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Advances in structure and function of E.coli AspAT

E.coli天冬氨酸转氨酶结构与功能关系的研究进展



全 文 :! " #$%& 天冬氨酸转氨酶结构与功能关系的研究进展
严 明!,许 伟!,",陈 菲!!
(! #南京工业大学 制药与生命科学学院,南京 "!$$$%;
" #盐城工学院 化学工程系,盐城 ""&$$’)
摘 要:天冬氨酸转氨酶是转氨反应的高效催化剂,并且对细胞中氮和碳的代谢起到非常重要的作用。上世纪 %$
年代中期以来,从结构的水平上来分析 ! ( #$%& 天冬氨酸转氨酶的催化机理,以指导酶的改造研究已经成为国外的
研究热点。从酶的催化机理、序列及结构特点、活性中心残基组成以及基因多态性对结构和功能的影响四个方面,
综述近年来有关 ! ( #$%& 天冬氨酸转氨酶的研究现状。
关键词:天冬氨酸转氨酶;结构;基因多态性;突变
中图分类号:)*!& 文献标识码:+ 文章编号:!,-" . ’,-*("$$&)$’ . $$!& . $/
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天冬氨酸转氨酶(DMQDHNDN9 DI34>NHD4M@9HDM9,+MT
Q+O)广泛存在于植物、微生物及动物体内,在细胞
内氮和碳代谢过程中起到非常重要的作用。它主要
负责催化酸性氨基酸和!T酮酸之间的可逆反应,是
转氨反应的高效催化剂。通过辅酶在磷酸吡哆醛
(QJH3E>VD? QG>MQGDN9,FAF)和磷酸吡哆胺(QJH3E>VDI349
QG>MQGDN9,F2F)之间的转换来完成氨基的转运。随
着生物技术的发展,越来越多的研究人员通过分子
模拟等方法,从结构水平上来研究其催化机理,指导
对酶的改造和合理设计。本文将对这一领域进行综
述,以期为进一步的理论和应用研究提供参考。
5 催化机理
在生理条件下,+MQ+O 以 +MQ 和 Y?S 作为氨基
供体,草酰乙酸和酮戊二酸作为氨基受体。它可以
通过不同方式与两种类型的底物相互作用。在反应
过程中最重要的辅酶是 FAF,其 :T&’碳原子和酶活
! 收稿日期:"$$&T$/T!%
基金项目:国家 %-’项目("$$’:[-!,$$$)
作者简介:严 明,男,硕士,讲师,研究方向:蛋白质工程。
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生 物 加 工 过 程
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第 "卷第 ’期
"$$&年 *月
万方数据
性中心 !"#$%&的!’氨基之间共价结合,形成醛亚胺
的形式。其催化的转氨反应可以用下面的乒’乓机
理[(,$]来描述(方程 (、$)。
)*+,- ./+0 ( 1 2,3’4!4!"’526- ./+0 ( 1 2,3·474(()
"’526- ./+0 $ 1 2,3·474!)*+,- ./+0 $ 1 2,3’4!4($)
其中的 2,3’4!4和 2,3·474分别是酶与 4!4和
474结合形式。以 ! 8 "#$% )#9):为例,具体的催化
过程如下[;]:
上面的反应方程中:(.)辅酶 4!4与酶活性中心
的 !"#$%&残基形成质子化的内部醛亚胺;(<)酶的
底物天冬氨酸;(/)辅酶的 474形式;(0)由底物天
冬氨酸转化成的相应的酮酸。
! ! " "#$% )#9):的序列及结构特点
$ =( 序列的特点
(>&?年,@-,0-8@8 等[?]报道了 ! 8 "#$% 中的 )#’
