Glikozid-hidrolaza

Glikozid hidrolaze – glikozidaze ili glikozil-hidrolaze – pomažu u hidrolizi glikozidnih veza u složenim šećerima.^[1]^[2]^[3]

To su krajnje rasprostranjeni enzim, čija uloga u prirodi uključuje degradaciju biomase kao što su celuloza i hemiceluloza, u strategiji antibakterijske odbrane (tj. lizozima), u mehanizmima patogeneze (kao virusne neuraminidaze) i u normalnim ćelijskim funkcijama (kao u programiranju manozidaza koje su uključene u biosintezu N-vezanih glikoproteina. skupa sa glikoziltransferazama, glikozidaze formiraju glavne katalitske mehanizme za sintezu I kidanje glikozidnih veza.

Rasprostranjenje i značaj

Glikozid-hidrolaze se nalaze u suštini svih domena života. U prokariotima se javljaju i kao unutarćelijski i vanćelijski enzimi koji su u velikoj mjeri uključeni u akviziciju hranljivuh tvari. Jedna od važnih varijanti glikozid-hidrolaza u bakterija je enzim beta-galaktozidaza (LacZ), koji je uključen u regulaciju ekspresije lac operona kod E. coli. U viših organizama, glikozid-hidrolaze se nalaze u endoplazmatskom retikulumu i Golgijevom aparatu gdje su uključene u obradu N-vezane glikoproteine i u lizosome, kao enzimi koji učestvuju u razgradnji ugljikohidratnih struktura. Nedostatak u specifičnim lizosomnnim glikozid-hidrolazama može dovesti do niza poremećaja lizosomnog skladištenja, koji izaziva problema u razvoju ili smrt. Glikozid-hidrolaze se nalaze u probavnom traktu i u pljuvački, gdje su rarlažu složene ugljikohidrata, kao što su laktoza, škrob, saharoza i trehaloza. U crijevima se nalaze kao glikozilfosfatidl vezani enzimi na endotelnim ćelijama. Za razgradnju mliječnog šećera laktoze, potreban je enzim laktaza, koja je na visokoj razini prisutna u novorođenčadi, ali u većini populacija se smanjuje nakon odbijanja ili u začetku, što potencijalno dovodi do netolerancije laktoze u odraslim dobima. Enzim O-GlcNAkaza je uključen u uklanjanje N-acetilglukozaminske grupe serini i treoninskog ostataka u citoplazmi i ćelijskom jedru. Glikozid-hidrolaze su uključene u biosintezu i degradaciju glikogena u organizmu.

Klasifikacija

Glikozid-hidrolaze su svrstane u kategoriju EC 3.2.1 kao enzimi koji katalizuju hidrolizu O- ili S-glikozida. Mogu se svrstati i u skladu sa stehiometrijskim ishodom hidrolizne reakcija: na taj način mogu biti enzimi retencije ili reverzije.^[4] Glikozid-hidrolaze se mogu klasificirati kao egzo- ili endo djelujuće, ovisno o tome da li djeluju na (obično nereducirajući) kraj ili sredinu datog oligo/polisaharidnog lancs. Glikozid-hidrolaze se mogu svrstati metodama koje se zasnivju na svojstvim sekvence ili strukture.^[5]

Klasifikacija na osnovu sekvenci

Klasifikacije koja je zasnovana na strukturi sekvenci je među najmoćnijim intuitivnim metodima za predlaganje moguće funkcije za novootkrivenih enzima, koje ranije nisu biohemijski dokazane. Klasifikacijski sistem za glikozilna-hidrolaze, na osnovu sličnosti sekvenci, doveo je do definicije više od 100 različitih enzimskih porodica.^[6]^[7]^[8] Ova klasifikacija je dostupna na web stranici Cazy^[5]^[9] (aktivni enzimi za ugljikoidrate), gdje je baza podataka koja nudi niz redovito ažuririh sekvenci na osnovu klasifikacije koja omogućava pouzdano predviđanje mehanizma (zadržavanje/inverzija), aktivnih mjesta ostataka i mogućih podloga. Online baze podataka podržava CAZypedia,^[10] online enciklopedija ugljenih hidrata aktivnih enzima, na osnovu trodimenzionzijske sličnosti struktura. Porodice sekvenci su zasnovane na svrstavanju u klanove povezanih struktura. Nedavni napredak u analizi glikzidaznih sekvenci i odnosa 3D struktura, omogućio je predlaganje produžene hijerarhijske klasifikaciju glikozid-hidrolaza.^[11]^[12]

Mehanizmi

Inverzna glikozid hidrolaza

Invertirajući enzimi koriste dva, obično carboksilatna, enzimska ostatka, koji se ponašaju kao kiseline i baze, kao što je prikazano u nastavku za β-glukozidaze:

