泛酸的功能和生物合成

《生命的化學(xué)》2008年28卷4期,448●●Mini ReviewCHEMISTRY OF LIFE 2008, 28(4)文章編號: 000-13362008)04-0448-05泛酸的功能和生物合成楊延輝肖春玲(中國醫學(xué)科學(xué)院醫藥生物技術(shù)研究所，北京100摘要:泛酸是輔酶A(CoA)和?；d體蛋白(ACP)生物合成的重要前體物質(zhì)，參與生物體內碳水化合物、脂肪酸、蛋白質(zhì)和能量代謝。在入體中還參與類(lèi)固醇、樾黑激素，抗體和亞鐵血紅素的合成。生物體內的泛酸合成是由酮泛解酸羥甲基轉移酶(PanB),酮泛解酸還原酶(PanE), L- 天冬氨酸-a.脫羧酶(PanD)和泛酸合成酶(PanC)四種酶協(xié)同催化下完成的。由于泛酸合成途徑只存在于植物和低等生物中，選擇該生物合成途徑酶作為藥物靶點(diǎn)將會(huì )有高度的選擇性。本文綜述了泛酸的功能和巳經(jīng)研究清楚大腸桿菌和分支結核桿菌中的泛酸生物合成途徑所涉及的酶的結構和特性。關(guān)鍵詞:泛酸;酮泛解酸羥甲基轉移酶;酮泛解酸還原酶; L-天冬氨酸-a.脫羧酶;泛酸合成酶中圖分類(lèi)號: Q71泛酸又稱(chēng)遍多酸或維生素B5,是一種水溶性維1.泛酸的性質(zhì)與功能生素。1931 年, Ringrose 等開(kāi)始研究泛酸，到1940年1.1性質(zhì)泛酸的化學(xué)式為CH20HC(CH)2CH0HCONH-確定其結構并化學(xué)合成了泛酸。由于食物中泛酸含CH2CHFCOOH,由泛解酸和b-Ala組成。有旋光性,僅量豐富，很少出現缺乏癥，因此對泛酸生物學(xué)性質(zhì)D型([x]=+37.5*)有生物話(huà)性。消旋泛酸具有吸濕性和的研究工作進(jìn)展相對緩慢。隨著(zhù)分子生物學(xué)的發(fā)展,靜電吸附性;純游離泛酸是一種淡黃色粘稠的油狀尋找新型抗菌藥物靶點(diǎn)的研究不斷取得新進(jìn)展，泛物，具酸性，易溶于水和乙醇，不溶于苯和氯仿。泛酸生物合成途徑開(kāi)始受到重視。酸在酸、堿、光及熱等條件下都不穩定。泛酸的生物合成途徑包括四種酶，分別是酮泛泛酸幾乎存在于所有的活細胞中，在原核生解酸羥甲基轉移酶(PanB)、酮泛解酸還原酶(PanE).物、真菌、霉菌和植物的細胞內可以通過(guò)酶促反應L天冬氨酸-Q-脫羧酶(PanD)和泛酸合成酶(PanC)。到合成"。生物體還可以通過(guò)依賴(lài)Na*的多維生素轉運目前為止在大腸桿菌(Escherichia coli)和分支結核桿體(SMVT，又稱(chēng)泛酸透酶)將泛酸轉運到細胞內2。菌[Mycobacterium tuberculosis (MTB)]中的這些酶的1.2功能 泛酸在體內轉變成輔酶A(CoA)或?；d生化特征和結構信息都取得了詳細的研究結果，在體蛋白(ACP)參與脂肪酸代謝反應。CoA是生物體內一些重要的致病菌(如結核分枝桿菌，瘧原蟲(chóng)，腦膜70多種酶的輔助因子(約占總酶量的4%3)，細菌還炎雙球菌和幽門(mén)螺旋桿菌等)中與泛酸合成相關(guān)酶類(lèi)需要CoA來(lái)構建細胞壁。在新陳代謝中CoA主要發(fā)的大量信息也逐漸被揭示。本文將近年來(lái)泛酸的功揮?；d體的功能，參與糖、脂肪、蛋白質(zhì)和能量能和生物合成途徑中的四種酶的研究進(jìn)展作了綜述，代謝，還可以通過(guò)修飾蛋白質(zhì)來(lái)影響蛋白質(zhì)的定位、以期對新型抗菌藥物的研究提供理論基礎。.穩定性和活性。CoA為生物體提供了90%的能量。泛酸是脂肪酸合成類(lèi)固醇所必需的物質(zhì);也可參與類(lèi)固醇紫質(zhì)、褪黑激素和亞鐵血紅素的合成;收稿日期: 2008-02-06 .作者簡(jiǎn)介:楊延輝(1982-)， 男，碩士生，E-mail:還是中國煤化工化、合成抗體等代謝所HCN M H G在體內可作用于正yyhysf@163.com;肖春玲(1961-), 女，學(xué)士，研究員，聯(lián)系常的上皮器官如神經(jīng)、腎上腺、消化道及皮膚，提作者，E-mail: xiaocl318@ 163.com《生命的化學(xué)》2008 年28卷4期●小綜述449●CHEMISTRY OF LIFE 2008，28(4)高動(dòng)物對病原體的抵抗力。