Formylering - Formylation
I biokemi betegnes tilføjelsen af en formylfunktionel gruppe formylering . En formylfunktionel gruppe består af en carbonyl bundet til hydrogen. Når den er knyttet til en R -gruppe , kaldes en formylgruppe et aldehyd .
Formylering er blevet identificeret i flere kritiske biologiske processer. Methionin blev først opdaget at være formyleret i E. coli af Marcker og Sanger i 1964 og blev senere identificeret til at være involveret i initieringen af proteinsyntese i bakterier og organeller. Dannelsen af N -formylmethionin katalyseres af enzymet methionyl -tRNA Met -transformylase . Derudover forekommer to formyleringsreaktioner i purines de novo biosyntese . Disse reaktioner katalyseres af enzymerne glycinamid ribonucleotid (GAR) transformylase og 5-aminoimidazol-4-carboxyamid ribotid (AICAR) transformylase . For nylig har formylering vist sig at være en histonmodifikation , som kan modulere genekspression.
Generel formyleringsreaktion
Formylering refererer til alle kemiske processer, hvor en forbindelse er funktionaliseret med en formylgruppe (-CH = O). I organisk kemi bruges udtrykket mest almindeligt med hensyn til aromatiske forbindelser (f.eks. Omdannelse af benzen til benzaldehyd i Gattermann -Koch -reaktionen ). I biokemi katalyseres reaktionen af enzymer, såsom formyltransferaser .
Formyleringsreaktioner i biologi
Metanogenese
Formylering af methanofuran starter methanogenesecyklussen . Formylgruppen stammer fra kuldioxid og omdannes til metan .
Formylering i proteinsyntese
I bakterier og organeller signaleres initiering af proteinsyntese ved dannelsen af formyl-methionyl-tRNA (tRNA fMet ). Denne reaktion er afhængig af 10-formyltetrahydrofolat og enzymet methionyl-tRNA formyltransferase. Denne reaktion bruges ikke af eukaryoter eller Archaea, da tilstedeværelsen af tRNA fMet i ikke -bakterielle celler kaldes indtrængende materiale og hurtigt elimineres. Efter dets produktion leveres tRNA fMet til 30S -underenheden af ribosomet for at starte proteinsyntese. fMet besidder den samme codonsekvens som methionin. FMet bruges imidlertid kun til initiering af proteinsyntese og findes således kun ved proteinets N -ende. Methionin bruges under resten oversættelse. I E. coli genkendes tRNA fMet specifikt ved initieringsfaktor IF-2 , da formylgruppen blokerer dannelse af peptidbinding ved N-terminalen af methionin.
Når proteinsyntesen er fuldført, kan formylgruppen på methionin fjernes ved peptiddeformylase . Methioninresten kan fjernes yderligere med enzymet methioninaminopeptidase .
Formyleringsreaktioner i purinbiosyntese
To formyleringsreaktioner er påkrævet i eleven trin de novo -syntese af inosinmonophosphat (IMP) , forløberen for purinribonukleotiderne AMP og GMP. Glycinamid ribonukleotid (GAR) transformylase katalyserer formyleringen af GAR til formylglycinamidin ribotid (FGAR) i den fjerde reaktion af vejen. På det næstsidste trin af de novo purinbiosyntese formyleres 5-aminoimidazol-4-carboxyamid-ribotid (AICAR) til 5-formaminoimidazol-4-carboxamid-ribotid (FAICAR) af AICAR-transformylase .
GAR -transformylase
PurN GAR -transformylase findes i eukaryoter og prokaryoter. Imidlertid er en anden GAR -transformylase, PurT GAR -transformylase blevet identificeret i E. coli . Selvom de to enzymer ikke har nogen sekvensbevaring og kræver forskellige formyldonorer, er den specifikke aktivitet og Km for GAR den samme i både PurT- og PurN GAR -transformylase.
