Ионы металлов как кофакторы ферментов


Кофакторы – ионы металлов — Студопедия

Более 25 % всех ферментов для проявления полной каталитической активности нуждается в ионах металлов. Рассмотрим их роль в ферментативном катализе.

Роль металлов в присоединении субстрата в активном центре фермента. Ионы металла выполняют функцию стабилизаторов молекулы субстрата, активного центра фермента и конформации белковой молекулы фермента, а именно третичной и четвертичной структур.

Ионы металлов – стабилизаторы молекулы субстрата. Для некоторых ферментов субстратом служит комплекс превращаемого вещества с ионом металла. Например, для большинства киназ в качестве одного из субстратов выступает не молекула АТФ, а комплекс Mg2+-АТФ. В этом случае ион Mg2+ не взаимодействует непосредственно с ферментом, а участвует в стабилизации молекулы АТФ и нейтрализации отрицательного заряда субстрата, что облегчает его присоединение к активному центру фермента.

Схематично роль кофактора при взаимодействии фермента и субстрата можно представить как комплекс E-S-Me, где Е – фермент, S – субстрат, Ме – ион металла.

Ионы металлов – стабилизаторы активного центра фермента.В некоторых случаях ионы металлов служат «мостиком» между ферментом и субстратом. Они выполняют функцию стабилизаторов активного центра, облегчая присоединение к нему субстрата и протекание химической реакции. В ряде случаев ион металла может способствовать присоединению кофермента. Перечисленные выше функции выполняют такие металлы, как Mg2+, Mn2+, Zn2+, Co2+, Mo2+. В отсутствие металла эти ферменты активностью не обладают. Такие ферменты получили название «металлоэнзимы».


К металлоэнзимам относят, например, фермент пируват- киназу.


Роль металлов в стабилизации структуры фермента. Ионы металлов обеспечивают сохранение вторичной, третичной, четвертичной структуры молекулы фермента. Такие ферменты в отсутствие ионов металлов способны к химическому катализу, однако они нестабильны. Их активность снижается и даже полностью исчезает при небольших изменениях рН, температуры и других незначительных изменениях внешнего окружения. Таким образом, ионы металлов выполняют функцию стабилизаторов оптимальной конформации белковой молекулы.

Иногда в стабилизации вторичной и третичной структуры принимают участие ионы щёлочноземельных металлов. Так, для поддержания третичной конформации пируваткиназы необходимы ионы К+.

Для стабилизации четвертичной структуры алкогольдегидрогеназы, катализирующей реакцию окисления этанола, необходимы ионы цинка.

Структурная биохимия / ферменты / кофакторы - Викиучебники, открытые книги для открытого мира

Из Wikibooks, открытые книги для открытого мира

Перейти к навигации Перейти к поиску
Найдите Структурная биохимия / фермент / кофакторы в одном из родственных проектов Викиучебника: Викиучебник не имеет страницы с таким точным названием.

Другие причины, по которым это сообщение может отображаться:

  • Если страница была создана здесь недавно, она может быть еще не видна из-за задержки обновления базы данных; подождите несколько минут и попробуйте функцию очистки.
  • Заголовки в Викиучебниках чувствительны к регистру , кроме первого символа; пожалуйста, проверьте альтернативные заглавные буквы и подумайте о добавлении перенаправления здесь к правильному заголовку.
  • Если страница была удалена, проверьте журнал удалений и просмотрите политику удаления.
.

Влияние ионов металлов, химических агентов и органических соединений на активность лигноцеллюлолитических ферментов

1. Введение

Лигноцеллюлолитические ферменты включают целлюлазы, гемицеллюлазы и лигниназы, которые соответственно разрушают целлюлозу, гемицеллюлозу и лигнин, основные составляющие клеточной стенки растений. которые в совокупности называются лигноцеллюлоза. Целлюлазы используются во многих отраслях промышленности, таких как текстиль [1], моющие средства [2], корм для животных и винификация [2–5].В последние годы способность этих ферментов осахаривать целлюлозу из лигноцеллюлозных остатков широко изучалась с целью использования глюкозы для производства целлюлозного этанола [6]. Гемицеллюлазы используются для биобесцвечивания крафт-целлюлозы для производства бумаги [7, 8], биокларификации фруктовых соков [9] и получения сахаров C5 и C6 из остатков лигноцеллюлозы в контексте производства этанола второго поколения [10]. Наконец, лигниназы используются в бумажной, текстильной, косметической и фармацевтической промышленности, в биоремедиации и очистке сточных вод [11, 12], в органическом синтезе и в биологической предварительной обработке остатков лигноцеллюлозы [13], которые будут использоваться для производства целлюлозного этанола.

Многие исследования выяснили, как целлюлазы связываются со своими субстратами, а также их каталитические механизмы [14-17]. Также были изучены способы действия гемицеллюлаз и лигниназ [18, 19]. Знания об этих активаторах и ингибиторах ферментов также актуальны, в основном, в контексте промышленного применения. Ионы металлов, например, влияют на активность этих ферментов и могут присутствовать в воде и / или других реагентах, используемых в промышленных процессах, или могут возникать в результате коррозии оборудования [20].Однако механизмы интерференции изучены недостаточно. Также отсутствуют данные, подтверждающие, происходит ли ингибирование или активация через аллостерический или неаллостерический механизм. Итак, в этой главе представлен краткий обзор основных активаторов и ингибиторов лигноцеллюлолитических ферментов, которые кратко представлены на рисунке 1.