9):完整的氨基酸序列,并比较得出其与鸟类和哺
乳类的序列同源性为 ?AB。(>&C年,他们对 ! 8 "#$%
)#9):的氨基酸序列进一步分析认为[%],! 8 "#$% )#’
9):单亚基含有 ;>D 个氨基酸残基,分子量为
?;%C;。其中,含有非极性残基 %%8&B,极性残基
??8$B,这些数值与小鸡以及猪线粒体中的同功酶
类似。而且通过实验证明在 ! 8 "#$% 酶中不存在二
硫键[%]。根据序列的同源性,)#9):#可被划分到转
氨酶 EF.## G[D]。)#9):#也可以根据序列同源性划分
为 C个亚类[C]。根据亚类成员的序列相似性,由高
到低依次为 G"’G#。! 8 "#$% )#9):属于亚类 G"。在亚
类 G"的成员之间,约有 ?AB以上的氨基酸残基相
同[&];相对于其它亚类的 )#9):#以及其它不同底物
特异性的转氨酶相比,亚类 G"的 )#9):# 已经广泛
深入地进行了研究[>]。
$ =$ 结构的特点
早期,对 ! 8 "#$% )#9):的研究是通过定点突变
实验来推测其结构。(>&D年,H*+6I等[(A]通过 J射
线衍射的方法得到它的三维结构。! 8 "#$% )#9):是
一个同型二聚体酶,有两个相同的亚基,每个亚基可
以划分成一个大结构域和一个小结构域[((]。KL.M2N
等[($]根据结构中各部分的功能再次进行划分,提出
每个亚基可以分为一个 O’末端臂(用于两个亚基之
间的相互联系,稳定酶的整体结构),一个大结构域
(用于结合辅酶),一个小结构域(用于结合底物)。
当酶与底物结合时,小结构域会朝着大结构域运动。
因此,结构域之间的界面组成很重要,并且在这些区
域一般都有高度保守的序列(见图 ()。
图 ( ! 8 "#$% )#9):单亚基的三维结构(4PQ GP:()7R)
S+M8( :I2 #T由图 (可以看出其主要结构由大结构域(!"#?D’
)NM;$>)和小结构域(4N-(D’F"#?% 和 GF2;;A’!2T?A>),
以及与另一个亚基相互作用的 O’末端臂(726%’
)#9(%)组成。大结构域是由有 C 股折叠片(D 个平
行的,(个反平行的)和 ((个螺旋组成,约占所有残
基的 CAB左右。小结构域主要由 ?个平行的螺旋,
两个小折叠片以及连接两个结构域的 E’末端长螺
旋构成。亚基的中心区域形成典型的"V$二级结
构。当两个亚基结合的时候,O’末端的长螺旋负责
与另一个亚基相互作用。亚基的表面由残基 %’($,
$AA?年 &月 严 明等:! & "#$% 天冬氨酸转氨酶结构与功能关系的研究进展 ·(%·
万方数据
!"#$%,&%"#&&%,&&’#&(",&!(#&!),("(#("",()*#*%( 组
成[&(],除了由 +,-("!的侧链引起的突起之外,其它
的地方是光滑的。此酶的二级结构是由 !$.螺旋
结构、(%.!#弯曲、&".!#折叠和 &$.无规卷曲组成
的。
! 活性中心的残基组成及作用
近年来,对 ! / "#$% +,0+1已经在结构水平上有
了更深入的研究[&*,&!],确认 ! / "#$% +,0+1有两个相
同的亚基,且活性中心位于亚基界面上。活性中心
的残基在不同的同功酶中具有高度的保守性[&2]。
每个亚基上都有与底物和辅酶的结合位点。+34*’"
和 +34()(是 ! / "#$% +,0+1活性中心中直接参与二
羧基底物识别的主要残基[&"],其主要原理是通过精
氨酸带正电的胍基与底物的羧基相互作用。在
! / "#$% +,0+1中,位于小结构域中的 +34*’"与位于
二聚体另一个亚基大结构域中的 +34()(分别与底
物的"#羧基和末端羧基相互作用。+,0+1以 565作