PurN GAR transformylase
PurN GAR-transformylase 1CDE anvender coenzymet N10-formyltetrahydrofolat (N10-formyl-THF) som en formyldonor til at formylere a-aminogruppen i GAR. I eukaryoter er PurN GAR -transformylase en del af et stort multifunktionelt protein, men findes som et enkelt protein i prokaryoter.
Mekanisme
Formyleringsreaktionen foreslås at forekomme gennem en direkte overførselsreaktion, hvor amingruppen i GAR nukleofilt angriber N10-formyl-THF, hvilket skaber et tetraedrisk mellemprodukt. Da a-aminogruppen i GAR er relativt reaktiv, foreslås deprotonering af nukleofilen at ske ved opløsningsmiddel. På det aktive sted er Asn 106, His 108 og Asp 144 placeret til at hjælpe med formyloverførsel. Imidlertid har mutagenesestudier vist, at disse rester ikke er individuelt afgørende for katalyse, da kun mutationer af to eller flere rester hæmmer enzymet. Baseret på strukturen menes den negativt ladede Asp144 at øge pKa for His108, hvilket tillader den protonerede imidazoliumgruppe af His108 at øge N-formyl-THF-formylgruppens elektrofilicitet. Derudover menes His108 og Asn106 at stabilisere oxyanionen dannet i overgangstilstanden.
PurT GAR transformylase
PurT GAR -transformylase kræver formiat som formyldonor og ATP til katalyse. Det er blevet anslået, at PurT GAR-transformylase udfører 14-50% af GAR-formyleringer i E. coli . Enzymet er medlem af ATP-greb-superfamilien af proteiner.
Mekanisme
Der er blevet foreslået en sekventiel mekanisme for PurT GAR -transformylase, hvor et kortvarigt formylphosphat -mellemprodukt foreslås til første form. Dette formylphosphat -mellemprodukt undergår derefter et nukleofilt angreb af GAR -aminen til overførsel af formylgruppen. Et formylphosphat -mellemprodukt er blevet påvist i mutageneseeksperimenter, hvor den mutante PurT GAR -transforymylase havde en svag affinitet for formiat. Inkubering af PurT GAR -transformylase med formylphosphat, ADP og GAR giver både ATP og FGAR. Dette indikerer yderligere, at formylphosphat kan være et mellemprodukt, da det er kinetisk og kemisk kompetent til at udføre formyleringsreaktionen i enzymet. Et enzymphosphatmellemprodukt forud for formylphosphatmellemproduktet er også blevet foreslået at danne baseret på positionelle isotopudvekslingsstudier. Imidlertid indikerer strukturelle data, at formiatet kan placeres til et direkte angreb på y-phosphat af ATP i enzymets aktive sted for at danne formylphosphat-mellemproduktet.
AICAR transformylase
AICAR-transformylase kræver coenzym N10-formyltetrahydrofolat (N10-formyl-THF) som formyldonor til formylering af AICAR til FAICAR. AICAR transformylase og GAR transformylase deler imidlertid ikke en høj sekvenslighed eller strukturel homologi.
Mekanisme
Aminen på AICAR er meget mindre nukleofil end dens modstykke på GAR på grund af delokalisering af elektroner i AICAR gennem konjugering. Derfor skal N5 -nukleofilen i AIRCAR aktiveres, for at formyleringsreaktionen kan forekomme. Histidin 268 og Lysin 267 har vist sig at være afgørende for katalyse og er konserveret i al AICAR -transformylase. Histidin 268 er involveret i deprotonering af N5 -nukleofilen i AICAR, hvorimod Lysin 267 foreslås at stabilisere det tetraedriske mellemprodukt.
Formylering i histonproteiner
ε-Formylering er en af mange posttranslationelle ændringer, der forekommer på histonproteiner, som har vist sig at modulere kromatinkonformationer og genaktivering.