Рисунок 1.

Общее распределение активаторов и ингибиторов лигноцеллюлаз. HMF фурфурол: гидроксиметилфурфурол; LPMO: литические полисахаридмонооксигеназы; XEGIP: белки-ингибиторы ксилоглюкан-эндо-β-глюканазы; XOS: ксилоолигосахариды; SDS: додецилсульфат натрия; ТАКСИ: Т.ингибитор ксиланазы; XIP: белок-ингибитор ксиланазы; TLXI: тауматин-подобный ингибитор ксиланазы.

2. Целлюлазы

Целлюлазы - это гликозидгидролазы, продуцируемые в основном микроорганизмами, особенно мицелиальными грибами. Микробные целлюлазы включают эндоглюканазы, экзоглюканазы и β-глюкозидазы, которые синергетически разрушают целлюлозу.

Гликозидные связи в молекуле целлюлозы труднодоступны для активного центра целлюлаз. Итак, многие из этих ферментов являются модульными, состоящими из одного или нескольких некаталитических модулей связывания углеводов (CBM).CBM связывают фермент с нерастворимым субстратом и связаны с каталитическим модулем линкерными пептидами, различающимися по длине и структуре [21, 22].

Эндоглюканазы (EG, эндо-1,4-β-эндоглюканазы, E.C. 3.2.1.4) гидролизуют аморфную фракцию целлюлозы, высвобождая целлодекстрины и целлоолигосахариды [22], снижая степень полимеризации субстрата. Они подразделяются на 11 семейств гликозил-гидролаз: GH 5, 6, 7, 8, 9, 12, 44, 45, 48, 51 и 74 [23]. Некоторые эндоглюканазы имеют сродство с другими субстратами, помимо целлюлозы, такими как ксилоглюкан, ксилан и маннан [24].

Экзоглюканазы или целлобиогидролазы (CBH, экзо-1,4-β-экзоглюканазы, EC 3.2.1.91) разлагают кристаллическую фракцию целлюлозы, высвобождая целлобиозу, и называются типом I или II (действие в невосстанавливающих или восстанавливающих концах соответственно) . Экзоглюканазы объединены в два семейства гликозил-гидролаз: GH 7 (CBH I) и GH 6 (CBH II) [22].

β-глюкозидазы или целлобиазы (бета-D-глюкозидеглюкогидролаза, BG, E.C. 3.2.1.21) гидролизуют целлобиозу до глюкозы, а также удаляют невосстанавливающий концевой β-D-глюкозильный остаток из гликоконъюгатов [25].

2.1. Ионы металлов связаны с активностью целлюлаз

Ионы металлов могут быть связаны с белками, а также могут образовывать комплексы с другими молекулами, связанными с ферментами, действующими как доноры или акцепторы электронов, такие как кислоты Льюиса, или как структурные регуляторы [26]. Эти ионы могут активировать или ингибировать ферментативную активность, взаимодействуя с аминогруппой или группой карбоновой кислоты аминокислот [27].

В нескольких исследованиях сообщалось об активации или инактивации микробных целлюлаз ионами металлов (таблица 1).

9 0037
Фермент Микроорганизм Металлы-активаторы Инактивирующие металлы Ссылка
Эндоглюканаза Aspergillus fumigatus 2 Co 2 2 K + , Mn 2+ , Na + , Cu 2+ , Fe 2+ , Fe 3+ , Pb 2+ , Ni 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ [28]
Эндоглюканаза Penicillium simplicissimum H-11 Mg 2+ и Sn 2+ Cu 2+ , Co 2+ , Li 2+ , Fe 2+ , Mn 2+ [29]
Эндоглюканаза Aspergillus niger Ca 2+ и Mn 2 + Co 2+ , Fe 2+ , Cu 2+ [30]
Эндоглюканаза Aspergillusniger ANL301 Mn 2+ , Fe 2+ , Mg 2+ , Ca 2+ , Cu 2+ , Zn 2+ , Hg 2+ [31]
Эндоглюканаза экзоглюканаза Aspergillus niger NRRL 567 Zn 2+ , Ca 2+ , Mn 2+ , Co 2+ Mg 2+ , Fe 2+ , Hg 2+ [32]
Эндоглюканаза - Cu 2+
Экзоглюканаза Cu 2+
Эндоглюканаза Daldiniaeschscholzii (Ehrenb.: Fr.) Ca 2+ , Co 2+ Hg 2+ , Cu 2+ , Fe 2+ [33]
β-глюкозидаза Melanocarpus sp. Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Zn 2+ Cu 2+ [34]
Целлобиогидролаза Trichoderma reesei Mn 2+ , Ba 2+ , Ca 2+ Hg 2+ [35]
β-глюкозидаза Aspergillus niger 322 - Pb 2+ , Hg 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ [36]
Эндоглюканаза Penicillium pinophilim MS20 Co 2+ , Zn 2+ , Mg 2+ Na + , Cu 2+ , Hg 2+ , Fe 2+ , Pb 2+ , Ni 2+ , Mn 2+ , Cd 2+ [37]
Эндоглюканаза 90 055 Mucor circinelloides Ca 2+ , Mg 2+ , Co 2+ , Cu 2+ Mn 2+ [38]
β-глюкозидаза Penicillium citrinum YS40-5 Na + Zn 2+ , Cu 2+ [39]
β-глюкозидаза Fusarium oxysporum Mn 2+ , Fe 2+ , Ca 2+ , Mg 2+ , Cu 2+ Hg 2+ [40]
β-глюкозидаза Monascus sanguineus - Ca 2+ , K + [41]
Экзоглюканаза Aspergillus fumigatus Ca 2+ , Mg 2+ , Zn 2+ - [42]
Целлобиогидролаза Penicillium purpurogenum KJS506 - Fe 2+ , Hg 2+ [43]
Целлобиогидролаза Agaricus arvencis Cu 2+ , Mg 2+ Zn 2+ [44]
Эндоглюканаза Aspergillus terreus Cu 2+ , Mg 2+ , Ca 2+ , Na + Fe 2+ , Mn 2+ , Zn 2+ , K + [45]