泛酸也可以增加谷胱甘形成五聚體，2個(gè)五聚體結合成十聚體，屬于(βc)s磷肽的生物合成從而i減緩細胞凋亡和損傷。實(shí)驗證明,酸烯醇式丙酮酸超家族的成員91。二級結構由8個(gè)平泛酸會(huì )對遭受脂質(zhì)過(guò)氧化損傷的細胞和大鼠具有很行的β折疊形成緊密的β圓簡(jiǎn)狀，6個(gè)a螺旋形成β好的保護作用4。圓簡(jiǎn)的外緣，N- 端有一個(gè)a螺旋疊加在圓簡(jiǎn)的表面。泛酰巰基乙胺可以降低膽固醇和甘油三酯的濃酶的活性位點(diǎn)位于兩組五聚體亞基界面的裂縫處，度。泛酸及其衍生物還可以減輕抗生素等藥物引起N.端和β5-as環(huán)可對裂縫的形狀進(jìn)行修飾。酶含有兩的毒副作用，參與多種營(yíng)養成分的吸收和利用。個(gè)高度保守的模序LVGDS和GIGAG,活性位點(diǎn)的一2.泛酸的生物合成端含有一個(gè)Mg*, Asp 與GIu殘基位于軸心，保守2.1生物合成途徑泛酸是 由a-酮異戊酸和L-天冬的Lys]3I, Sers3 和表面的Glu19, His5 氨基酸殘基接氨酸兩種物質(zhì)經(jīng)過(guò)四步酶促反應生成。最后在泛酸近于金屬中心。Glu133 的羧基與Hislss的咪唑環(huán)堆積合成酶的催化下由ATP提供能量連接β-Ala和泛解在一起形成帶有負電荷的π電子云(圖2和3)16]。酸生成泛酸(圖1)。利用E. coli泛酸缺陷型菌株證明E. coli的PanB分子量約為255 kDa,等電點(diǎn)(pD)了泛酸的生物合成途徑是L-Val生物合成的分支。因為4.4,米氏常數(K_)(ax-酮異戊酸)為1.1 X 10 molL;此如果微生物失去合成L-Val. B-Ala 或半胱氨酸的能K.(四氫葉酸)為1.8X 10-* molL; K.(甲醛)為5.9X 10力也將無(wú)法合成泛酸。3 mol/L，最適pH在7.0到7.6之間。在37 C酶的V雖然細胞膜對外源性泛酸無(wú)通透性，但是在泛約為8 mo/min?？杀缓罄m產(chǎn)物泛酸(500 umol/L),酮酸透酶的幫助下可以將細胞外的泛酸轉運到細胞內,泛解酸(50 μumol/L)和CoA(>1 mmol/L)反饋抑制, a-丁因此高等動(dòng)物可以直接利用體外已有的泛酸。此外酸酮、丙酮酸和水楊酸酯是PanB的競爭性抑制劑”。自然界中,在動(dòng)物的體液或細胞液中也含有泛酸的高該酶在催化底物發(fā)生烯醇化反應時(shí)需要Ns,NIo-亞甲級同系物被稱(chēng)為“高泛酸”。它是由泛解酸和4-氨基基四氫葉酸和二價(jià)金屬離子參與，同時(shí)它們也是該丁酸生成的，4- 氨基丁酸主要是在Glu脫羧酶(EC 4.酶的激活劑。1.115)催化作用下由L-Glu脫羧生成。(2)酮泛解酸還原酶(EC 1.1.1.169)。酮泛解酸還原2.2生物合成酶系(1)酮泛解酸羥甲基轉移酶(EC2.1. 酶(PanE)是 PanE基因的表達產(chǎn)物，在NADPH的幫2.11)。酮泛解酸羥甲基轉移酶(PanB)是PanB基因的助下將酮泛解酸還原為泛解酸。在MTB和E. coli中表達產(chǎn)物，催化底物a-酮異戊酸增加一個(gè)甲基形成PanE的晶體結構數據表明，酶的四級結構是單體,酮泛解酸，反應過(guò)程是可逆的。在MTB和E. coli 中并被中間的裂縫分成兩部分(圖4) N- 端區域和C-端PanB的晶體結構數據表明，酶的四級結構為十聚區域，分別由aβ折疊和8個(gè)a螺旋組成。二級結構體，由10個(gè)相似的亞基組成，5個(gè)亞基嵌合在一起共由 12個(gè)a螺旋，3個(gè)3。螺旋和11個(gè)β折疊組成。NADPH MOp+ HC.Ho He一0H麗泛解展HO_a酮異戊晚鵬泛解鞭還原廉鈺解最ATP ANP PPINH2OH :天等氨脫發(fā)癬L-天冬氨腴中國煤化工MYHCNMHG圖1泛酸的生物合成途徑[51《生命的化學(xué)》2008年28卷4期450●Mini ReviewCHEMISTRY OP LIFE 2008，28(4) .G71E256,N98D248C99 4R179圈2 MTB PanB的十聚體結構模型俯視圖161G262C-termE210圈4 MTB PanE的結構模型國的圖3 MTB PanB的單亞基結構模型6實(shí)屬于6-磷酸葡萄糖脫氫酶C-端區域相似超家族成員。