Glykosidhydrolase - Glycoside hydrolase

Eine Pankreas- alpha-Amylase 1HNY, eine Glykosidhydrolase

Glycosidhydrolasen (auch genannt Glycosidasen oder Glycosylhydrolasen ) katalysiert die Hydrolyse von glycosidischen Bindungen in komplexen Zuckern . Sie sind äußerst verbreitete Enzyme mit Rollen in der Natur, einschließlich des Abbaus von Biomasse wie Zellulose ( Cellulase ), Hemizellulose und Stärke ( Amylase ), in antibakteriellen Abwehrstrategien (z. B. Lysozym ), in Pathogenesemechanismen (z. B. virale Neuraminidasen ) und bei normaler Zellfunktion (z. B. Trimmen von Mannosidasen, die an der N-gebundenen Glykoproteinbiosynthese beteiligt sind ). Zusammen mit Glycosyltransferasen bilden Glycosidasen die wichtigste katalytische Maschinerie für die Synthese und das Aufbrechen von glycosidischen Bindungen.

Glykosidhydrolase mech.svg

Vorkommen und Bedeutung

Glykosidhydrolasen kommen in praktisch allen Lebensbereichen vor. In Prokaryonten kommen sie sowohl als intrazelluläre als auch extrazelluläre Enzyme vor, die maßgeblich an der Nährstoffaufnahme beteiligt sind. Eines der wichtigen Vorkommen von Glykosidhydrolasen in Bakterien ist das Enzym Beta-Galactosidase (LacZ), das an der Regulation der Expression des lac- Operons in E. coli beteiligt ist . In höheren Organismen finden sich Glykosidhydrolasen im endoplasmatischen Retikulum und im Golgi-Apparat, wo sie an der Verarbeitung von N-gebundenen Glykoproteinen beteiligt sind , und im Lysosom als Enzyme, die am Abbau von Kohlenhydratstrukturen beteiligt sind. Ein Mangel an bestimmten lysosomalen Glykosidhydrolasen kann zu einer Reihe von lysosomalen Speicherstörungen führen, die zu Entwicklungsproblemen oder zum Tod führen. Glykosidhydrolasen kommen im Darmtrakt und im Speichel vor, wo sie komplexe Kohlenhydrate wie Laktose , Stärke , Saccharose und Trehalose abbauen . Im Darm werden sie als Glycosylphosphatidyl-verankerte Enzyme auf Endothelzellen gefunden . Das Enzym Laktase wird für den Abbau des Milchzuckers Laktose benötigt und ist bei Säuglingen in hohen Konzentrationen vorhanden, nimmt jedoch in den meisten Populationen nach dem Absetzen oder im Säuglingsalter ab, was möglicherweise zu einer Laktoseintoleranz im Erwachsenenalter führt. Das Enzym O-GlcNAcase ist an der Entfernung von N-Acetylglucosamingruppen von Serin- und Threoninresten im Zytoplasma und im Zellkern beteiligt. Die Glykosidhydrolasen sind an der Biosynthese und dem Abbau von Glykogen im Körper beteiligt.

Einstufung

Hauptartikel: Liste der Glykosidhydrolase-Familien

Glykosidhydrolasen werden in EC 3.2.1 als Enzyme klassifiziert, die die Hydrolyse von O- oder S-Glykosiden katalysieren. Glykosidhydrolasen können auch nach dem stereochemischen Ergebnis der Hydrolysereaktion klassifiziert werden: Sie können also entweder als zurückhaltende oder invertierende Enzyme klassifiziert werden. Glykosidhydrolasen können auch als exo- oder endo-wirkend klassifiziert werden, je nachdem, ob sie am (meist nicht reduzierenden) Ende bzw. in der Mitte einer Oligo-/Polysaccharidkette wirken. Glykosidhydrolasen können auch nach sequenz- oder strukturbasierten Verfahren klassifiziert werden.

