Katalytisk triade

I molekylærbiologi betegnes vanligvis katalytisk triad tre rester av aminosyrer som forekommer sammen i det aktive stedet for noen hydrolaser og transferaser så som peptidaser , amidaser , esteraser , lipaser og β-laktamaser . En vanlig måte å produsere nukleofile rester for kovalent katalyse er å involvere en syre - basen - nukleofil triade . Disse restene danner et ladningsoverføringsnettverk som polariserer og aktiverer det nukleofile residuet, som angriper substratet og danner et kovalent mellomprodukt som deretter hydrolyseres for å frigjøre enzymet igjen . Nukleofilen til en slik triade er generelt serin eller cystein , men kan også være treonin .

Restene som utgjør den katalytiske triaden, kan være svært fjerne fra hverandre langs peptidsekvensen ( primærstruktur ) av de enzymene som vurderes, men blir funnet nær hverandre på grunn av folding av polypeptidene til en kompleks tredimensjonal tertiær struktur .

Katalytiske triader er et av de beste eksemplene på evolusjonær konvergens  : selve naturen til de katalyserte kjemiske reaksjonene førte uavhengig til de samme typer aktive steder fra minst 23 forskjellige superfamilier. Deres reaksjonsmekanisme er derfor en av de best forstått i all biokjemi .

Bestanddeler av en katalytisk triade

Nukleofil

Den sidekjede av en nukleofil rest utfører kovalent katalysesubstratet . Den enkeltpar av den atom av oksygen , eller svovel angripe atom karbon i karbonyl , som er elektropositiv . Ingen av de 22 proteinogene aminosyrene har tilstrekkelig nukleofile funksjonelle grupper til å katalysere mange vanskelige reaksjoner.

De viktigste enzymatiske nukleofiler er hydroksyl OH fra den alkoholgruppen av serin og sulfhydryl SH fra tiol -gruppen eller tiolat S - ion av cystein . Å inkludere disse nukleofilene i en katalytisk triade øker aktiviteten. Noen peptidaser bruker den sekundære alkoholen av treonin  ; på grunn av tilstedeværelsen av en ytterligere metylgruppe , bruker disse peptidasene imidlertid det N- terminale amidet som basen snarere enn en annen aminosyrerest.

Basert

Siden ingen naturlig aminosyre er tilstrekkelig nukleofil til å katalysere de kjemiske reaksjonene i seg selv, involverer de katalytiske triadene en base som polariserer og deprotoniserer nukleofilen for å øke dens reaktivitet. Denne basen deprotonerer også det første reaksjonsproduktet for å fremme fjerning av den utgående gruppen .

Dette er vanligvis en rest av histidin som spiller den grunnleggende rolle i den katalytiske triade, som dens p K en muliggjør både effektiv katalyse, dannelse av en hydrogenbinding med resten av syren , og deprotonering av nukleofil rest. Den β-laktamase typen TEM-1 for deres bruk en rest lysin . Den svært høye p K a-verdien av lysin - nær 11 - kompenseres av en rest av glutamat og flere andre rester, som virker for å stabilisere dens deprotonerte form under den katalytiske syklusen . For å begrense sterisk hindring , treonin-proteaser bruke deres N- terminal amid som en base for å øke den katalytiske reaktiviteten av treoninresidiet.

Syre

De sure rester fungerer ved å innrette og polarisering av basisk rest . Dette er vanligvis en aspartat- eller glutamatrest . Noen enzymer er faktisk innhold med en "katalytisk dyade" siden syrekomponenten kanskje ikke er nødvendig for noen cysteinproteaser . Dermed bruker papain asparagin som det tredje medlemmet av triaden, som på ingen måte kan fungere som en syre, men bare orientere histidinet riktig for reaksjonen. Tilsvarende inneholder peptidase av hepatitt A et vannmolekyl der syreresten skal være. Til slutt bruker cytomegaloviruspeptidaser to sammenhengende histidinrester, den ene fungerer som en base og den andre på stedet som normalt er okkupert av en sur rest; ikke er sur, men tvert imot basisk, fører denne andre histidinresten til en lavere katalytisk effektivitet for dette enzymet.

Eksempler på triader

Ser-His-Asp

Den chymotrypsin er ansett som en av de paradigmer av enzymene til katalytisk triade, triade her serin - histidin - aspartat .

  1. Chymotrypsin binder seg til substratet i en løkke som inneholder en stor hydrofob rest .
  2. Aspartat danner en hydrogenbinding med histidin, som er fra 7 til 12 i nærheten av p K en av atom av nitrogen i den syklusen imidazol . Dette gjør at histidin kan fungere som en sterk base og deprotonat serin.
  3. Serin fungerer som en nukleofil angripe atom av karbon i karbonylgruppen og tvinge atom av oksygen av karbonylgruppen til å akseptere et elektron , som fører til dannelse av en mellomliggende tetraedrisk . Dette mellomproduktet stabiliseres av et oksianionhull som involverer amidet av serin.
  4. Histidin gir deretter sin proton til nitrogenatomet i α-karbonet . Nitrogenet og det C- terminale peptidfragmentet fjernes ved diffusjon.
  5. Et vannmolekyl donerer deretter en proton til histidin, og den gjenværende hydroksyl –OH angriper karbonylkarbonatomet og danner et annet tetraedrisk mellomprodukt. Hydroksylen er en dårligere nukleofuge enn det C- terminale peptidfragmentet slik at det er serinet som elimineres ved å gjenvinne en proton fra histidinet.
  6. Det N- terminale peptidfragmentet fjernes ved diffusjon.