Таблица 1.

Влияние ионов металлов на активность микробных целлюлаз.

Ионы одно-, двух- и трехвалентных металлов, таких как Na + , K + , Ca 2+ , Mg 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Cu 2+ , Ni 2+ , Zn 2+ , Hg 2+ и Fe 3+ обычно изучаются в анализах характеристик целлюлаз [46]. Помимо ионного заряда, размер радиуса иона имеет большое влияние на активность и стабильность фермента.Было продемонстрировано, что больший радиус оказывает меньшее влияние на каталитические аминокислоты, в то время как меньший радиус может более интенсивно привлекать заряженные аминокислоты, изменяя общую конформацию фермента с повреждением каталитического сайта [47, 48].

В исследованиях сообщалось об ингибирующих эффектах Fe 2+ и Cu 2+ на активность эндоглюканаз, экзоглюканаз и β-глюкозидаз. Однако влияние других двухвалентных ионов на активность целлюлаз, по-видимому, варьирует среди ферментов, секретируемых разными микроорганизмами (например,г., таблица 1). Влияние двухвалентных ионов на целлюлазы недостаточно изучено и, возможно, происходит за счет окислительно-восстановительного воздействия на аминокислоты, увеличения или уменьшения их активности [49].

Ингибирование целлюлаз Hg 2+ связано с взаимодействием с каталитическими аминокислотными остатками, содержащими серу, что приводит к окислению и нерегулярному образованию дисульфидных связей [45, 46, 49]. Fe 2+ может образовывать комплекс с D / L-лизином и L-метионином [50], Cu 2+ с гистидином [51] и Ba 2+ с аргинином, глутамином, пролином, серином и валином [52] .

Саджади [53] оценил взаимодействие аминокислот, таких как аргинин и глутамин, с ионами металлов и установил следующий порядок степени взаимодействия: Ca 2+ 2+ 2+ 2+ 2+ > Zn 2+ .

2.2. Химические вещества и органические соединения, связанные с активностью целлюлаз

На активность целлюлаз также могут влиять лекарственные препараты (например, 2,3-дихлорид-1,4-нафтохинон), фунгициды (такие как ацетат фенилртути и этилен-бис-дитиокарбамат), антибиотики и дезинфицирующие средства (среди прочего, нитрат фенилртути и 8-гидроксихинолин), сахара (ингибирование конечного продукта), белок (например, секретируемый растением в качестве защитного механизма), CBM-связывающие органические соединения, продукты деградации сахара и лигнина (такие как фенольные соединения) [54], пищевые добавки (такие как октилгаллат), гормоны растений (ауксины, такие как индолуксусная кислота) и твердые ионные вещества (азид натрия) [55–58].

Продукты разложения целлюлозы, такие как целлоолигосахариды и целлобиоза, могут ингибировать активность эндо- и экзоглюканаз соответственно. Эндоглюканазы, действующие на ксилоглюкан и ксилан, могут ингибироваться высвобождающимися ксилоолигомерами [59]. Добавление ксиланазы в реакционную среду является альтернативой удалению этих продуктов [60]. Часто наблюдается ингибирование активности β-гликозидаз глюкозой [6, 61]. Дисахариды, такие как целлобиоза и ксилобиоза, и моносахариды, такие как манноза и галактоза, могут ингибировать активность некоторых экзоглюканаз [22, 59, 62].

Глюконолактон, образующийся в результате окисления целлюлозы под действием литических полисахаридмонооксигеназ (LPMO), может действовать как ингибитор β-гликозидаз. Целлобиоза, а также другие субстраты β-гликозидаз конкурируют с глюконолактоном и другими продуктами разложения LPMO [63–65]. С другой стороны, β-гликозидазы могут активироваться софорозой и лактозой [66, 67].

Уместно учитывать, что сахара, высвобождаемые при ферментативном гидролизе лигноцеллюлозы, могут разлагаться и превращаться в ингибирующие соединения.В кислых условиях глюкоза, манноза и галактоза могут быть преобразованы в фурановые альдегиды, такие как гидроксиметилфурфурол (HMF). HMF, в свою очередь, может превращаться в левулиновую и муравьиную кислоты [68].

Разложение лигнина во время гидролиза некоторых лигноцеллюлозных материалов, таких как предварительная обработка щелочью или кислотой, или во время ферментативного гидролиза (за счет действия лакказ) может высвобождать фенольные соединения [68], такие как ванилин, сиреневый альдегид, транс-коричная кислота и гидроксибензойная кислота. Эти соединения являются потенциальными ингибиторами активности эндо / экзоглюканаз и β-гликозидаз из-за наличия гидроксильных, карбонильных и метоксильных групп [69, 70].

