DD-Transpeptidase – Wikipedia

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DD-Transpeptidase (EG 3.4.16.4, DD-Peptidase, DD-Transpeptidase, DD-Carboxypeptidase, D-Alanyl-D-Alanin-Carboxypeptidase, D-Alanyl-D-Alanin-spaltende Peptidase, D-Alanin-Carboxypeptidase, D-Alanylcarboxypeptidase, und D-Ala-D-Ala-Carboxypeptidase vom Serintyp.[1]) ist ein bakterielles Enzym, das den Transfer der RL-aca-D-Alanyl-Einheit von RL-aca-D-Alanyl-D-Alanin-Carbonyl-Donoren auf das γ-OH ihres Serins im aktiven Zentrum und von diesem zu einem Endprodukt katalysiert Akzeptor.[2] Es ist an der Biosynthese der bakteriellen Zellwände beteiligt, nämlich an der Transpeptidierung, die die Peptidseitenketten von Peptidoglycansträngen vernetzt.[3]

Das Antibiotikum Penicillin bindet irreversibel an das Transpeptidaseenzym und hemmt dessen Aktivität, indem es ein hochstabiles Penicilloylenzym-Zwischenprodukt bildet.[4] Aufgrund der Wechselwirkung zwischen Penicillin und Transpeptidase ist dieses Enzym auch als Penicillin-bindendes Protein (PBP) bekannt.

Mechanismus[edit]

Die DD-Transpeptidase ähnelt mechanistisch den proteolytischen Reaktionen der Trypsin-Proteinfamilie.[5]

Katalytischer Mechanismus der DD-Transpeptidase

Die Vernetzung von Peptidylresten benachbarter Glykanstränge erfolgt in zwei Schritten. Der erste Schritt beinhaltet die Spaltung der D-Alanyl-D-Alanin-Bindung eines Peptideinheitsvorläufers, der als Carbonyldonor wirkt, die Freisetzung des carboxylterminalen D-Alanins und die Bildung des Acylenzyms. Der zweite Schritt beinhaltet den Abbau des Acylenzym-Zwischenprodukts und die Bildung einer neuen Peptidbindung zwischen dem Carbonyl der D-Alanyl-Einheit und der Theamino-Gruppe einer anderen Peptideinheit.[6]

Die meisten Diskussionen über DD-Peptidase-Mechanismen drehen sich um die Katalysatoren des Protonentransfers. Während der Bildung des Acylenzym-Zwischenprodukts muss ein Proton von der Serinhydroxylgruppe des aktiven Zentrums entfernt und eines zur Aminabgangsgruppe hinzugefügt werden. Eine ähnliche Protonenbewegung muss bei der Deacylierung erleichtert werden. Die Identität der allgemeinen Säure- und Basenkatalysatoren, die an diesen Protonentransfers beteiligt sind, wurde noch nicht aufgeklärt.[7] Es wurden jedoch die katalytische Triade Tyrosin, Lysin und Serin sowie Serin, Lysin und Serin vorgeschlagen.[7]

Struktur[edit]

Transpeptidasen sind Mitglieder der Penicilloyl-Serin-Transferase-Superfamilie, die ein charakteristisches SxxK-konserviertes Motiv aufweist.[8] Mit “x”, das einen variablen Aminosäurerest bezeichnet, zeigen die Transpeptidasen dieser Superfamilie einen Trend in Form von drei Motiven: SxxK, SxN (oder Analogon) und KTG (oder Analogon). Diese Motive treten an äquivalenten Stellen auf und sind entlang der Polypeptidkette ungefähr gleich beabstandet. Das gefaltete Protein bringt diese Motive im katalytischen Zentrum zwischen einer all-α-Domäne und einer α / β-Domäne nahe beieinander.[9][10] Mit “x”, das einen variablen Aminosäurerest bezeichnet, zeigen die Transpeptidasen dieser Superfamilie einen Trend in Form von drei Motiven: SxxK, SxN (oder Analogon) und KTG (oder Analogon). Diese Motive treten an äquivalenten Stellen auf und sind entlang der Polypeptidkette ungefähr gleich beabstandet. Das gefaltete Protein bringt diese Motive im katalytischen Zentrum zwischen einer all-α-Domäne und einer α / β-Domäne nahe beieinander.[11][12][13]

