In der Biochemie ist Ligase, auch Synthetase genannt, ein Enzym, das das Verknüpfen von zwei großen Molekülen durch die Bildung einer neuen chemischen Bindung wie C-O, C-S, C-N katalysiert oder das Verknüpfen von zwei Verbindungen, normalerweise begleitet von der Hydrolyse einer kleinen angehängten chemischen Gruppe an eines der größeren Moleküle. Dieses Verfahren assimiliert normalerweise die benötigte Energie aus der Spaltung einer energiereichen Phosphatbindung, beinhaltet die Erhaltung chemischer Energie und bietet eine Verbindung zwischen energieverbrauchenden synthetischen Prozessen und energieerzeugenden Abbaureaktionen. In den meisten Fällen fungiert die gleichzeitige Umwandlung von ATP in Adenosin ADP als Energiequelle. Die von der Ligase katalysierte Reaktion hat eine allgemeine Formulierung wie folgt:

Nomenklatur

Die gängigen Namen von Ligasen enthalten oft das Wort "Ligase", wie DNA-Ligase, ein häufig verwendetes Enzym im molekularbiologischen Labor, um DNA-Fragmente miteinander zu verknüpfen. Synthetase ist ein weiterer häufig verwendeter Name für Ligasen, da sie bei der Synthese neuer Moleküle eingesetzt werden. Synthetasen werden manchmal von Synthasen unterschieden und manchmal als Synonym für Synthasen behandelt. Aus der Sicht der Definition werden Nukleosidtriphosphate wie ATP, GTP, CTP, TTP und UTP von Synthetasen verwendet, um Energie zu erzeugen, während Synthasen keine Nukleosidtriphosphate verwenden. Eine Synthase wird auch als Lyase anerkannt, die die Spaltung verschiedener chemischer Bindungen durch Mittel außer Hydrolyse und Oxidation katalysiert, ohne dass Energie benötigt wird, während eine Synthetase eine Ligase ist, die zwei Chemikalien oder Verbindungen mit Energiebedarf verbindet. Die Gemeinsame Kommission für Biochemische Nomenklatur (JCBN) hat festgelegt, dass Synthase jedes Enzym darstellen kann, das die Synthese katalysiert, während Synthetase synonym verwendet werden muss.

Klassifikation

Im EC-Nummer-Klassifikationssystem werden Ligasen als EC 6 klassifiziert und können weiter in sechs Unterklassen unterteilt werden.

Anwendungen mehrerer gängiger Ligasen

DNA-Ligase ist eine spezifische Art von Enzym, das das Verknüpfen von DNA-Strängen fördert, indem es die Bildung einer Phosphodiesterbindung zwischen Phosphat und Desoxyribose katalysiert. DNA-Ligase ist während der Replikation, Reparatur und Rekombination von DNA aktiv. Sie wird häufig zur Reparatur von Einzelstrangbrüchen in Duplex-DNA lebender Organismen verwendet, wobei der komplementäre Strang der Doppelhelix als Vorlage dient, während einige Formen speziell Doppelstrangschäden beheben können. In molekularbiologischen Laboren wird gereinigte DNA-Ligase umfassend in der Gentechnik verwendet, um DNA-Moleküle miteinander zu verbinden und rekombinante DNA zu bilden. Eine weitere innovative Anwendung der DNA-Ligase ist im Bereich der Nanochemie zu sehen, insbesondere in der DNA-Origami. DNA-Ligase kann enzymatische Unterstützung bieten, die entscheidend ist, um eine DNA-Gitterstruktur aus DNA-Überhängen zu konstruieren, und somit die Montage von nanoskaligen Objekten wie Nanomaschinen, Nanoelektronik, Biomolekülen und photonischen Komponenten zu ermöglichen.

Als weiteres typisches Beispiel für Ligase kann T4 RNA-Ligase 1 genannt werden, das in der Lage ist, die ATP-abhängige kovalente Verknüpfung von einzelsträngigen 5'-phosphorylierten Termini von RNA mit einzelsträngigen 3'-hydroxyl Termini von RNA zu katalysieren. T4 RNA-Ligase 2 zeichnet sich durch kritische Signaturreste und eine einzigartige C-terminale Domäne aus, die für das Versiegeln der 3'-OH- und 5'-phosphorylierten RNA-Enden entscheidend ist und auch die Verknüpfung eines 3'-hydroxyl Endes von RNA mit einer 5'-phosphorylierten RNA katalysiert. Im Gegensatz zu T4 RNA-Ligase 1 bevorzugt es doppelsträngige Substrate, und ein vor-adenyliertes Substrat ist für die Ligation durch eine verkürzte Form von T4 RNA-Ligase 2 erforderlich. T4 RNA-Ligase ist in der Lage, das 3'-Ende von RNA mit Cytidin 3',5'-bis [α-32P] Phosphat zu markieren, die Zirkularisierung synthetischer Oligonukleotide zu induzieren und standortspezifisch zusammengesetzte Primer für PCR zu erzeugen. Spezifische Modifikationen von tRNAs könnten auch mit Hilfe von T4 RNA-Ligase durchgeführt werden, die auch die Ligation von Oligodeoxyribonukleotiden an einzelsträngige cDNAs für 5'-RACE katalysiert hat.

Ubiquitin-Ligase, auch als E3-Ubiquitin-Ligase bezeichnet, ist ein Enzym, das als einzelnes Polypeptid oder als multimerer Komplex existiert. E3-Ubiquitin-Ligase könnte zusammen mit dem Ubiquitin-aktivierenden Enzym E1 und dem Ubiquitin-konjugierenden Enzym E2, das mit Ubiquitin beladen wurde, arbeiten, um die Ubiquitinierung verschiedener Protein-Substrate für die gezielte Degradation durch das Proteasom zu beschleunigen. Das Ubiquitin wird letztendlich über eine Isopeptidbindung an ein Lysin auf dem Substratprotein angeheftet, und E3-Ligasen könnten sowohl mit dem Zielprotein als auch mit dem E2-Enzym interagieren, wodurch die Substratspezifität des E2-Enzyms vermittelt wird. Die Ubiquitinierung durch E3-Ubiquitin-Ligasen spielt auch eine wesentliche Rolle bei der Regulierung vieler biologischer Prozesse, wie Zelltransport, DNA-Reparatur und Signalgebung. Sie ist von großer Bedeutung in der Zellbiologie. E3-Ligasen nehmen auch eine Position in der Kontrolle des Zellzyklus und dem Abbau von Cyclinen ein. Das menschliche Genom kodiert mehr als 600 putative E3-Ligasen, was zu einer enormen Vielfalt an Substraten führt, während E3s die Spezifität der Protein-Substrate bestimmen könnten. Jüngste Forschungen haben ergeben, dass viele E3s mit menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht wurden und sie eine Klasse von attraktiven „drugable“ Zielen für pharmazeutische Interventionen darstellen.

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