Retencijska glikozid-hidrolaza

Retencijske glikozidaze djeluju u mehanizmu od dva koraka, a svaki korak rezultira u inverziji, za mežu retencije stehiometrije. Opet su uključena dva ostatka, koji su obično nastali od enzimskog karboksilata. Jedan se ponaša kao nukleofil, a drugi kao kiselina/baza. U prvom koraku nukleofil napada anomerni centar, što rezultira u formiranju međuprodukta glikozil enzima, sa kiselinskom pomoći pod uticajem kiselih karboksilata. U drugom koraku, sada deprotonirani kiseli carboksilati, djeluju kao baze i pomažu nukleofilnoj vodi da hidrolizira međuprodukt glikozil enzima, dajući hidrolizirani proizvod. U nastavku je mehanizam za lizozim kokošjeg bjelanceta.^[13]

Alternativni mehanizam za hidrolize sa retencijom stereohemije može se javiti putem nukleofilnog ostatka koji je vezan za podlogu, a ne za enzim. Takvi mehanizmi su zajednički za određene N-acetilheksosaminidaze, koje imaju acetamido grupu, sa učešćem susjednih grupa sa kojima formiraju međuproizvod oksazolin ili oksazolinijski ion. Mehanizam se i ovdje odvija u dva koraka, putem individualne inverzije koja dovodi do mreže kofiguracijske retencije.

Nomenklatura i primjeri

Glikozid-hidrolaze se obično nazvaju po podlozi na koju djeluju. Tako glulozidaze kataliziraju hidrolizu glikozida, a ksilanaza katalizira razlaganje ksiloze na bazi homopolimernog ksilana. Ostali primjeri uključuju laktazu, amilaza, hitinazu, saharozu, maltozu, neuramnidazu, invertazu, hujaluronidazu i lizozim.

Upotreba

Glikozid-hidrolaze imaju razne namjene, uključujući razlaganje biljnog materijala (npr. celulaze za prtvaranje celuloze u glukozu, koja se može koristiti za proiizvodnju etanola), u prehrambenoj industriji (invertaza za proizvodnju invertnog šećera, amilaza za proizvodnju maltodekstrina), te u industriji celuloze i papira (ksilanaze za odvajanje hemiceloze od celuloze). Celulaze se dodaju deterdžentima za pranje pamučnih tkanina i pomažu održavanju boje kroz uklanjanje mikrovlakana koja se podižu sa površine niti za vrijeme trošenja. U organskoj hemiji, glikozid-hidrolaze se mogu koristiti kao sintetski katalizatori za formiranje glikozidne veze ili za obrnutu hidrolizu (kinetički pristup), gdje se ukida ravnotežni položaj. Alternativa je transglikozacija (kinetički pristup) pri čemu retencija glikozid-hidrolaze može katalizirati transfer glikozilne polovine aktiviranog glikozida na akceptor alkohola, pri čemu se dobija novi glikozid.

Mutantna glikozid-hidrolaze naziva se glikosintaza, a mogu omogućiti sintezu glikozida u visokim prinosom aktiviranog donora glikozila, kao što su glikozil-fluoridi. Glikosintaze se obično formiraju od retencijske glikozid-hidrolaze putem usmjerenog mjesta mutageneze enzimskog nukleofila na neke druge manje nukleofilne grupa, kao što su alaninske ili glicinske. Druga grupa mutanata glikozid-hidrolaze nazvaju se tioglikoligaze koje mogu biti formirane putem usmjerene mutageneze kiselo-baznih ostataka retencijske glikozid-hidrolaze. Tioglikoligaze kataliziraju kondenzaciju aktiviranog glikozida i raznih akceptora koji sadrže tiol.

Inhibitori

Za mnoge spojeve se zna da mogu djelovati kao inhibitori aktivnosti glikozid-hidrolaza. U prirodi se mogu nači heterociklusi koji sadrže dušik u 'šećernom obliku', uključujući i dezoksinojirimicin, svainsonin, australin i kastanospermin. Od ovih prirodnih obrazaca, razvijeni su mnogi drugi inhibitori, uključujući i izofagomin i dezoksigalaktonojirimicin i razni nezasićeni spojevi, kao što su PUGNAc. Inhibitori koji su u kliničkoj upotrebi uključuju anti-dijabetesne lijekove akarboza i miglitol i antivirusnie lijekove oseltamivir i zanamivir. Pronađeno je neki proteini djeluju kao inhibitori glikozid-hidrolaza.