由于LysI76和Glu256突變后酶無(wú)活性，所以它們圖5 E. coli PanD的四聚體結構[9]屬于保守氨基酸。在β1 和a1之間含有代表核苷酸結合位點(diǎn)的GCGALG序列，通過(guò)序列比對得到16個(gè)kDa)和一個(gè)不完整的加工產(chǎn)物π-蛋白(在特異的X-保守性氨基酸(圖4)，均位于裂縫附近。保守的Ser鍵處被水解的無(wú)活性的蛋白質(zhì)前體，分子量約為GXGXXG序列也存在于這個(gè)區城中8。13.8 kDa)101。PanD 一級結構上的保守性氨基酸殘基E. coli的PanE分子量為33.8 kDa,有303個(gè)氨為L(cháng)ys9、His"、 Arg*、 Thr7 和Tyr"*?；釟埢?，K_(NADPH)為 20 μM, K.(酮泛解酸)為60MTB的PanD的pI為4.2,最適溫度為37°C,最μM，催化常數(k.)為40 s18。適pH為7.0, Km(L-Asp)和km 為分別為219.6 umol/L和(3)L-天冬氨酸-a-脫羧酶(EC 4.1.1.11)。L天冬氨0.65 s-。各種能與羰基反應的試劑,如NaBH4、D- 環(huán)酸-Q-脫羧酶(PanD)是PanD基因的表達產(chǎn)物，催化絲氨酸、肼、苯肼等對PanD均有抑制作用，其中羥:脫去LAsp的a羧基形成B-Ala. MTB和E. coli的PanD胺是最有效的抑制劑11; a-酮戊二酸為酶的激活晶體結構數據表明，四級結構是由a和β兩種不同劑。中國煤化工的亞基組成的四聚體(圖5)，a- 亞基靠近N-端Ser殘乏酸合成酶(PanC)是基上共價(jià)結合丙酮?；鶊F9，β- 亞基的C-端為羥基.MYHCNMHGpanC基兇時(shí)衣心;物，匕足比民生物合成途徑的最全酶含有三個(gè)aβ-亞基(分子量分別為11 kDa和2.8后一個(gè)關(guān)鍵酶，催化泛解酸與B-Ala結合形成泛酸?！渡幕瘜W(xué)》2008 年28卷4期●小綜述●451●CHEMISTRY OF LIFE 2008, 28(4)MTB、E. coli和Thermus thrmophilus泛酸合成酶晶體結構數據表明，酶是以同型二聚體形式存在的。SDS變性聚丙烯酰胺凝膠電泳法測得亞基的分子量約為33 kDa。E. coli泛酸合成酶的pI為4.6,最適pH值為10.0,最適溫度為30°C。Kt, NH+和Mg2+可作為激活劑。一些0-氨基酸有強烈的抑制作用,酶也可以被整合劑抑制，丁酸鈉對其有弱的抑制。表觀(guān)K(泛解酸)為63 umol/L, K.(B-Ala)為150 μmolL, Km(ATP)為100 pumolL, keu 為3.4s-.酶反應動(dòng)力學(xué)機制為“乒乓機制”，分兩步反應進(jìn)行121。在植物擬南芥中的泛酸合成酶還可以發(fā)生變構效應，這種變構效應在不改變活性位點(diǎn)的情況下實(shí)現功能適應性圖6 MTB PanC的結構模型151PanC的四級結構為蝴蝶狀(圖6)，每個(gè)亞基都含形成泛酰腺苷酸,隨后結合β-丙氨酸，活性中心位有兩個(gè)非常容易被區分的區域，活性中心的洞穴是點(diǎn) 可容納體積較大的AMPCPP,這表明不反應的泛由N-端區域的186個(gè)氨基酸殘基形成的Rossmann折酰腺苷酸類(lèi)似物很可能是PanC的高親和性和高特異疊組成，被C-端區域鉸鏈結構覆蓋。在與底物結合性的抑制劑[15)。時(shí)，His47 或Lysl60決定著(zhù)酶對ATP的親和力; His、. 3. 束語(yǔ)His47. Asn"、 GIn”2、 LysI60 對穩定反應中間體泛酰腺泛酸在生物體中發(fā)揮著(zhù)許多重要的功能，泛酸苷酸發(fā)揮著(zhù)重要作用141。合成途徑中的四種酶的主要特征已經(jīng)得到確證(表MTB和E.coli的泛酸合成酶三維結構N-端區1)。