腈水合酶（NHase, EC 4.2.1.84）是一種非常有價(jia) 值的生物催化劑，能夠在溫和的條件下將腈類化合物轉化為(wei) 相應的酰胺類化合物。

Molecular Catalysis：腈水合酶的激活蛋白的研究進展

【概要描述】腈水合酶（NHase, EC 4.2.1.84）是一種非常有價(jia) 值的生物催化劑，能夠在溫和的條件下將腈類化合物轉化為(wei) 相應的酰胺類化合物。

  • 分類：行業動態
  • 發布時間：2024-09-23 10:36
  • 訪問量：
詳情

腈水合酶（NHase, EC 4.2.1.84）是一種非常有價(jia) 值的生物催化劑，能夠在溫和的條件下將腈類化合物轉化為(wei) 相應的酰胺類化合物。

很多研究團隊通過計算和實驗研究解析了腈水合酶的催化機製，截至目前，仍存在較大的爭議。現階段被大家廣泛接受的催化機製主要有以下四種：

1. 腈水合酶的催化機製

其中三種催化機製a-c均建立在推測之上，並沒有直接的、強有力的依據。而催化機製d則是通過解析腈水合酶複合物的晶體結構發現的，在PtNHase中，被氧化為半胱氨酸-次磺酸的第113位氨基酸殘基作為親核試劑可以直接攻擊與金屬離子配位的底物，並形成共價結合的酰亞胺中間體，一旦發生質子轉移，過渡態產物酰亞胺上的碳原子(pathway B)或αCys113(pathway A)在受到水分子的親核攻擊時，酰亞胺最終異構化為酰胺。

利用腈水合酶作為(wei) 生物催化劑生產(chan) 的酰胺類產(chan) 品在工業(ye) 、農(nong) 業(ye) 及醫藥等領域有著極大的應用價(jia) 值。目前，腈水合酶可用於(yu) 生產(chan) 丙烯酰胺和煙酰胺等小體(ti) 積酰胺化合物，這類化合物已作為(wei) 大宗化學品廣泛使用。未來，腈水合酶還可用於(yu) 合成大體(ti) 積酰胺類化合物，這類化合物通常是高價(jia) 值藥品的原料及醫藥中間體(ti) ，具體(ti) 圖2所示：

圖2. 高價值酰胺類化合物及應用

腈水合酶基因簇上的激活蛋白能夠促進NHase的成熟，從(cong) 而影響NHase的催化能力。本篇綜述概述了激活蛋白在機製、能量利用、靈活性和表達等方麵的最新研究進展。

一、激活蛋白促進NHase成熟的機製

來自不同微生物的NHase基因簇排列方式不同，不同的基因排列方式會(hui) 呈現出NHase成熟的不同機製，文中展現了多種編碼NHase基因的基因簇，如圖3所示，其中編碼NHase的典型基因簇為(wei) 圖3A和圖3B。NHase的成熟需要NHase形成結合金屬的活性中心，NHase基因簇表達出的激活蛋白主要負責捕獲金屬離子並運輸到活性中心，通過亞(ya) 基之間的調整，從(cong) 而激活NHase。

圖3. 不同NHase基因簇的組成
本篇綜述將激活蛋白促進NHase成熟的機製分為兩種，一種是借助激活蛋白的自然成熟機製，另一種是通過亞基融合的成熟機製。

在NHase自然成熟機製中，根據活性中心結合的金屬離子差異，NHase又可分為(wei) Co-NHases和Fe-NHases。本綜述論述了如圖4A-F所示的5種自然成熟機製，圖中藍色的球代表了Fe離子，紫色的球代表了Co離子，激活蛋白用‘γ’表示。詳細的自然成熟機製如表1所示，表中提及的“亞(ya) 基自身交換”指的是通過α-亞(ya) 基上去質子化的Cys-SO2-、Cys-SO-和β-亞(ya) 基上的兩(liang) 個(ge) 精氨酸(R52和R157)之間的鹽橋作用實現亞(ya) 基自身交換。

圖4. NHase的成熟機製

表1. NHase的自然成熟機製

表2. NHase亞(ya) 基融合的成熟機製

二、激活蛋白在金屬離子轉運過程中充當NTPase的角色

大多數的金屬運輸過程是和能量耦合的，這就意味著某些酶的激活需要核苷酸水解酶（NTPase）的參與。通過分析激活蛋白的結構和功能，發現激活蛋白具有NTPase功能，該功能能夠促進金屬離子的吸收和運輸，導致NHase活化。
Fe-NHase具有G3E P-loop結構域，該結構域為GTPase的結構特征，同時GTPase屬於G3E NTPase家族，所以根據Fe-NHase結構確定Fe-NHase具有NTPase功能，能夠結合並水解三磷酸鳥苷(GTP)。Co-NHase的基因和結構與Fe-NHase相似性很低，呈現出了ATPase(水解ATP)以及GTPase活性，其中ATPase活性更高。
Fe-NHase金屬酶的成熟過程如圖5所示：激活蛋白首先與α-亞基之間形成絡合物，然後GTP可以幫助鐵離子結合到α-亞基，加速了腈類物質的水合作用。最後，通過“亞基自身交換”，實現成熟的α-亞基替代脫輔基α-亞基。

圖5. 在Fe-NHase成熟過程中G3E P-loop GTPase的假設作用
在某些條件下金屬離子的引入不需要額外的能量，NHase能夠自發激活金屬所在的活性中心的特定狀態時，不需要NTP；體內NTP以分子伴侶蛋白的作用促使NHase重新折疊成活性狀態時，NHase也不需要體外提供能量的NTP。

三、NHase激活蛋白的靈活性

NHase激活蛋白的靈活性分為作用機製靈活性和位點靈活性。激活蛋白的作用機製靈活性又分為① NHase基因簇內不同的基因排列意味著NHase的不同的自然成熟機製或亞基融合後的成熟機製；② NHase在體內和體外會采用不同的成熟機製，將來源於R. rhodochrous J1的脫輔基NHase、脫輔助因子的激活蛋白和鈷離子在體外混合後，得到低活性的NHase，在相同的情況下，NHase在體內卻具有活性；③ 激活蛋白在NHase成熟中扮演了分子伴侶蛋白、金屬伴侶、NTPase等多種角色，如圖6所示。
圖6. 激活蛋白在NHase成熟中扮演的角色
NHase激活蛋白具有多種功能，每種功能在激活蛋白上有不同的結合位點。此外，激活蛋白的分子量較低，所以他具有一定程度的位點靈活性，特別是Co-NHase的激活蛋白。利用點突變更改了激活蛋白中的保守位點後，一些激活蛋白突變體並不會影響NHase的活性。更改激活蛋白的α-螺旋後，NHase的活性顯著下降。所以激活蛋白具有相對的位點靈活性和結構依賴性。
根據激活蛋白具有的位點靈活性和結構依賴性，可以判斷NHase激活蛋白是通過具有一定特征的結構促進半胱氨酸氧化，從而激活NHase。
四、NHase激活蛋白的表達
NHase激活蛋白的表達水平受到調節因子，碳源代謝物，金屬離子，低營養水平和基因融合等因素的影響。

 

文章來源：

作者信息：周哲敏：http://biotech.jiangnan.edu.cn/szdw1/jzyg/zg1/zzm.htm

研究方向：發酵工程、酶催化轉化。

原文鏈接：http://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2468823124004905?via%3Dihub.

 

 
- END -
×

搜索

搜索
×