Također pogledajte

Reference

^ Alberts B.; et al. (2002). Molecular Biology of the Cell, 4th Ed. Garland Science. ISBN 0-8153-4072-9. Eksplicitna upotreba et al. u: |author= (pomoć)
^ Voet D., Voet J. G. Biochemistry, 3rd Ed.[publisher= Wiley. ISBN 978-0-471-19350-0.
^ Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Eds. (2005). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB) Sarajevo. ISBN 9958-9344-1-8.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)
^ Sinnott, M. L. "Catalytic mechanisms of enzymatic glycosyl transfer". Chem. Rev. 1990, 90, 1171-1202.^{[mrtav link]}
^ ^a ^b "CAZy Family Glycoside Hydrolase". Arhivirano s originala, 27. 9. 2013. Pristupljeno 29. 6. 2016.
^ Henrissat B, Callebaut I, Mornon JP, Fabrega S, Lehn P, Davies G (1995). "Conserved catalytic machinery and the prediction of a common fold for several families of glycosyl hydrolases". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 92 (15): 7090–7094. doi:10.1073/pnas.92.15.7090. PMC 41477. PMID 7624375.CS1 održavanje: upotreba parametra authors (link)
^ Henrissat B, Davies G (1995). "Structures and mechanisms of glycosyl hydrolases". Structure. 3 (9): 853–859. doi:10.1016/S0969-2126(01)00220-9. PMID 8535779.CS1 održavanje: upotreba parametra authors (link)
^ "Bairoch, A. "Classification of glycosyl hydrolase families and index of glycosyl hydrolase entries in SWISS-PROT". 1999". Arhivirano s originala, 25. 5. 2011. Pristupljeno 29. 6. 2016.
^ Henrissat, B. and Coutinho P.M. "Carbohydrate-Active Enzymes server". 1999.
^ CAZypedia, an online encyclopedia of carbohydrate-active enzymes.
^ Naumoff, D.G. "Development of a hierarchical classification of the TIM-barrel type glycoside hydrolases". Proceedings of the Fifth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure. 2006, 1, 294-298.
^ Naumoff, D.G. (2011). "Hierarchical classification of glycoside hydrolases". Biochemistry (Moscow). 76 (6): 622–635. doi:10.1134/S0006297911060022. PMID 21639842.
^ Vocadlo D. J.; Davies G. J.; Laine R.; Withers S. G. (2001). "Catalysis by hen egg-white lysozyme proceeds via a covalent intermediate". Nature. 412 (6849): 835–8. doi:10.1038/35090602. PMID 11518970.

Vanjski linkovi

Cazypedia, an online encyclopedia of the "CAZymes," the carbohydrate-active enzymes and binding proteins involved in the synthesis and degradation of complex carbohydrates
Carbohydrate-Active enZYmes Database
ExPASy classification Arhivirano 30. 4. 2011. na Wayback Machine
Glycoside hydrolases na US National Library of Medicine Medical Subject Headings (MeSH)

Logo Commonsa

Sugar hydrolases na Wikimedia Commonsu.

[<"Alberts"-1] Alberts B.; et al. (2002). Molecular Biology of the Cell, 4th Ed. Garland Science. ISBN 0-8153-4072-9. Eksplicitna upotreba et al. u: |author= (pomoć)

[Volet-Volet-2] Voet D., Voet J. G. Biochemistry, 3rd Ed.[publisher= Wiley. ISBN 978-0-471-19350-0.

[Bajrović-3] Bajrović K, Jevrić-Čaušević A., Hadžiselimović R., Eds. (2005). Uvod u genetičko inženjerstvo i biotehnologiju. Institut za genetičko inženjerstvo i biotehnologiju (INGEB) Sarajevo. ISBN 9958-9344-1-8.CS1 održavanje: više imena: authors list (link)

[4] Sinnott, M. L. "Catalytic mechanisms of enzymatic glycosyl transfer". Chem. Rev. 1990, 90, 1171-1202.^{[mrtav link]}

[CAZy-5] "CAZy Family Glycoside Hydrolase". Arhivirano s originala, 27. 9. 2013. Pristupljeno 29. 6. 2016.

[PUB00004870-6] Henrissat B, Callebaut I, Mornon JP, Fabrega S, Lehn P, Davies G (1995). "Conserved catalytic machinery and the prediction of a common fold for several families of glycosyl hydrolases". Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 92 (15): 7090–7094. doi:10.1073/pnas.92.15.7090. PMC 41477. PMID 7624375.CS1 održavanje: upotreba parametra authors (link)

[PUB00005266-7] Henrissat B, Davies G (1995). "Structures and mechanisms of glycosyl hydrolases". Structure. 3 (9): 853–859. doi:10.1016/S0969-2126(01)00220-9. PMID 8535779.CS1 održavanje: upotreba parametra authors (link)

[8] "Bairoch, A. "Classification of glycosyl hydrolase families and index of glycosyl hydrolase entries in SWISS-PROT". 1999". Arhivirano s originala, 25. 5. 2011. Pristupljeno 29. 6. 2016.

[9] Henrissat, B. and Coutinho P.M. "Carbohydrate-Active Enzymes server". 1999.

[10] CAZypedia, an online encyclopedia of carbohydrate-active enzymes.

[11] Naumoff, D.G. "Development of a hierarchical classification of the TIM-barrel type glycoside hydrolases". Proceedings of the Fifth International Conference on Bioinformatics of Genome Regulation and Structure. 2006, 1, 294-298.

[12] Naumoff, D.G. (2011). "Hierarchical classification of glycoside hydrolases". Biochemistry (Moscow). 76 (6): 622–635. doi:10.1134/S0006297911060022. PMID 21639842.

[13] Vocadlo D. J.; Davies G. J.; Laine R.; Withers S. G. (2001). "Catalysis by hen egg-white lysozyme proceeds via a covalent intermediate". Nature. 412 (6849): 835–8. doi:10.1038/35090602. PMID 11518970.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]