Как упоминалось выше, другой класс ингибиторов целлюлозы имеет белковое происхождение. Специфические белки-ингибиторы ксилоглюкан-эндо-β-глюканазы (XEGIP) представлены в клеточных стенках некоторых овощей, таких как томаты, табак и пшеница, и ингибируют эндоглюканазы, которые действуют на ксилоглюкан [71–73]. Эти белки являются частью механизма защиты растений от патогенов и действуют, образуя высокоаффинные комплексы с ферментом [73].

Еще одним фактором, влияющим на катализ целлюлазами, является взаимодействие ферментов с лигнином, явление, называемое «непродуктивной адсорбцией» или «неспецифическим связыванием».«Целлюлазы могут адсорбировать лигнин через свои CBM [21, 74–77], более конкретно, через его остатки аланина [76]. Некоторые целлюлазы проявляют более высокую каталитическую активность, когда CBM удаляются за счет уменьшения непродуктивной адсорбции на лигнине [74].

Непродуктивная адсорбция целлюлаз на лигнине также может быть уменьшена путем добавления поверхностно-активных веществ в реакционную среду, что увеличивает эффективность ферментативного катализа [78–81]. Твин 20, 40, 60, 80 и 100, Тритон Х-100, полиэтиленгликоль (ПЭГ), среди других поверхностно-активных веществ, имеют тенденцию снижать поверхностное натяжение водных систем, что может изменять свойства жидкостей, такие как моющая способность, эмульгирование, смазка и солюбилизация.Свойства поверхностно-активного вещества могут уменьшить непродуктивную адсорбцию целлюлаз на лигнине, действуя как «активаторы» этих ферментов [78].

Хелатирующие агенты, такие как EDTA (этилендиаминтетрауксусная кислота), этиленгликоль (или β-меркаптоэтанол) и DPPE (1,2-бис-дифенилфосфиноэтилен), могут активировать активность некоторых ферментов, особенно целлюлаз, путем связывания металлов ингибиторов. ионы из водной системы [82]. Когда хелатирующие агенты образуют комплекс с металлами в реакционной среде, активный центр фермента доступен для реакции с субстратом, что свидетельствует о положительном влиянии этих соединений на активность целлюлаз.Напротив, отрицательное влияние хелатирующих агентов на ферментативную активность предполагает, что активность ферментов зависит от неорганического иона, который был изолирован [20, 33, 45].

3. Гемицеллюлазы

Поскольку гемицеллюлоза очень неоднородна, для ее полной деградации требуется синергетическое действие нескольких ферментов, в основном эндоксиланаз и β-ксилозидаз, а также множества дополнительных ферментов, которые действуют в замещенных ксиланах и включают α-D-глюкуронидазы. , ацетилксиланэстеразы, эстеразы феруловой кислоты, α-галактозидазы, ацетилманнановые эстеразы и α-L-арабинофуранозидазы [83].

α-L-арабинофуранозидазы (EC 3.2.1.55; AFases) представляют собой гидролазы экзополисахаридов, которые удаляют боковые цепи, содержащие остатки арабинозы, связанные с гликозидными связями α-1,2, α-1,3 и α-1,5 с основная цепь арабинананов или арабиноксиланов [84]. АФазы сгруппированы в шесть семейств гликозидгидролаз: GH 3, 10, 43, 51, 54 и 62 [85]. Различные AFases были очищены из грибов, бактерий и растений [86–88]. На активность этих ферментов могут влиять ионы металлов, ионные и неионные детергенты, а также хелатирующие и восстанавливающие агенты [85].

Ксиланы с ацетил и метилглюкуроновой кислотой (MeGlcA) в качестве заместителей называются O -ацетил-4- O -метилглюкуроноксиланами. С другой стороны, когда замещающими группами являются α-4-0-метилглюкуроновая кислота и α-арабинофураноза, ксиланы называют арабино 4- O -метилглюкуроноксилан [89]. α-глюкуронидазы (EC 3.2.1.139.) гидролизуют α-1,2-гликозидную связь MeGlcA в боковой цепи [90]. Среди ферментов, разлагающих ксилан, α-глюкуронидазы менее изучены и охарактеризованы.Они сгруппированы в три семейства гликозилгидролаз: GH 4, 67 и 115 [91].

Эндоксиланазы (E.C. 3.2.1.8; эндо-β-1,4-ксиланазы) гидролизуют β-1,4-гликозидные связи в основной цепи ксиланов, которые состоят из остатков ксилозы [92]. По сходству аминокислотных последовательностей большинство ксиланаз группируются в семейства гликозилгидролаз (GH) 10 и 11, а также подразделяются на семейства GH 5, 7, 8 и 43 [93].

β-ксилозидазы (E.C. 3.2.1.37; β-1,4-ксилозидазы) высвобождают β-D-ксилопиранозиловые остатки с невосстанавливающего конца ксилобиозы и некоторые небольшие 4-β-D-ксилоолигосахариды [92].Эти ферменты были разделены на 10 семейств: GH 1, 3, 30, 39, 43, 51, 52, 54, 116 и 120, на основании предсказанных структурных мотивов каталитического домена фермента. β-Ксилозидазы играют решающую роль в активности эндоксиланаз, поскольку их субстраты, такие как ксилобиоза, могут ингибировать действие эндоксиланаз [94, 95].