Die Struktur der Streptomyces K15 DD-Transpeptidase wurde untersucht und besteht aus einer einzelnen Polypeptidkette, die in zwei Domänen organisiert ist. Eine Domäne enthält hauptsächlich α-Helices und die zweite ist vom α / β-Typ.[6] Das Zentrum der katalytischen Spalte wird von der Ser35-Thr36-Thr37-Lys38-Tetrade besetzt, die den nukleophilen Ser35-Rest am aminoterminalen Ende der Helix α2 enthält. Eine Seite des Hohlraums ist durch die Ser96-Gly97-Cys98-Schleife definiert, die die Helices α4 und α5 verbindet. Die Lys213-Thr214-Gly215-Triade liegt am Strang β3 auf der gegenüberliegenden Seite des Hohlraums. Die NH-Rückgratgruppe des essentiellen Ser35-Rests und die von Ser216 stromabwärts des Motivs Lys213-Thr214-Gly215 besetzen Positionen, die mit der für die Katalyse erforderlichen Oxyanion-Loch-Funktion kompatibel sind.[6]

Das Enzym wird als DD-Transpeptidase klassifiziert, da sich die anfällige Peptidbindung des Carbonyldonors zwischen zwei Kohlenstoffatomen mit der D-Konfiguration erstreckt.[6]

Biologische Funktion[edit]

Alle Bakterien besitzen mindestens eine, meist mehrere monofunktionelle Serin-DD-Peptidasen.[2]

Krankheitsrelevanz[edit]

Die strukturelle Ähnlichkeit zwischen (A) D-Ala-D-Ala-Terminus des Peptidoglycan-Terminus und (B) Penicillinen. Transpeptidasen erkennen Penicilline für die katalytische TPase-Reaktion falsch.

Dieses Enzym ist ein ausgezeichnetes Wirkstoffziel, da es essentiell ist, vom Periplasma aus zugänglich ist und in Säugetierzellen kein Äquivalent aufweist. DD-Transpeptidase ist das Zielprotein von β-Lactam-Antibiotika (z. B. Penicillin). Dies liegt daran, dass die Struktur des β-Lactams dem D-ala-D-ala-Rest sehr ähnlich ist.

β-Lactame üben ihre Wirkung aus, indem sie die katalytische Stelle der Serin-DD-Transpeptidase kompetitiv inaktivieren. Penicillin ist ein cyclisches Analogon der D-Ala-D-Ala-terminierten Carbonyldonoren. In Gegenwart dieses Antibiotikums stoppt die Reaktion daher auf der Ebene des Serinester-gebundenen Penicilloyl-Enzyms.[14] Somit zwingen β-Lactam-Antibiotika diese Enzyme, sich wie Penicillin-bindende Proteine ​​zu verhalten.[15]

Kinetisch ist die Wechselwirkung zwischen der DD-Peptidase und Beta-Lactamen eine dreistufige Reaktion:

E.+ich⇌E.⋅ich→E.– –ich∗→E.+P.{ displaystyle E + I rightleftharpoons E cdot I rightarrow EI * rightarrow E + P}

[15]

Beta-Iactame können mit DD-Transpeptidase ein Addukt EI * von hoher Stabilität bilden. Die Halbwertszeit dieses Addukts beträgt etwa Stunden, während die Halbwertszeit der normalen Reaktion in der Größenordnung von Millisekunden liegt.[8]

Die Störung der Enzymprozesse, die für die Zellwandbildung verantwortlich sind, führt zu Zelllyse und zum Tod aufgrund der Auslösung des autolytischen Systems in den Bakterien.[16]

