In der Biochemie ist eine Ligase, auch als Synthetase bezeichnet, ein Enzym, das die Verknüpfung zweier großer Moleküle durch die Bildung einer neuen chemischen Bindung (z. B. C–O, C–S, C–N) katalysiert bzw. zwei Verbindungen miteinander koppelt; dies ist in der Regel mit der Hydrolyse einer kleinen, an eines der größeren Moleküle gebundenen chemischen Gruppe verbunden. Dieser Prozess nutzt üblicherweise die erforderliche Energie aus der Spaltung einer energiereichen Phosphatbindung, beinhaltet die Konservierung chemischer Energie und stellt eine Kopplung zwischen energiebedürftigen synthetischen Prozessen und energiegewinnenden Abbaureaktionen her. In den meisten Fällen dient die gleichzeitige Umwandlung von ATP zu Adenosindiphosphat (ADP) als Energiequelle. Die von Ligase katalysierte Reaktion lässt sich allgemein wie folgt formulieren:

Nomenklatur

Die Trivialnamen von Ligasen enthalten häufig das Wort „Ligase“, wie z. B. DNA-Ligase, ein in molekularbiologischen Laboren häufig eingesetztes Enzym zum Verknüpfen von DNA-Fragmenten. „Synthetase“ ist eine weitere gebräuchliche Bezeichnung für Ligasen, da sie bei der Synthese neuer Moleküle eingesetzt werden. Synthetasen werden mitunter von Synthasen abgegrenzt und mitunter als Synonym für Synthasen verwendet. Definitionsgemäß nutzen Synthetasen Nukleosidtriphosphate wie ATP, GTP, CTP, TTP und UTP zur Energiebereitstellung, während Synthasen keine Nukleosidtriphosphate verwenden. Eine Synthase wird zudem als Lyase verstanden, die die Spaltung verschiedener chemischer Bindungen über Mechanismen katalysiert, die Hydrolyse und Oxidation ausschließen, ohne Energiebedarf; eine Synthetase hingegen ist eine Ligase, die zwei Chemikalien bzw. Verbindungen unter Energiebedarf verknüpft. Die Joint Commission on Biochemical Nomenclature (JCBN) hat festgelegt, dass „Synthase“ jedes Enzym bezeichnen kann, das eine Synthese katalysiert, während „Synthetase“ synonym zu verwenden ist.

Klassifizierung

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

Anwendungen einiger gängiger Ligasen

DNA-Ligase ist ein spezifischer Enzymtyp, der das Zusammenfügen von DNA-Strängen fördert, indem er die Bildung einer Phosphodiesterbindung zwischen Phosphat und Desoxyribose katalysiert. DNA-Ligase ist während der DNA-Replikation, -Reparatur und -Rekombination aktiv. Sie wird breit zur Reparatur von Einzelstrangbrüchen in doppelsträngiger DNA lebender Organismen eingesetzt, wobei der komplementäre Strang der Doppelhelix als Matrize dient; einige Formen können spezifisch auch Doppelstrangschäden beheben. In molekularbiologischen Laboren wird gereinigte DNA-Ligase umfangreich beim Gene Cloning eingesetzt, um DNA-Moleküle zu verbinden und rekombinante DNA zu erzeugen. Eine weitere innovative Anwendung der DNA-Ligase findet sich in der Nanochemie, insbesondere bei DNA-Origami. DNA-Ligase kann die für den Aufbau von DNA-Gitterstrukturen aus DNA-Überhängen wesentliche enzymatische Unterstützung liefern und dadurch die Assemblierung nanoskaliger Objekte wie Nanomaschinen, Nanoelektronik, Biomoleküle und photonische Komponenten ermöglichen.

Als weiteres typisches Beispiel einer Ligase kann T4-RNA-Ligase 1 die ATP-abhängige kovalente Verknüpfung einzelsträngiger 5'-phosphorylierter RNA-Enden mit einzelsträngigen 3'-Hydroxyl-Enden von RNA katalysieren. T4-RNA-Ligase 2 zeichnet sich durch kritische Signaturreste und eine einzigartige C-terminale Domäne aus, die für das Abdichten von 3'-OH- und 5'-phosphorylierten RNA-Enden essenziell 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 für die Ligation durch eine verkürzte Form der T4-RNA-Ligase 2 ist ein voradenylierter Substrat 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 die PCR erzeugen. Spezifische Modifikationen von tRNAs können ebenfalls unter Unterstützung der T4-RNA-Ligase durchgeführt werden; zudem katalysiert sie die Ligation von Oligodesoxyribonukleotiden an einzelsträngige cDNAs für 5'-RACE.

Ubiquitin-Ligase, auch als E3-Ubiquitin-Ligase bezeichnet, ist ein Enzym, das als einzelnes Polypeptid oder als multimerer Komplex vorliegt. E3-Ubiquitin-Ligasen können zusammen mit dem Ubiquitin-aktivierenden Enzym E1 und dem mit Ubiquitin beladenen Ubiquitin-konjugierenden Enzym E2 wirken, um die Ubiquitinierung verschiedener Proteinsubstrate zur gezielten Degradation durch das Proteasom zu beschleunigen. Ubiquitin wird letztlich über eine Isopeptidbindung an ein Lysin des Substratproteins angeheftet, und E3-Ligasen können sowohl mit dem Zielprotein als auch mit dem E2-Enzym interagieren und dadurch dem E2-Enzym Substratspezifität verleihen. Die Ubiquitinierung durch E3-Ubiquitin-Ligasen spielt zudem eine wesentliche Rolle bei der Regulation zahlreicher biologischer Prozesse, wie z. B. Zelltransport, DNA-Reparatur und Signalübertragung. Sie ist von grundlegender Bedeutung in der Zellbiologie. E3-Ligasen nehmen außerdem eine zentrale Rolle in der Zellzykluskontrolle und beim Abbau von Cyclinen ein. Das humane Genom kodiert mehr als 600 mutmaßliche E3-Ligasen, was zu einer enormen Substratdiversität führt, wobei E3s die Spezifität der Proteinsubstrate bestimmen können. Jüngste Forschungsergebnisse zeigen, dass viele E3s mit humanen Erkrankungen in Zusammenhang stehen und eine attraktive Klasse „drugable“ Targets für pharmazeutische Interventionen darstellen.

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