为辅酶,辅酶以 789:;; 碱的形式共价结合到活性中
心 6<,(2’残基上。通过辅酶在 565与 5=5之间的
转换,从而来促进转氨过程的完成。+,0(((可以与
565或 5=5辅酶上的 >(&)发生强烈的离子作用,并
稳定质子化的 >(&)以及加强辅酶的吸电子能力。
+,-&)!主要作用是与 565上的 ?*’形成氢键,来稳
定醛亚胺的构象(见图 ()。
图 ( ! / "#$% +,0+1的活性中心(5@A B@:&+7=)
C:4/( 19D E8F:GD ,:FD H; ! / "#$% +,0+1(5@A B@:&+7=)
由图 (可以看出 ! / "#$% +,0+1 与马来酸(酸性底
物的类似物)、辅酶 565复合的状态以及 565与 I(2’
所形成的醛亚胺结构和氢键体系。图中用单个字母
代码表示氨基酸残基,!表示来自另外一个亚基。
(=+J:马来酸;565:磷酸吡哆醛;虚线表示氢键)
" 基因多态性研究对其结构及功能的影响
自从得到 ! / "#$% +,0+1的晶体结构以来,越来
越多的科研人员通过突变残基对其三维结构的影响
来研究酶与辅酶,以及底物与酶的作用机理。并且,
通过这些研究从理论上来指导对酶的合理设计。近
年来,在这个领域的研究进展如下:
!/& 对活性中心残基突变的研究
酶的催化作用主要是通过活性中心的残基与底
物之间的相互作用来完成。因此,早期的科研人员
对酶进行改造,主要集中于对活性中心残基的研究。
! / "#$% +,0+1对酸性氨基酸底物的识别主要是
依靠活性中心的 K()(和 +34*’"与底物羧基之间的
电荷作用。对这两个重要的精氨酸进行突变后,会
使酶对天然底物的活性大幅下降。’% 年代末,
L3H-:-等[&$]通过对 ! / "#$% +,0+1的 K()(@突变,发
现突变酶在 +34 与 +,0 中优先选择 +34 作为底物,
而且对 +,0的催化效率大幅下降。后来,+MNH等[&’]
对 K()(@突变酶的结构进行了研究,发现把这个位
点突变为含有相反电荷的残基,由于残基的侧链与
主链两者重新定位而影响了对 +,0 的转氨活性。
@E-:,9D;,O< 等[&)]分别把活性中心的 +34*’" 突变为
1<3和 59D,发现突变后使其对天然底物的催化活性
下降超过了 2 个数量级。=:PQ4Q89: 等[(%]通过对
! / "#$% +,0+1的 K*’"R和 K*’"C突变酶的结构进行
了研究,发现对这个 +34残基进行突变,会部分地破
坏 565#>&)!#K*’"氢键连接体系,从而影响 6<,(2’
与 565形成的 789:;; 碱的 0IE 值,改变酶活性中心
的结构。主要原因可能是 565#6<,(2’的扭角变动,
因为它是控制醛亚胺 0IE值的主要因素。
在转氨过程中,辅酶是氨基的载体。因此对与
辅酶直接作用的残基进行突变后,也会对酶的活性
或底物特异性造成很大的影响。7N:F9 等[(&]对
! / "#$% +,0+1 进行了 I(2’+ 突变,发现突变酶与
565结合形式的活性(以 +,0作为底物),还不到野
生型酶的 &%#"倍。通过对突变酶的三维结构的分析
表明,与辅酶 565形成 789:;;碱的 6<,(2’突变成 +ME
后,酶不再以共价键的形式与 565 结合,而是通过
氢键或盐桥与其周围残基的侧链或主链原子相互作
用。S:EO等[((]对 ! / "#$% +,0+1进行 I(2’T突变,发
现突变酶只保留了部分催化能力。对 +,0、UMQ的活
性相应的下降了 *个数量级,而对于 (#酮戊二酸则
·&"· 生物加工过程 第 (卷第 *期
万方数据
下降了 ! 个数量级。"#$#%&’()*+& 等[,-]通过对