Formylering er blevet identificeret på Nε af lysinrester i histoner og proteiner. Denne ændring er blevet observeret i linkerhistoner og proteiner med høj mobilitet , det er meget rigeligt, og det menes at have en rolle i chromatinfunktionens epigenetik. Lysiner, der er formyleret, har vist sig at spille en rolle i DNA -binding. Derudover er der påvist formylering på histonlysiner, der også vides at være acetylerede og methylerede. Formylering kan således blokere andre posttranslationelle ændringer. Formylering detekteres hyppigst på 19 forskellige modifikationssteder på Histone H1. Cellens genetiske ekspression er stærkt forstyrret af formylering, hvilket kan forårsage sygdomme som kræft. Udviklingen af disse ændringer kan skyldes oxidativ stress.
I histonproteiner modificeres lysin typisk af Histone Acetyl-Transferases (HAT'er) og Histone Deacetylases (HDAC eller KDAC). Acetylering af lysin er grundlæggende for regulering og ekspression af visse gener. Oxidativ stress skaber et væsentligt anderledes miljø, hvor acetyl-lysin hurtigt kan udkonkurreres ved dannelsen af formyl-lysin på grund af formylphosphatarternes høje reaktivitet. Denne situation menes i øjeblikket at være forårsaget af oxidativ DNA -skade. En mekanisme til dannelse af formylphosphat er blevet foreslået, som den er stærkt afhængig af oxidativt beskadiget DNA og hovedsageligt drevet af radikal kemi i cellen. Det producerede formylphosphat kan derefter bruges til at formylere lysin. Oxidativ stress menes at spille en rolle i tilgængeligheden af lysinrester i overfladen af proteiner og muligheden for at blive formyleret.
Formylering i medicin
Formyleringsreaktioner som et lægemiddelmål
Inhibering af enzymer involveret i purinbiosyntese er blevet udnyttet som et potentielt lægemiddelmål for kemoterapi.
Kræftceller kræver høje koncentrationer af puriner for at lette opdelingen og har en tendens til at stole på de novo -syntese frem for nukleotid -bjærgningsvejen . Flere folatbaserede hæmmere er blevet udviklet til at hæmme formyleringsreaktioner med GAR -transformylase og AICAR -transformylase. Den første GAR-transformylasehæmmer Lometrexol [(6R) 5,10-dideazatetrahydrofolate] blev udviklet i 1980'erne gennem et samarbejde mellem Eli Lilly og akademiske laboratorier.
Selvom lometrexol ligner strukturen til N10-formyl-THF, er den ikke i stand til at udføre en carbonoverførselsreaktion. Derudover er flere GAR -baserede inhibitorer af GAR -transformylase også blevet syntetiseret. Udvikling af folatbaserede hæmmere har vist sig at være særligt udfordrende, da hæmmerne også nedregulerer enzymet folypolyglutamatsyntase , som tilføjer yderligere γ-glutamater til monoglutamatfolater og antifolater efter indtræden i cellen for øget enzymaffinitet. Denne øgede affinitet kan føre til antifolatresistens.
Leigh syndrom
Leigh syndrom er en neurodegenerativ lidelse, der er blevet forbundet med en defekt i en enzymatisk formyleringsreaktion. Leigh syndrom er typisk forbundet med defekter i oxidativ phosphorylering, som forekommer i mitokondrierne. Exome sekventering er blevet brugt til at identificere en mutation i genet, der koder for mitokondrielt methionyl-tRNA formyltransferase (MTFMT) hos patienter med Leigh syndrom. C.626C> T -mutationen identificeret i MTFMT, der giver symptomer på Leigh -syndrom, menes at ændre eksonsplejsning, hvilket fører til en rammeskiftmutation og et for tidligt stopcodon. Personer med MTFMT c.626C> T-mutationen viste sig at have reduceret fMet-tRNAMet-niveauer og ændringer i formyleringsniveauet for mitokondrisk oversat COX1. Dette link giver bevis for nødvendigheden af formyleret methionin ved initiering af ekspression for visse mitokondrielle gener.
