Phenylalanin-Ammoniak-Lyase - Phenylalanine ammonia-lyase

Phenylalanin-Ammoniak-Lyase
Phenylalanin-Ammoniak-Lyase.png
PDB-Rendering basierend auf 1T6J.
Identifikatoren
EG-Nr. 4.3.1.24
CAS-Nr. 9024-28-6
Datenbanken
IntEnz IntEnz-Ansicht
BRENDA BRENDA-Eintrag
ExPASy NiceZyme-Ansicht
KEGG KEGG-Eintrag
MetaCyc Stoffwechselweg
PRIAM Profil
PDB- Strukturen RCSB PDB PDBe PDBsum
Gen-Ontologie AmiGO / QuickGO

Phenylalaninammoniaklyase ( EC 4.3.1.24 ) ist ein Enzym , das katalysiert eine Reaktion Umwandlung von L - Phenylalanin zu Ammoniak und trans - Zimtsäure . Die Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (PAL) ist der erste und engagierte Schritt im Phenylpropanoid-Weg und ist daher an der Biosynthese der Polyphenolverbindungen wie Flavonoide , Phenylpropanoide und Lignin in Pflanzen beteiligt . Phenylalanin-Ammoniak-Lyase ist weit verbreitet in Pflanzen sowie in einigen Bakterien , Hefen und Pilzen zu finden , wobei Isoenzyme in vielen verschiedenen Arten vorkommen. Es hat eine Molekülmasse im Bereich von 270–330  kDa . Die Aktivität von PAL wird als Reaktion auf verschiedene Stimuli wie Gewebeverletzung, pathogener Angriff, Licht, niedrige Temperaturen und Hormone dramatisch induziert . PAL wurde kürzlich auf mögliche therapeutische Vorteile bei Menschen untersucht, die an Phenylketonurie leiden . Es wurde auch bei der Herstellung von L- Phenylalanin als Vorläufer des Süßungsmittels Aspartam verwendet .

Das Enzym ist ein Mitglied der Ammoniak - Lyase - Familie, die Kohlenstoff-Stickstoff - Bindungen spaltet. Wie andere Lyasen benötigt PAL nur ein Substrat für die Vorwärtsreaktion, aber zwei für die Rückwärtsreaktion. Es wird angenommen, dass es dem verwandten Enzym Histidin-Ammoniak-Lyase (EC:4.3.1.3, HAL) mechanistisch ähnlich ist . Der systematische Name dieser Enzymklasse lautet L- Phenylalanin-Ammoniak-Lyase (trans-cinnamat-bildend) . Zuvor wurde es als EC 4.3.1.5 bezeichnet , aber diese Klasse wurde umbenannt in EC 4.3.1.24 (Phenylalanin-Ammoniak-Lyasen), EC 4.3.1.25 (Tyrosin-Ammoniak-Lyasen) und EC 4.3.1.26 (Phenylalanin/Tyrosin-Ammoniak- Lyasen). Andere gebräuchliche Namen umfassen Tyrase , Phenylalanin-Desaminase , Tyrosin-Ammoniak-Lyase , L- Tyrosin-Ammoniak-Lyase , Phenylalanin-Ammonium-Lyase , PAL und L- Phenylalanin- Ammoniak-Lyase .

Mechanismus

Phenylalaninammoniaklyase ist spezifisch für L - Phe, und in einem geringeren Ausmaß, L - Tyrosin . Die durch PAL katalysierte Reaktion ist eher eine spontane Eliminierungsreaktion als eine oxidative Desaminierung .

L -phenylalanin trans zimtsäure + NH 3

Die Cofaktor - 3,5-dihydro-5-methyldiene-4 H -imidazol-4-on (MIO) wird an der Reaktion beteiligt und sitzt auf dem positiven Pol des drei polaren Helices in der aktiven Stelle, die ihre erhöhen hilft Elektrophilie . MIO wird vom aromatischen Ring von L- phe angegriffen, der die CH-Bindung am β-Kohlenstoff zur Deprotonierung durch einen basischen Rest aktiviert . Das Carbanion- Zwischenprodukt dieser E1cB-Eliminierungsreaktion , das durch partielle positive Bereiche im aktiven Zentrum stabilisiert wird, stößt dann Ammoniak aus, um das Zimtalken zu bilden. Es wird angenommen, dass der Reaktionsmechanismus von PAL dem Mechanismus des verwandten Enzyms Histidin-Ammoniak-Lyase ähnlich ist.

Vorgeschlagene autokatalytische Bildung des MIO-Cofaktors aus dem Tripeptid Ala-Ser-Gly durch zwei Wassereliminierungsschritte.

Ein Dehydroalaninrest wurde lange Zeit als der wichtigste elektrophile katalytische Rest in PAL und HAL angesehen, später stellte sich jedoch heraus, dass der aktive Rest MIO ist, der noch elektrophiler ist. Es wird durch Cyclisierung und Dehydratisierung des konservierten Ala-Ser-Gly-Tripeptidsegments gebildet. Der erste Schritt der MIO-Bildung ist eine Cyclisierungs-Eliminierung durch einen intramolekularen nukleophilen Angriff des Stickstoffs von Gly204 an der Carbonylgruppe von Ala202. Eine anschließende Wasserabspaltung aus der Seitenkette von Ser203 vervollständigt das System der kreuzkonjugierten Doppelbindungen. Die Zahlen sind für die Phenylalanin-Ammoniak-Lyase aus Petroselinum crispum ( PDB 1W27) angegeben. Obwohl MIO eine Polypeptidmodifikation ist, wurde vorgeschlagen, sie als prothetische Gruppe zu bezeichnen, da sie die Qualität einer hinzugefügten organischen Verbindung hat.