Den samme triaden har også gjennomgått en konvergerende utvikling i α / β hydrolasefold som visse lipaser og esteraser , men chiraliteten er imidlertid reversert. Den acetylcholinesterase anvender tilsvarende serin - histidin - glutamat .

Cys-His-Asp

Flere familier av cysteinproteaser bruker denne kombinasjonen av aminosyrer som en katalytisk triade, for eksempel TEV-protease og papain . Denne cystein- triaden fungerer som den av serinproteasene, men med noen bemerkelsesverdige forskjeller. Spesielt rollen som aspartat er i triaden av papain ikke klar og flere cysteinproteaser faktisk bruke en katalytisk dyad, som peptidase av Hepatitt A .

Ser-His-His

Den katalytiske triade av peptidase av cytomegalovirus benytter to rester av histidin som grenser til slissen basen og syren . Fjern histidin "syre" resulterer i en aktivitet bare ti ganger lavere, mens fjerning av resten av aspartat av chymotrypsin fører til aktivitet 10000 ganger mindre. Denne spesielle triaden har blitt tolket som en mulig måte å produsere et enzym med redusert aktivitet for å kontrollere spaltningshastigheten .

Merknader og referanser

  1. (i) Jason Phan, Alexander Zdanov Artem Evdokimov G. Joseph E. Tropea, Howard K. Peters III, Rachel B. Kapust, Mi Li, Alexander Wlodawer og David S. Waugh , strukturelle grunnlaget for substratspesifisitet av Tobacco Etch Virus Protease  ” , Journal of Biological Chemistry , vol.  277, n o  52, 27. desember 2002, s.  50564-50572 ( PMID  12377789 , DOI  10.1074 / jbc.M207224200 , les online )
  2. (i) Andrew R. Buller og Craig A. Townsend , Intrinsic evolutionary constraints we protease structure, enzym acylation, and the identity of the catalytic triad  " , Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America , vol.  110, n o  8, 19. februar 2013, E653-E661 ( PMID  23382230 , PMCID  3581919 , DOI  10.1073 / pnas.1221050110 , les online )
  3. (en) Guy Dodson og Alexander Wlodawer , “  Catalytic triads and their relative  ” , Trends in Biochemical Sciences , vol.  23, n o  9, September 1998, s.  347-352 ( PMID  9787641 , DOI  10.1016 / S0968-0004 (98) 01254-7 , les online )
  4. (in) Hans Neurath , Proteolytiske enzymer fortid og nåtid: Den andre gyldne æra  " , Protein Science , Vol.  3, n o  10 Oktober 1994, s.  1734-1739 ( PMID  7849591 , PMCID  2142620 , DOI  10.1002 / pro.5560031013 , les online )
  5. (in) Özlem Doğan Ekici, Mark Paetzel og Ross E. Dalbey , Unconventional serine proteases: Variations on the catalytic Ser / His / Asp triad configuration  " , Protein Science , Vol.  17, n o  12 desember 2008, s.  2023-2037 ( PMID  18824507 , PMCID  2590910 , DOI  10.1110 / ps.035436.108 , les online )
  6. (i) C. Damblon, Raquet X, Y L. Lian, J. Lamotte-Brasseur E. Fonze, P. Charlier, C. G. Roberts og J. M Broder , The katalytiske mekanismen av beta-laktamaser: NMR titrering av et aktivt sted lysinrest av TEM-1 enzymet  ” , Proceedings of the National Academy of Sciences i USA , vol.  93, n o  5, 5. mars 1996, s.  1747-1752 ( PMID  8700829 , PMCID  39852 )
  7. (i) James A. Brannigan, Guy Dodson, Helen J. Duggleby Peter CE Moody, Janet L. Smith, Diana R. Tomchick og Alexey G. Murzin , Et rammekatalytisk protein med en N-terminal nukleofil er i stand til selv -aktivering  ” , Nature , vol.  378, n o  6555, 23. november 1995, s.  416-419 ( PMID  7477383 , DOI  10.1038 / 378416a0 , les online )
  8. (i) Hua Cheng og Nick V. Grishin , DOM-fold: En struktur med kryssende løkker funnet i DMPA, ornitinacetyltransferase og molybden-kofaktorbindende domene  " , Protein Science , Vol.  14, n o  7, Juli 2005, s.  1902-1910 ( PMID  15937278 , PMCID  2253344 , DOI  10.1110 / ps.051364905 , les online )