泛酸可以直接影響細菌的生長(cháng)，也會(huì )影響到- -城在結構.上與1類(lèi)氨酰tRNA合成酶相似，屬于胞苷些病原菌的致病能力。這種影響作用在MTB中已經(jīng)酰轉移酶超家族成員。發(fā)生反應時(shí)首先在活性中心得到證實(shí)，將PanCD基因雙敵除后得到的MTB毒表1泛酸合成途徑四種酶信息酶中文全稱(chēng)酮泛解酸羥甲基轉移酶酮泛解酸還原酶L 天冬氨酸-a-脫羧酶泛酸合成酶酶英文全稱(chēng)ketopantoateL-aspartate-a-decarboxylasepantothenatehydroxymethyltransferasereductasesynthetase編碼基因PanBPanEPanDPanC蛋白名稱(chēng)四級結構十聚體海星狀單體“8”字形四聚體二聚體蝴蝶狀輔助因子N.,N。.亞甲基四氫葉酸Mg* NADPH維生素B。K*、Mg2*. ATP等0)-氨基酸、丁酸抑制劑a-丁酸酮、丙酮酸和水楊酸尚不明確NaBH.肼、苯肼、D-鈉、草酸萘呋胺酯等環(huán)絲氨酸、羥胺脂H47、H44、 N69,保守氨基酸LVGDS和GIGAG序列GCGALG和K9、H11_ R54. TS7和Y58072和K160催化a-酮異戊酸加上羥甲GXGXXG序列中國煤化工化泛解酸與生物功能基形成酮泛解酸，同時(shí)亞甲催化酮泛解酸催化.MYHCNMHG兩氨酸結合基四氫葉酸變?yōu)樗臍淙~酸還原形成泛解酸B- 丙氨酸形成泛酸《生命的化學(xué)》2008年28卷4期●452●●Mini ReviewCHEMISTRY OF LIFE 2008，28(4)性比卡介苗還低0。Rubin巳經(jīng)證明是PanC基因對合成酶為靶點(diǎn)的抗結核藥物篩選模型，并應用該模結核分支桿菌的生存至關(guān)重要7。PanCD 基因突變型從微生物的次級代謝產(chǎn)物尋找PanC抑制劑的研究的MTB即使再提供外源性泛酸也無(wú)法恢復MTB的已經(jīng)完全展開(kāi)。期望在不久的將來(lái)，針對泛酸生物致病性。由于泛酸合成途徑在高等動(dòng)物中不存在，合成途徑的研究獲得與目前臨床上所用具有完全不決定了從這個(gè)生物合成途徑中尋找抗菌藥物靶點(diǎn)是同的作用機制的抗菌藥物。實(shí)現與現有的抗菌藥物可行的。通過(guò)對惡臭假單胞菌、超嗜熱菌、百脈根聯(lián)合使用，解決由耐藥菌引發(fā)的感染問(wèn)題。根瘤菌、乳酸乳球菌、大腸桿菌、副百日咳桿菌、致參考文獻病性結核桿菌、間號狀鉤端螺旋體和釀酒酵母等菌Ottenhof HH et al. Plant J, 2004, 37: 61-72泛酸合成途徑中的四個(gè)酶的氨基酸序列比對發(fā)現在丁玉琴等， 衛生研究, 2002, 31(6): 481-483微生物中它們的保守序列同源性較大，因此，推斷Genschel U. Mol Biol Evol, 2004, 21(7): 1242-1251針對泛酸合成途徑酶類(lèi)為靶點(diǎn)進(jìn)行的抗菌藥物研究丁玉琴?lài)忉t學(xué)衛生學(xué)分冊，2000, 27(5): 304-306很可能獲得的是廣譜抗生素類(lèi)藥物。Schmitzberger F et al. J Bacteriol, 2003, 185(14): 4163-4171Chaudhuri BN et al. Structure, 2003, 11: 753-764基因組學(xué)和蛋白質(zhì)組學(xué)等分子生物學(xué)技術(shù)的發(fā)Primerano DA et al. J Bacteriol, 1982, 150(3): 1202-1211展促進(jìn)了泛酸合成途徑中的各種酶結構和理化性質(zhì)Matak-Vinkovic D et al. Biochem, 2001, 40: 14493-14500的研究，在此基礎上于2005年劍橋大學(xué)化學(xué)實(shí)驗室9 Kwon AR et al. Acta Cystllgr D Biol Crstallogr, 2002, 58:Ciulli和Abell等開(kāi)創(chuàng )立應用生物物理學(xué)的方法將861-863PanB. PanE 和PanC作為靶酶進(jìn)行藥物抑制劑設計10 Ramjee MK et al. Biochem J, 1997, 323(3): 661-669的研究叫; Chopra 和Kwon等將PanD作為病源微生11 高麗娟等.