3.1. Ионы металлов ассоциируют с активностью гемицеллюлаз

Сообщается об ингибирующем эффекте Hg 2+ на активность AFases [96–99]. Помимо Hg 2+ , Ag 2+ и Pb 2+ являются смешанными ингибиторами, которые связываются не с активным центром, а с другой областью фермента и, таким образом, не препятствуют связыванию субстрата с каталитический сайт.Кроме того, известно, что Hg 2+ реагирует с остатками гистидина и триптофана, снижая доступность фермента для метаболической функции [100]. Zn 2+ , Cd 2+ и Co 2+ также были описаны как потенциальные ингибиторы афаз [88, 99, 101].

В большинстве научных работ по очистке и характеристике α-глюкуронидаз сообщается, что эти ферменты не нуждаются в ионах металлов для своей активности [102–106]. С другой стороны, различные ионы металлов оказывают ингибирующее действие на активность α-глюкуронидаз, такие как Ag 2+ , Zn 2+ , Cd 2+ , Hg 2+ , Mn 2+ , Fe 2+ и Fe 3+ (т.е.г., таблица 2).

52 902 Aspergillus niger
Ионы металлов Микроорганизмы Рефери
Ag 2+ Bacillus stearothermophilus [105]
deccransharophagus [106]
Zn 2+ Bacillus stearothermophilus [105]
Cd 2+ Thermotoga maritime [104]
H 2+ Thermotoga maritime [104]
Bacillus stearothermophilus [105]
Aspergillus niger 9002 9003 [102]

[102] pomatia [103]
Saccharo phagus degradans 2-40 [106]
Mn 2+ Thermotoga maritime [104]
Bacillus stearothermophilus [105]

[102]
Fe 2+ и Fe 3+ Aspergillus niger [102]
Ni 2+ Bacillus stearothermophilus [105]
Saccharophagus degradans 2-40 [106]
Cu 2+ Thermotoga maritima [104]
Bacillus [105]
K + Geobacillus stearothermophilus 9 0053 [105]

Таблица 2.

Ионы металлов, которые оказывают ингибирующее действие на активность α-глюкуронидазы.

Некоторым ферментам семейства GH 10 необходимы ионы металлов для их стабильности и активности. Например, Pseudomonas fluorescens sub sp. продуцирует ксиланазу, которая является одним из первых ферментов GH 10, у которых обнаружен сайт связывания кальция [93]. С другой стороны, существует множество ферментов GH 43 с кристаллической структурой, которые показали прочно связанные ионы металлов, такие как Ca 2+ , со структурной ролью [107].Кроме того, во многих исследованиях сообщается об очевидной активации грибковых β-ксилозидаз Mn 2+ и Ca 2+ , что позволяет предположить, что эти ионы активируют и защищают активный центр [95].

Негативное влияние тяжелых металлов, таких как Hg 2+ , Fe 2+ , Co 2+ , Mn 2+ , Ag 2+ , Cu 2+ и Pb 2+ об активности ксиланаз сообщалось [108]. Ингибирование ионами тяжелых металлов (таких как Zn 2+ , Pb 2+ и Hg 2+ ) может происходить из-за образования комплекса с реактивными группами фермента.Металлы из группы Ilb проявляют высокое сродство к SH, CONH 2 , NH 2 , COOH и PO 4 [109]. Кроме того, сообщалось, что ингибирование ксиланазы Hg 2+ связано с присутствием остатков триптофана, которые окисляют индольное кольцо, тем самым подавляя активность фермента [110]. Ксиланаза из Bacillus halodurans TSEV1 сильно ингибировалась Hg 2+ , Cu 2+ и Pb 2+ , вероятно, из-за катализа аутоокисления тиоловой группы цистеина, что приводит к образованию внутри- и межмолекулярные дисульфидные связи или с образованием сульфеновой кислоты [111].

3.2. Химические агенты и органические соединения связаны с активностью гемицеллюлаз

Некоторые авторы сообщают, что добавление хелатирующих агентов, таких как ЭДТА, и восстановителей, таких как β-меркаптоэтанол и DTT (дитиотреитол), не влияет на активность АФаз [85, 99, 112]. Такие агенты хорошо известны как ингибиторы тиоловых групп, и эти данные позволяют предположить, что сульфгидрильные группы не связаны с активным центром AFases.

Есть несколько исследований, сообщающих о действии ионных детергентов на активность AFases.В низких концентрациях (1-2 мМ) ионные детергенты, такие как SDS, могут стимулировать активность фермента, тогда как в более высоких концентрациях (20 мМ) они могут вызывать ингибирующий эффект [113]. Поскольку SDS вмешивается в гидрофобные области фермента, он изменяет его трехмерную структуру [114], указывая на то, что эти концентрации могут быть критическими и вызывать денатурацию фермента.

Среди соединений, которые значительно активируют активность фермента, есть 2-меркаптоэтанол, DTT (дитиотреитол), L-цистеин и NAD + , что указывает на то, что эти восстановители необходимы для максимальной активности α-глюкуронидаз [115].Известно, что некоторые из ферментов семейства 4 зависят от NAD + . Роль NAD + для активности гидролитического GHF4 не очень хорошо известна. Кофактор пиридиновых нуклеотидов может иметь структурную и / или каталитическую функцию и, кроме того, также может быть важным для регуляции активности ферментов [116].