Sequenzbasierte Klassifizierung

Sequenzbasierte Klassifikationen sind eine der leistungsfähigsten Vorhersagemethoden, um eine Funktion für neu sequenzierte Enzyme vorzuschlagen, deren Funktion noch nicht biochemisch nachgewiesen wurde. Ein Klassifizierungssystem für Glycosylhydrolasen, basierend auf Sequenzähnlichkeit, hat zur Definition von mehr als 100 verschiedenen Familien geführt. Diese Klassifizierung ist auf der Website von CAZy (CArbohydrate-Active EnZymes) verfügbar. Die Datenbank bietet eine Reihe von regelmäßig aktualisierten sequenzbasierten Klassifizierungen, die eine zuverlässige Vorhersage des Mechanismus (Beibehalten/Invertieren), der Reste des aktiven Zentrums und möglicher Substrate ermöglichen. Die Online-Datenbank wird von CAZypedia, einer Online-Enzyklopädie kohlenhydrataktiver Enzyme, unterstützt. Basierend auf dreidimensionalen strukturellen Ähnlichkeiten wurden die sequenzbasierten Familien in 'Clans' mit verwandter Struktur klassifiziert. Jüngste Fortschritte in der Glycosidase-Sequenzanalyse und dem 3D-Strukturvergleich haben den Vorschlag einer erweiterten hierarchischen Klassifikation der Glycosidhydrolasen ermöglicht.

Mechanismen

Invertierende Glykosidhydrolasen

Invertierende Enzyme verwenden zwei Enzymreste, typischerweise Carboxylatreste, die als Säure bzw. Base wirken , wie unten für eine β-Glucosidase gezeigt :

Glykosidhydrolyse invertieren mech.svg

Retention von Glykosidhydrolasen

Die Retention von Glycosidasen erfolgt über einen zweistufigen Mechanismus, wobei jeder Schritt zu einer Inversion führt , um die Stereochemie netto zu erhalten. Auch hier sind zwei Reste beteiligt, bei denen es sich normalerweise um enzymatische Carboxylate handelt . Einer wirkt als Nukleophil und der andere als Säure/Base. Im ersten Schritt greift das Nukleophil das anomere Zentrum an, was zur Bildung eines Glycosylenzym-Zwischenprodukts führt, wobei die Säure durch das saure Carboxylat unterstützt wird. Im zweiten Schritt fungiert das nun deprotonierte saure Carboxylat als Base und unterstützt ein nukleophiles Wasser bei der Hydrolyse des Glycosylenzym-Zwischenprodukts, wodurch das hydrolysierte Produkt erhalten wird. Der Mechanismus ist unten für Hühnereiweiß- Lysozym dargestellt .

Glykosidhydrolyse beibehält mech.svg

Ein alternativer Hydrolysemechanismus unter Beibehaltung der Stereochemie kann auftreten, der über einen nukleophilen Rest abläuft, der an das Substrat gebunden ist, anstatt an das Enzym gebunden zu werden. Solche Mechanismen sind bei bestimmten N-Acetylhexosaminidasen üblich, die eine Acetamidogruppe aufweisen, die zur Beteiligung benachbarter Gruppen befähigt ist, ein intermediäres Oxazolin- oder Oxazoliniumion zu bilden. Dieser Mechanismus verläuft in zwei Schritten durch einzelne Inversionen, um zu einer Nettobeibehaltung der Konfiguration zu führen.

Glycosid-Hydrolyse-Unterstützung mech.svg

Für Endo-&agr;-Mannanasen wurde ein abweichender Mechanismus der Nachbargruppenbeteiligung beschrieben, der die Beteiligung von 2-Hydroxylgruppen umfasst, um ein intermediäres Epoxid zu bilden. Die Hydrolyse des Epoxids führt zu einer Nettobeibehaltung der Konfiguration.

Glykosidase benachbartes Epoxid 1.png

Nomenklatur und Beispiele

Glykosidhydrolasen werden typischerweise nach dem Substrat benannt, auf das sie einwirken. Somit katalysieren Glucosidasen die Hydrolyse von Glucosiden und Xylanasen katalysieren die Spaltung des auf Xylose basierenden Homopolymers Xylan. Andere Beispiele umfassen Lactase , Amylase , Chitinase , Saccharase , Maltase , Neuraminidase , Invertase , Hyaluronidase und Lysozym .