PAL wird durch trans-Zimtsäure gehemmt und kann bei einigen Spezies durch trans- Zimtsäure-Derivate gehemmt werden. Die nichtnatürlichen Aminosäuren D- Phe und D- Tyr, die enantiomeren Formen des normalen Substrats, sind kompetitive Inhibitoren .

Struktur

Aktive PAL-Site

Phenylalanin-Ammoniak-Lyase besteht aus vier identischen Untereinheiten, die hauptsächlich aus Alpha-Helices bestehen , wobei Monomerpaare ein einziges aktives Zentrum bilden . Die Katalyse in PAL kann durch die Dipolmomente von sieben verschiedenen Alpha-Helices bestimmt werden, die mit dem aktiven Zentrum assoziiert sind. Das aktive Zentrum enthält die elektrophile Gruppe MIO, die nicht kovalent an drei Helices gebunden ist. Leu266, Asn270, Val269, Leu215, Lys486 und Ile472 befinden sich auf den Helices des aktiven Zentrums, während Phe413, Glu496 und Gln500 zur Stabilisierung des MIO-Cofaktors beitragen. Die Ausrichtung der durch Helices erzeugten Dipolmomente innerhalb des aktiven Zentrums erzeugt eine elektropositive Region für eine ideale Reaktivität mit MIO. Die teilweise positiven Regionen im aktiven Zentrum können auch dazu beitragen, die Ladung eines Carbanion-Zwischenprodukts zu stabilisieren. PAL ist strukturell der mechanistisch verwandten Histidin-Ammoniak-Lyase ähnlich, obwohl PAL etwa 215 zusätzliche Reste aufweist.

Funktion

Phenylalanin-Ammoniak-Lyase kann bei verschiedenen Spezies unterschiedliche Funktionen erfüllen. Es kommt hauptsächlich in einigen Pflanzen und Pilzen (zB Hefe) vor. In Pilz- und Hefezellen spielt PAL eine wichtige katabole Rolle, indem es Kohlenstoff und Stickstoff erzeugt . In Pflanzen ist es ein wichtiges biosynthetisches Enzym, das den ersten Schritt in der Synthese einer Vielzahl von Polyphenylverbindungen katalysiert und hauptsächlich an Abwehrmechanismen beteiligt ist. PAL ist an 5 Stoffwechselwegen beteiligt : Tyrosin-Stoffwechsel , Phenylalanin-Stoffwechsel , Stickstoff-Stoffwechsel , Phenylpropanoid-Biosynthese und Alkaloid-Biosynthese .

Krankheitsrelevanz

Eine Enzymsubstitutionstherapie mit PAL zur Behandlung von Phenylketonurie (PKU), einer autosomal-rezessiven genetischen Erkrankung beim Menschen, bei der Mutationen im Phenylalanin-Hydroxylase (PAH, EC 1.14.16.1)-Gen das Enzym inaktivieren, wird erforscht. Dies führt zu einer Unfähigkeit des Patienten, Phenylalanin zu metabolisieren, was zu erhöhten Phe-Spiegeln im Blutkreislauf ( Hyperphenylalaninämie ) und zu geistiger Behinderung führt, wenn die Therapie nicht bei der Geburt begonnen wird.

Im Mai 2018 hat die FDA Pegvaliase zugelassen , eine rekombinante PEGylierte Phenylalanin-Ammoniak-Lyase zur Behandlung von PKU, die von Biomarin entwickelt wurde .

Forschung

Künstliche Süßstoffe

Die durch PAL katalysierte Umkehrreaktion wurde für die Verwendung zur Umwandlung von trans- Zimtsäure in L- Phenylalanin untersucht , das eine Vorstufe des Süßungsmittels Aspartam ist. Dieses Verfahren wurde von der Genex Corporation entwickelt, aber nie kommerziell übernommen.

Unnatürliche Aminosäuresynthese

Analog zur Synthese von Aspartam wird PAL auch zur Synthese von nichtnatürlichen Aminosäuren aus verschiedenen substituierten Zimtsäuren für Forschungszwecke verwendet. Sterische Hinderung von Aren Substitution begrenzt PAL des Versorgers für diesen Zweck jedoch. Als beispielsweise Rhodotorula glutinis verwendet wurde, um diese Biotransformation zu beeinflussen, wurde festgestellt, dass das Enzym alle para- Substituenten außer F nicht toleriert , vermutlich aufgrund des kleinen Atomradius des Elements . Es wurde festgestellt, dass meta- und ortho- Positionen toleranter sind, aber immer noch durch größere Substituenten eingeschränkt sind. Zum Beispiel erlaubte das aktive Zentrum des Enzyms die ortho- Methoxy- Substitution, verbot aber meta- Ethoxy . Andere Organismen mit anderen Versionen des Enzyms können auf diese Weise weniger eingeschränkt sein.

Strukturstudien

Bis Ende 2007 wurden für diese Enzymklasse 5 Strukturen mit den PDB- Zugangscodes 1T6J , 1T6P , 1W27 , 1Y2M und 2NYF gelöst .

Verweise

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