Ксиланазы привлекли к себе большое внимание в последние годы, в основном из-за их возможности применения в процессах производства ксилоолигосахаридов (ХО), отбеливания целлюлозы, удаления антипитательных факторов кормов для животных, выпечки хлеба (улучшение отделения пшеницы или других глютен злаков из крахмала), экстракция сока из фруктов или овощей, осветление фруктовых соков и вин, а также экстракция более ферментируемого сахара из ячменя для производства пива [111, 117].

Белковые ингибиторы ксиланазы могут снижать их эффективность при использовании в промышленных целях. В ячмене, пшенице и ржи были идентифицированы два различных типа ингибиторов ксиланазы: XIP (белок-ингибитор ксиланазы), мономерный и гликозилированный белок (XIP-I, наиболее широко изучаемый в классе XIP), который может ингибировать все GH 10 и GH. 11 грибных ксиланаз, за ​​исключением Aspergillus aculeatus из . Другой тип ингибитора ксиланазы, TAXI ( Triticumaestivum xylanase ингибитор), представляет собой смесь двух белков, TAXI I и TAXI II, которые различаются по специфичности ксиланазы и p I .Ингибиторы TAXI, по-видимому, специфичны для бактериальных и грибковых ксиланаз GH 11. Совсем недавно третий класс ингибиторов, названных TLXI (ингибитор тауматин-подобной ксиланазы), также очищенный из пшеницы, показал различную активность против большинства ксиланаз GH 11 и не ингибирует микробные ксиланазы GH 10 [117, 118].

Многие другие вещества, такие как EDTA (хелатирующий реагент), β-меркаптоэтанол и DTT (оба агента, восстанавливающие дисульфидные связи), были тщательно исследованы на предмет их влияния на активность ксиланаз.Ксиланаза из Talaromyces thermophile ингибируется ЭДТА и ДТТ, что позволяет предположить, что дисульфидные связи необходимы для поддержания конформации фермента [119]. С другой стороны, сообщалось об активации ксиланаз в присутствии β-меркаптоэтанола и DTT, что указывает на присутствие восстановленной тиоловой группы цистеина в этих ферментах [120].

Было исследовано влияние различных модуляторов на активность ксиланазы из B. halodurans TSEV1.Эти модуляторы включают N, -бромсукцинимид (N-BS), этил-3- (3-диметиламинопропил) карбодиимид (EDAC), йодацетат (IAA) и реагент Вудворда K (WRK). Ингибирование активности ксиланазы в присутствии NBS предполагает присутствие остатков триптофана в их активном центре. EDAC и WRK ингибировали активность фермента, что указывает на важность карбоксильных групп в ферментативном катализе [111].

Обработки для деконструкции лигноцеллюлозной структуры часто используются при использовании биомассы в качестве источника сахара для производства этанола и могут генерировать помимо растворимых сахаров другие источники, такие как производные фурана, органические кислоты и фенольные соединения, которые могут действовать как ингибиторы ксиланаз. как описано для целлюлазы [121].

Наблюдалось значительное ингибирование активности ксиланазы ванилиновой кислотой, сиринговой кислотой, ацетосирингоном и сиринговым альдегидом [121]. Boukari et al. [122] сообщили, что эндоксиланаза из Thermobacillus xylanilyticus ингибировалась фенольными соединениями, включая коричную кислоту, п-кумаровую кислоту, кофейную кислоту, феруловую кислоту и 3, 4, 5-триметоксикоричную кислоту, посредством неконкурентного многоузлового механизма ингибирования.

Исследования ингибирующего действия сахаров на ксиланазы (в основном на β-ксилозидазы) важны для лучшего понимания снижения активности фермента во время преобразования биомассы.Этот вид торможения долгое время был предметом исследований, в результате которых возникло множество различных мнений о его механизме. Jordan et al. [123] изучили активный сайт β-ксилозидазы GH 43 из Selenomonas ruminantium и сообщили, что он состоит из двух подсайтов и единственного пути доступа для лигандов. Авторы классифицировали ингибиторы на две группы: I, ингибиторы однократного связывания, включая целлобиозу (4-O-β-D-глюкопиранозил-D-глюкоза), D-глюкоза, мальтоза (4-OaD-глюкопиранозил-D-глюкоза), D-ксилоза. , и L-ксилоза; II, ингибиторы двойного связывания, включая D-арабинозу, L-арабинозу, D-эритрозу и D-рибозу.Обе группы продемонстрировали конкурентное или неконкурентное торможение.

4. Лигнинолитические ферменты

Микроорганизмы, которые колонизируют живую и гниющую древесину, способны продуцировать окислительные внеклеточные ферменты, которые вместе играют фундаментальную роль в биодеградации лигнина. Лигниназы или ферменты, разлагающие лигнин, могут окислять лигнин и некоторые родственные соединения, например, загрязнители окружающей среды, содержащие полициклические ароматические углеводороды, красители и хлорфенолы [124].