.,!/0突变酶的晶体结构进行研究,发现 .,!/0突
变酶的平衡有点向“12(3”构象移动。用 0*%残基代
替活性中心的 .,!/后,为了容纳咪唑环,酶的结构
发生了局部的变化。其中,咪唑基可能参与了醛亚
胺4酮亚胺的异构作用。在很多生物的 5%256 中,
5%2,,,具有高度的保守性。它位于可以与 787 或
7"7辅酶上的 9(:)产生强烈的离子作用的范围内。
通过 ;,,,<突变,发现 787形式的突变酶以 5%2为
底物时,仍然保持较高的活性。但是,;,,,5 或
;,,,9突变酶,其活性分别下降了 /===和 ,====倍。
这些发现表明[,>],,,,位点的负电荷残基对氨基酸
底物!4质子的消除非常重要并且能加速反应。
5%2,,,可以把辅酶限制在活性中心来发挥其作用,
并稳定质子化的 9(:)以及加强辅酶的吸电子能力。
>?, 对非活性中心残基的突变研究
随着对酶的催化机理的深入研究,很多科研人
员发现,只通过突变活性中心的一、两个残基很难对
酶的催化功能进行彻底改造,达到预期的目标。而
且实验证明,非活性中心的保守残基在酶的催化功
能中也担任着重要的角色。
很多研究人员通过对多个保守残基的联合突
变,来改变酶的底物特异性,并且已经取得了一定的
效果。"#$#%&’()*+&等[,!]突变 ! ? "#$% 5%256的六个
残基,在没有降低对 5%2的转氨活性的前提下,大大
提高了突变酶对 6@A的转氨活性。主要是由于残基
的侧链性质不同以及微小的空间重排造成的。B#34
%13*C% 等[,D]通过对 5%256 的 E,,!F G F-/D5 共同突
变,发现其对酸性氨基酸的活性下降了三个数量级,
而"4脱羧基酶活 G转氨酶活的比例增加了 D!====
倍。对突变酶晶体结构的分子动力学模拟表明,其
主要原因是有一个新的氢结合到 7874底物复合物
的亚胺 9原子上,并且改变了底物"4羧基周围的静
电势。HC( 等[,I]对 ! ? "#$% 5%256的 :I个氨基酸残
基进行了突变(56J:I),发现其对"4支链氨基酸活
性大大增加而对天然底物的活性则有所下降。K#+4
+# 等[,/]为了改变 ! ? "#$% 5%256的底物专一性,依次
用 0*%取代几个非极性活性中心的残基。进行 L:I0
和 K-I0的突变酶对芳香族氨基酸的转氨活性大约
降低了 :==倍,而对酸性氨基酸的活性分别降低了
,=M和 D=M。这些结果似乎是由新引入的 0*%残基
的质子化引起的。
! 结语与展望
作者对近年来有关 ! ? "#$% 5%256催化机理、结
构与功能关系等方面大量文献进行了分析和总结,
为此酶的应用研究及合理设计提供有价值的参考。
本实验室对 ! ? "#$% 5%256进行了长期的研究,
利用此酶生产 84氨基酸,并已经实现了工业化。目
前,正在开展一系列关于 5%256 的应用和理论研
究,包括定向进化(;95 %&CNN$*3O技术),酶的特异性
改造,以及通过定点突变合理设计高稳定性的 5%4
256。作者正在利用计算机技术及生物信息学的方
法,从分子水平上对酶的结构功能和催化机理进行
研究,进一步设计具有高催化活力和高稳定性的酶。
随着蛋白质的结晶技术、成像技术的发展,酶的晶体
结构数据资源将会以前所未有的速度迅猛增长。这
将为该领域的科研工作者提供更广阔的空间,更有
利于酶的合理设计,从而促进生物催化工程的发展。
参考文献:
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·:>· 生物加工过程 第 <卷第 K期
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