Verwendet

Es wird vorhergesagt, dass Glycosidhydrolasen eine zunehmende Rolle als Katalysatoren in Bioraffinationsanwendungen in der zukünftigen Bioökonomie spielen werden. Diese Enzyme haben eine Vielzahl von Anwendungen, einschließlich des Abbaus von Pflanzenmaterialien (z. B. Cellulasen zum Abbau von Cellulose zu Glucose, die für die Ethanolproduktion verwendet werden kann), in der Lebensmittelindustrie ( Invertase zur Herstellung von Invertzucker, Amylase zur Herstellung von Maltodextrinen), und in der Papier- und Zellstoffindustrie ( Xylanasen zur Entfernung von Hemicellulosen aus Papierzellstoff). Cellulasen werden Waschmitteln zum Waschen von Baumwollstoffen zugesetzt und helfen bei der Erhaltung der Farben, indem sie Mikrofasern entfernen, die während des Tragens von der Oberfläche der Fäden abgehoben werden.

In der organischen Chemie können Glycosidhydrolasen als synthetische Katalysatoren verwendet werden , um glycosidische Bindungen entweder durch umgekehrte Hydrolyse (kinetischer Ansatz) zu bilden, bei der die Gleichgewichtslage umgekehrt wird; oder durch Transglycosylierung (kinetischer Ansatz), wobei das Zurückhalten von Glycosidhydrolasen die Übertragung einer Glycosyleinheit von einem aktivierten Glycosid auf einen Akzeptoralkohol katalysieren kann, um ein neues Glycosid zu liefern.

Als Glycosynthasen bezeichnete mutierte Glycosidhydrolasen wurden entwickelt, die die Synthese von Glycosiden in hoher Ausbeute aus aktivierten Glycosyldonoren wie Glycosylfluoriden erreichen können. Glycosynthasen werden typischerweise gebildet, indem Glycosidhydrolasen durch ortsgerichtete Mutagenese des enzymatischen Nukleophils zu einer anderen, weniger nukleophilen Gruppe, wie Alanin oder Glycin, zurückgehalten werden. Eine andere Gruppe mutierter Glykosidhydrolasen, die als Thioglykoligasen bezeichnet werden, kann durch ortsgerichtete Mutagenese des Säure-Base-Rests einer zurückhaltenden Glykosidhydrolase gebildet werden. Thioglycoligasen katalysieren die Kondensation von aktivierten Glykosiden und verschiedenen thiolhaltigen Akzeptoren.

Verschiedene Glycosidhydrolasen haben gezeigt, dass sie Matrixpolysaccharide innerhalb der extrazellulären polymeren Substanz (EPS) von mikrobiellen Biofilmen abbauen . Medizinisch bieten Biofilme infektiösen Mikroorganismen eine Reihe von Vorteilen gegenüber ihren planktonischen, frei schwebenden Gegenstücken, einschließlich einer stark erhöhten Toleranz gegenüber antimikrobiellen Wirkstoffen und dem Immunsystem des Wirts. Somit kann der Abbau des Biofilms die antibiotische Wirksamkeit erhöhen und die Immunfunktion und Heilungsfähigkeit des Wirts verstärken. Zum Beispiel wurde gezeigt, dass eine Kombination von Alpha-Amylase und Cellulase polymikrobielle bakterielle Biofilme sowohl aus in vitro- als auch in vivo- Quellen abbaut und die antibiotische Wirksamkeit gegen sie erhöht .

Inhibitoren

Es sind viele Verbindungen bekannt, die die Wirkung einer Glycosidhydrolase hemmen können. Stickstoffhaltige, „ zuckerförmige “ Heterocyclen wurden in der Natur gefunden , darunter Desoxynojirimycin , Swainsonin , Australin und Castanospermin . Aus diesen natürlichen Vorlagen haben viele andere Inhibitoren entwickelt worden, einschließlich Isofagomin und deoxygalactonojirimycin und verschiedene ungesättigte Verbindungen wie PUGNAc. Zu den Inhibitoren, die sich in der klinischen Anwendung befinden, gehören die Antidiabetika Acarbose und Miglitol sowie die antiviralen Medikamente Oseltamivir und Zanamivir . Es wurde festgestellt, dass einige Proteine ​​als Glycosidhydrolase-Inhibitoren wirken.

Siehe auch

Verweise

Externe Links