Лигнинпероксидаза (LiP, E.C. 1.11.1.14), пероксидаза марганца (MnP, E.C.1.11.1.13) и лакказа (E.C. 1.10.3.2) являются основными модифицирующими лигнин ферментными системами грибов белой гнили, а также были описаны у актиномицетов и бактерий. Эти ферменты окисляют фенольные соединения и восстанавливают молекулярный кислород до воды, генерируя промежуточные радикалы, как показано на Рисунке 2 [125, 126].

Рисунок 2.

Упрощенные реакции пероксидазы лигнина, пероксидазы марганца и лакказы.

Вспомогательные ферменты, участвующие в основных реакциях разложения лигнина, также были описаны и включают следующие: целлобиоз-хинонеоксиредуктазу (E.C. 1.1.5.1), оксидаза арилового спирта (EC 1.1.3.7), глиоксальоксидаза (GO, EC 1.2.3.5), марганец-независимая пероксидаза (EC 1.11.1.7), универсальная пероксидаза (VP, EC 1.11.1.16), и целлобиозодегидрогеназа (EC 1.1.99.18) [127, 128].

Помимо лигнинолитических ферментов, которые использовались для снижения содержания лигнина в некоторых исходных материалах и для разложения неподатливых ароматических соединений, из-за высокого химического сходства этих соединений с лигнином [13, 130, 132] были применены ферменты, разлагающие лигнин. в различных отраслях промышленности, таких как отбеливание текстильных красителей, делигнификация целлюлозы и бумаги, пищевая промышленность, пивоварение, корм для животных, моющие средства для стирки и разложение ксенобиотических соединений.Фенолоксидазы, такие как лакказы, в частности, применялись в иммуноанализе, биосенсорах, биокатализаторах и производстве кислородных катодов [127, 132].

На эффективность этих ферментов легко влияют факторы окружающей среды, в том числе ионы металлов и другие химические соединения, обычно встречающиеся в вышеупомянутых отраслях промышленности. Лигниназы с более высокой толерантностью к ионам металлов и органическим растворителям имеют высокий потенциал для применения в биодеградации устойчивых ксенобиотиков, а также повышают эффективность биотехнологических и промышленных ферментативных процессов [133, 134].

4.1. Лакказы (E.C. 1.10.3.2)

Лакказы представляют собой синие оксидазы с множеством медей, которые катализируют одноэлектронное окисление широкого спектра субстратов с сопутствующим четырехэлектронным восстановлением молекулярного кислорода до воды [126]. Активный центр лакказы состоит из четырех атомов меди в трех группах: T1 (одноядерная медь), T2 (нормальная медь) и T3 (связанная двухъядерная медь). Сайты T1 и T2 Cu 2+ вносят вклад в качестве первичных акцепторов электронов, в то время как T3 восстанавливается за счет внутримолекулярного двухэлектронного переноса от сайтов T1 и T2 Cu 2+ [126, 135].

4.1.1. Ионы металлов ассоциируют с активностью лакказы

Хотя лакказы эффективны на широком спектре субстратов без кофакторов, в большинстве случаев добавление Cu 2+ , Cd 2+ , Ni 2+ , Mo 2+ Ионы и Mn 2+ увеличивают активность лакказ, тогда как Ag 2+ , Hg 2+ , Pb 2+ , Zn 2+ , NaN 3 , NaCl и H . 2 O 2 подавляют их активность [126].

Помимо проблемы ингибирования, влияние ионов металлов на эффективность реакции, катализируемой ферментами, также важно, в дополнение к изучению эффектов отдельных ионов металлов на активность фермента. Лу и др. [136] наблюдали, что ионы одновалентных и трехвалентных металлов ингибируют разложение 4-нитрофенола под действием лакказ-Cu 2+ , а также добавление двухвалентных ионов в низких концентрациях. Подавляющее действие катионов на активность лакказы: Mg 2+ > Na + > Al 3+ > K + > Mn 2+ > Hg 2+ > Co 2+ .

4.1.2. Химические вещества и органические соединения связаны с активностью лакказы

Уравнение Михаэлиса-Ментен было подходящим образом использовано для описания кинетики лакказы и кажущейся константы связывания ( K m ) и значений максимальной скорости реакции ( V max ). . В смешиваемых с водой растворителях на эти кинетические параметры могут влиять изменения термодинамической активности воды. В случае лакказы гриба белой гнили Phlebiaradiata , e.g., значения pK I показывают линейную зависимость от гидрофобности растворителя (log P ) в системе 2,6-диметоксифенола в качестве субстрата в присутствии метанола, этанола, n -пропанола, ацетонитрила, ацетона и ДМСО [137].

Ранее изменения в V max за счет добавления растворителей сравнивали со свободными и иммобилизованными лакказами. Активность лакказы из P. radiata довольно сходна с обеими формами фермента в присутствии 10% этанола, метанола, ацетона, ДМСО и диоксана.Иммобилизованная лакказа была менее уязвима для Cu-хелатортиогликолевой кислоты, 2,6-диметокси-1,4-бензохинона [128].

В условиях низкого содержания воды, как в случае смесей вода / органические вещества, кажущиеся значения K m имеют тенденцию экспоненциально расти с концентрацией воды. Кажущееся V max иммобилизованной лакказы из Coriolusversicolor увеличивалось на два порядка значений с линейным увеличением содержания воды [139].

4.2. LiP (E.C. 1.11.1.14)

Лигнинпероксидазы - это гем-содержащие гликопротеины, которые содержат Fe 3+ в своем активном центре. LiP катализирует H 2 O 2 -зависимую окислительную деполимеризацию нефенольного лигнина и модельных лигниновых соединений, а также различных фенольных соединений [140].

