In der Biochemie ist eine 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 zwei Verbindungen miteinander verbindet, was in der Regel mit der Hydrolyse einer kleinen angehängten chemischen Gruppe an eines der größeren Moleküle einhergeht. Dieser Vorgang nutzt meist die benötigte Energie aus der Spaltung einer energiereichen Phosphatbindung, beinhaltet die Konservierung chemischer Energie und bietet eine Verbindung zwischen energieverbrauchenden Syntheseprozessen und energieerzeugenden Abbaureaktionen. In den meisten Fällen dient die gleichzeitige Umwandlung von ATP zu Adenosin-ADP als Energiequelle. Die von Ligase katalysierte Reaktion hat folgende allgemeine Formulierung:

Nomenklatur

Die gebräuchlichen Namen von Ligase enthalten oft das Wort „Ligase“, wie DNA-Ligase, ein häufig verwendetes Enzym im molekularbiologischen Labor, um DNA-Fragmente miteinander zu verbinden. Synthetase ist ein weiterer häufig verwendeter Name für Ligase, da sie bei der Synthese neuer Moleküle eingesetzt werden. Synthetasen werden manchmal von Synthasen unterschieden und manchmal als Synonym für Synthasen behandelt. Aus Sicht der Definition verwenden Synthetasen Nukleosidtriphosphate wie ATP, GTP, CTP, TTP und UTP zur Energiegewinnung, während Synthasen keine Nukleosidtriphosphate nutzen. Eine Synthase wird auch als Lyase bezeichnet, die die Spaltung verschiedener chemischer Bindungen durch andere Mittel als Hydrolyse und Oxidation ohne Energiebedarf katalysiert, während eine Synthetase eine Ligase ist, die zwei Chemikalien oder Verbindungen unter Energieverbrauch verbindet. Die Joint Commission on Biochemical Nomenclature (JCBN) hat festgelegt, dass Synthase jedes Enzym bezeichnen kann, das eine Synthese katalysiert, während Synthetase synonym verwendet werden muss.

Klassifikation

Im EC-Nummern-Klassifikationssystem werden Ligase als EC 6 klassifiziert und können weiter in sechs Unterklassen eingeteilt werden.

Anwendungen mehrerer gängiger Ligase

Die DNA-Ligase ist ein spezieller Enzymtyp, der das Verknüpfen von DNA-Strängen fördert, indem sie die Bildung einer Phosphodiesterbindung zwischen Phosphat und Desoxyribose katalysiert. DNA-Ligase ist während der Replikation, Reparatur und Rekombination von DNA aktiv. Sie wird weit verbreitet bei der Reparatur von Einzelstrangbrüchen in doppelsträngiger DNA von Lebewesen eingesetzt, wobei der komplementäre Strang der Doppelhelix als Vorlage dient, während einige Formen speziell Doppelstrangschäden reparieren können. In molekularbiologischen Laboren wird gereinigte DNA-Ligase häufig beim Klonieren von Genen verwendet, um DNA-Moleküle zu rekombinanter DNA zu verbinden. Eine weitere innovative Anwendung der DNA-Ligase findet sich im Bereich der Nanochemie, insbesondere bei DNA-Origami. DNA-Ligase kann enzymatische Unterstützung bieten, die für den Aufbau von DNA-Gitterstrukturen aus DNA-Überhängen unerlässlich ist, wodurch nanoskalige Objekte wie Nanomaschinen, Nanoelektronik, Biomoleküle und photonische Komponenten weiter zusammengebaut werden können.

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

Ubiquitin-Ligase, auch E3-Ubiquitin-Ligase genannt, ist ein Enzym, das als einzelnes Polypeptid oder als multimerer Komplex vorliegt. E3-Ubiquitin-Ligase kann zusammen mit der Ubiquitin-aktivierenden Enzym E1 und dem mit Ubiquitin beladenen Ubiquitin-konjugierenden Enzym E2 arbeiten, um die Ubiquitinierung verschiedener Protein-Substrate für den gezielten Abbau durch das Proteasom zu beschleunigen. Das Ubiquitin wird letztlich über eine Isopeptidbindung an ein Lysin des Substratproteins angehängt, und E3-Ligasen können sowohl mit dem Zielprotein als auch mit dem E2-Enzym interagieren, wodurch sie dem E2-Enzym Substratspezifität verleihen. Die Ubiquitinierung durch E3-Ubiquitin-Ligasen spielt auch eine wesentliche Rolle bei der Regulation vieler biologischer Prozesse, wie Zelltransport, DNA-Reparatur und Signalübertragung. Sie ist von großer Bedeutung in der Zellbiologie. E3-Ligasen spielen auch eine Rolle bei der Zellzykluskontrolle und dem Abbau von Cyclinen. Das menschliche Genom kodiert mehr als 600 mutmaßliche E3-Ligasen, was zu einer enormen Vielfalt an Substraten führt, während E3s die Spezifität der Protein-Substrate bestimmen können. Jüngste Forschungen haben ergeben, dass viele E3s mit menschlichen Krankheiten in Verbindung gebracht werden und sie eine Klasse attraktiver „drugable“ Ziele für pharmazeutische Interventionen darstellen.

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