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ EC3.4.16.4 D-Ala-D-Ala-Carboxypeptidase vom Serintyp. Enzymstrukturdatenbank. Archiviert von das Original am 17. Mai 2006. Abgerufen 26. Februar 2006.
  2. ^ ein b Grandchamps J., Nguyen-Distèche M., Damblon C., Frère J. M., Ghuysen J. M. (1995). Streptomyces K15 Serin-DD-Transpeptidase im aktiven Zentrum: Spezifitätsprofil für Peptid-, Thiolester- und Estercarbonyldonoren und Wege der Transferreaktionen. Biochem J.. 307 (Pt 2) (2): 335–9. doi:10.1042 / bj3070335. PMC 1136653. PMID 7733866.
  3. ^ Yocum RR, Waxman DJ, Rasmussen JR, Strominger JL (1979). “Mechanismus der Penicillinwirkung: Penicillin und Substrat binden kovalent an dasselbe Serin des aktiven Zentrums in zwei bakteriellen D-Alanin-Carboxypeptidasen.”. Proc Natl Acad Sci USA. 76 (6): 2730–4. Bibcode:1979PNAS … 76,2730Y. doi:10.1073 / pnas.76.6.2730. PMC 383682. PMID 111240.
  4. ^ Gordon E., Mouz N., Duée E., Dideberg O. (Juni 2000). “Die Kristallstruktur des Penicillin-bindenden Proteins 2x aus Streptococcus pneumoniae und seine Acylenzymform: Auswirkungen auf die Arzneimittelresistenz”. Journal of Molecular Biology. 299 (2): 477–85. doi:10.1006 / jmbi.2000.3740. PMID 10860753.
  5. ^ Goffin C, Ghuysen JM (Dezember 2002). “Biochemie und vergleichende Genomik von Acyltransferasen der SxxK-Superfamilie bieten einen Hinweis auf das mykobakterielle Paradoxon: Vorhandensein von Penicillin-empfindlichen Zielproteinen im Vergleich zu mangelnder Wirksamkeit von Penicillin als Therapeutikum”. Mikrobiologie und Molekularbiologie Bewertungen. 66 (4): 702–38, Inhaltsverzeichnis. doi:10.1128 / MMBR.66.4.702-738.2002. PMC 134655. PMID 12456788.
  6. ^ ein b c d Fonzé E., Vermeire M., Nguyen-Distèche M., Brasseur R., Charlier P. (Juli 1999). Die Kristallstruktur einer Penicilloyl-Serin-Transferase mit mittlerer Penicillin-Empfindlichkeit. Die DD-Transpeptidase von Streptomyces K15. Das Journal of Biological Chemistry. 274 (31): 21853–60. doi:10.1074 / jbc.274.31.21853. PMID 10419503.
  7. ^ ein b Pratt RF (Juli 2008). “Substratspezifität von bakteriellen DD-Peptidasen (Penicillin-bindenden Proteinen)”. Zelluläre und molekulare Biowissenschaften. 65 (14): 2138–55. doi:10.1007 / s00018-008-7591-7. PMID 18408890.
  8. ^ ein b Walsh C, Wencewicz T (2016). Antibiotika: Herausforderungen, Mechanismen, Chancen (2. Aufl.). Amerikanische Gesellschaft für Mikrobiologie (Verlag). ISBN 978-1-55581-930-9.
  9. ^ Ghuysen JM (Oktober 1994). “Molekülstrukturen von Penicillin-bindenden Proteinen und Beta-Lactamasen”. Trends in der Mikrobiologie. 2 (10): 372–80. doi:10.1016 / 0966-842X (94) 90614-9. PMID 7850204.
  10. ^ Kelly JA, Kuzin AP, Charlier P., Fonzé E. (April 1998). “Röntgenuntersuchungen von Enzymen, die mit Penicillinen interagieren”. Zelluläre und molekulare Biowissenschaften (Eingereichtes Manuskript). 54 (4): 353–8. doi:10.1007 / s000180050163. hdl:2268/77968. PMID 9614972.
  11. ^ Ghuysen JM (Oktober 1994). “Molekülstrukturen von Penicillin-bindenden Proteinen und Beta-Lactamasen”. Trends in der Mikrobiologie. 2 (10): 372–80. doi:10.1016 / 0966-842X (94) 90614-9. PMID 7850204.
  12. ^ Kelly JA, Kuzin AP (November 1995). “Die verfeinerte kristallographische Struktur eines DD-Peptidase-Penicillin-Zielenzyms bei einer Auflösung von 1,6 Å”. Journal of Molecular Biology. 254 (2): 223–36. doi:10.1006 / jmbi.1995.0613. PMID 7490745.
  13. ^ Kelly JA, Kuzin AP, Charlier P., Fonzé E. (April 1998). “Röntgenuntersuchungen von Enzymen, die mit Penicillinen interagieren”. Zelluläre und molekulare Biowissenschaften (Eingereichtes Manuskript). 54 (4): 353–8. doi:10.1007 / s000180050163. hdl:2268/77968. PMID 9614972.
  14. ^ Nguyen-Distèche M., Leyh-Bouille M., Ghuysen J. M. (Oktober 1982). Isolierung des membrangebundenen 26 000-Mr-Penicillin-bindenden Proteins des Streptomyces-Stammes K15 in Form einer Penicillin-sensitiven D-Alanyl-D-Alanin-spaltenden Transpeptidase. The Biochemical Journal. 207 (1): 109–15. doi:10.1042 / bj2070109. PMC 1153830. PMID 7181854.
  15. ^ ein b Ghuysen JM, Frère JM, Leyh-Bouille M., Nguyen-Distèche M., Coyette J., Dusart J., Joris B., Duez C., Dideberg O., Charlier P. (1984). “Bakterienwandpeptidoglycan, DD-Peptidasen und Beta-Lactam-Antibiotika”. Skandinavisches Journal für Infektionskrankheiten. Nachtrag. 42: 17–37. PMID 6597561.
  16. ^ Spratt BG (Mai 1983). “Penicillin-bindende Proteine ​​und die Zukunft der Beta-Lactam-Antibiotika. The Seventh Fleming Lecture”. Journal of General Microbiology. 129 (5): 1247–60. doi:10.1099 / 00221287-129-5-1247. PMID 6352855.

Externe Links[edit]


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