工業(yè)微生物，2007, 37(5): 54.5912 Miyatake K et al. J Nutr Sci Viaminol, 1978, 24: 243-53物如MTB和幽門(mén)螺桿菌的藥物作用的靶點(diǎn)的研究3 Jonczyk R et al. J Biol Chem, 2006, 281(49); 37435-37446.也在進(jìn)行中;在2007年，Lucile 和Kristen等運用多14 Zheng R et al. Biochemistry, 2004, 43: 7171-7178級酶促反應對化合物庫進(jìn)行PanC抑制劑篩選研究得15 Wang s et al. Protein Sci, 2003, 12: 1097-11086 Sambandamurthy VK et al. Nat Med, 2002, 8: 1171-1174到了有抑制作用的草酸萘呋胺酯，對它的抗菌活性7 Sasetti CM et al. Mol Microbiol, 2003, 48(1): 77-84的進(jìn)行了研究9);中國醫學(xué)科學(xué)院醫藥生物技術(shù)研18 ciulli A et al. Biochem Soc Trans, 2005, 33: 767-771究所新藥篩選重點(diǎn)實(shí)驗室首次在國內建立起以泛酸.9 White EL et al. J Biomol Screen, 2007, 12: 100-105The functions and biosynthesis of pantothenateYan-Hui YANG Chun-Ling XIAO(Institute of Medicinal Bioechnology, Chinese Academy of Medical Sciences, Bejjng 00050,0 China)AbstractPantothenate is a crucial precursor for the biosynthesis of coenzyme A (CoA) and acyl carrier protein (ACP). Ittakes part in metabolism of carbohydrate, fatty acid, protein and energy. It is also involved in the synthesis of steroid,melatonin, antibody and heme. The process of biosynthesis is catalyzed by ketopantoate hydroxymethytransferase. ketopantoatereductase, L-aspartale-a-decarboxylase and pantothenate synthetase. Plants and low organisms can synthesize pantothenate bythemselves, so these enzymes would be specifically selective and potential drug targets. This review describes the functions ofpantothenate and the structures and characteristics of the four enzymes in detail. which are related to biosynthesis pathway ofpantothenate in E. coli and Mycobacterium tuberculosis.Keywordspantotbenate; ketopantoate bydroxymethylransferase中國煤化工adeaboylse;pantothenate synthetaseMYHCNMHG