4.2.1. Ионы металлов, химические агенты и органические соединения связаны с активностью LiP

Снижение активности LiP описывается как ингибирование или денатурация в соответствии с концентрацией соединений-ингибиторов в водной реакционной системе.Водородная связь и стабилизация анионов являются важными характеристиками для описания влияния соединений на активные центры ферментов, а также активности воды (a w ), log P и сольватации [141].

Добавление ионов Cu 2+ , Mn 2+ и Fe 2+ увеличивает активность LiP, тогда как Ag 2+ подавляет их активность [142]. С другой стороны, различные растворители и органические соединения были описаны как потенциальные ингибиторы LiP: спирты, альдегиды, кетоны, сложные эфиры, простые эфиры, амины, кислоты, амиды, ацетонитрил, цистеин, ДМСО, ЭДТА, ДМФ, ТЕМЕД, ЦТАБ, азид натрия. и H 2 O 2 [141–145].

Vazquez-Duhalt et al. [146] химически модифицировал LiP из грибка белой гнили Phanerochaete chrysosporium путем восстановительного алкилирования бензильными, нафтильными и антрацильными фрагментами, тем самым увеличивая его поверхностную гидрофобность. Эти модификации изменили кинетику и увеличили выход окисления пирролов, пиридинов и ароматических аминов в 10% ацетонитриле.

4.3. MnP (EC 1.11.1.13)

Пероксидазы марганца катализируют H 2 O 2 -зависимое окисление Mn 2+ до Mn 3+ , которое стабилизируется хелаторами грибков, такими как щавелевая кислота или другие органические кислоты.Затем окисление различных фенольных субстратов (например, аминов, красителей, родственных лигнину соединений) происходит под действием хелатных ионов Mn 3+ , которые являются диффузионным медиатором переноса заряда в этих реакциях [142, 147].

4.3.1. Ионы металлов связаны с активностью MnP

Активность MnP полностью ингибируется Hg 2+ , Pb 2+ , Ag + , лактатом, NaN 3 , CaCl 2 , TEMED, аскорбиновой кислотой, β- меркаптоэтанол и дитреитол [148, 149].Частичное ингибирование активности MnP наблюдали с ЭДТА, металл-хелатирующим соединением, которое образует комплекс с неорганическими кофакторами и простетическими группами ферментов. Высокие концентрации Cu 2+ и Fe 2+ (~ 4 мМ) могут усиливать активность MnP [149]. Youngs et al. [150] сообщили, что Cd 2+ является обратимым конкурентным ингибитором Mn 2+ активности MnP. Ингибирование не наблюдалось в реакционных системах, содержащих 2,6-диметоксифенол или гваякол в отсутствие Mn 2+ .

.

% PDF-1.4 % 133 0 obj> endobj xref 133 43 0000000016 00000 н. 0000001702 00000 н. 0000001156 00000 н. 0000001767 00000 н. 0000001957 00000 н. 0000002190 00000 п. 0000002351 00000 п. 0000002527 00000 н. 0000002694 00000 н. 0000002865 00000 н. 0000002901 00000 н. 0000003105 00000 н. 0000004154 00000 п. 0000004373 00000 п. 0000005423 00000 п. 0000005637 00000 н. 0000006682 00000 н. 0000007366 00000 н. 0000008004 00000 н. 0000008545 00000 н. 0000009182 00000 н. 0000009780 00000 н. 0000010331 00000 п. 0000010975 00000 п. 0000011731 00000 п. 0000034334 00000 п. 0000054746 00000 п. 0000055553 00000 п. 0000055576 00000 п. 0000087869 00000 п. 0000087892 00000 п. 0000087915 00000 п. 0000087938 00000 п. 0000100346 00000 н. 0000100558 00000 н. 0000101600 00000 н. 0000115067 00000 н. 0000117737 00000 н. 0000117773 00000 н. 0000119506 00000 н. 0000121572 00000 н. 0000124579 00000 п. 0000128824 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 135 0 obj> поток xb```g``90ÆAb, glS {mh:,] m8T ؑ} E $ aÑU Kn.7} 1 ۸ * -mqcZO1: iH & Kd8Ƶ, bņsttt @ - ( ShXǨdllс @ 9`4.PUA L`y =} X "8): 3l`cQPa ф '@ ڃ k 闙 0p00h53L` (镇} 7CSy 3xX \] Odh''d | 6F1 & ! 0

.

Структурная биохимия / том 9 - Викиучебники, открытые книги для открытого мира

Из Wikibooks, открытые книги для открытого мира

Перейти к навигации Перейти к поиску
Ищите Structural biochemistry / volume 9 в одном из родственных проектов Wikibooks: Викиучебник не имеет страницы с таким точным названием.

Другие причины, по которым это сообщение может отображаться:

  • Если страница была создана здесь недавно, она может быть еще не видна из-за задержки обновления базы данных; подождите несколько минут и попробуйте функцию очистки.
  • Заголовки в Викиучебниках чувствительны к регистру , кроме первого символа; пожалуйста, проверьте альтернативные заглавные буквы и подумайте о добавлении перенаправления здесь к правильному заголовку.
  • Если страница была удалена, проверьте журнал удалений и просмотрите политику удаления.
.

Смотрите также