ATP-Sulfurylase

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Einführung

Sulfatreduzierende Bakterien (SRB) sind an einem der ältesten enzymatischen Wege auf der Erde beteiligt: der dissimilatorischen Reduktion von Sulfat (SO4^2-) zu Sulfid (S^2-). Unter den SRB können einige Bakterien und Archaeen Sulfat als terminalen Elektronenakzeptor während ihres Stoffwechsels unter aeroben Bedingungen nutzen. Sulfit (SO3^2-) fungiert als Zwischenprodukt, um den Reduktionsprozess von Sulfat zu vermitteln. SRB spielen eine wichtige Rolle im biogeochemischen Schwefelkreislauf und bei der Biodegradation aromatischer Schadstoffe und können als Regulator wichtiger Prozesse in Böden (wie Quecksilber-Methylierung, usw.) eingesetzt werden.

Der Weg der dissimilatorischen Reduktion von Sulfat zu anionischem Sulfid umfasst drei zytoplasmatische Enzyme: ATP-Sulfurylase (ATPS), Adenosin-5′-phosphosulfat (APS) Reduktase (APSR) und dissimilatorische Sulfitreduktase (dSIR). Unter ihnen ist ATPS verantwortlich für die Bildung der SO4^2--AMP-Bindung, um die Aktivierung des Sulfatanions zu Adenosin-5′-phosphosulfat (APS) zu katalysieren. Der Grund, warum diese Art der SO4^2--Aktivierung erforderlich ist, liegt darin, dass sie ein sehr niedriges Redoxpotential hat und nicht direkt durch organische Säuren oder molekularen Wasserstoff reduziert werden kann. Sulfid, das durch diesen Stoffwechselweg freigesetzt wird, kann Korrosion der metallischen Konstruktion in der Lebensumgebung der SRB verursachen. Im Assimilationsweg von Eukaryoten, bestimmten Bakterien und Algen ist das APS-Produkt der ATPS-Reaktion das Substrat für APS-Kinase, die an der 3'-Position phosphoryliert, um 3′-Phosphoadenosin-5′-phosphosulfat (PAPS) zu produzieren. PAPS fungiert als Sulfurylspender für viele schwefelhaltige Verbindungen. Es kann auch zu Sulfid reduziert werden, das für die Biosynthese von Cystein benötigt wird, welches der Schwefelspender von Methionin sein kann. In Metazoa versammeln sich die ATPS- und APS-Kinasen von Pilzen und bestimmten Algen in einem Protein namens PAPS-Synthase. Verschiedene ATPS-Isoformen wurden in Mikroalgen gefunden, und die Vielfalt der ATPS-Isoformen in Algen und Süßwasseralgen deutet darauf hin, dass das Leben bei unterschiedlicher Sulfatverfügbarkeit die Evolution der ATPS-Enzyme beeinflussen kann.

Kristallstruktur der ATP-Sulfurylase

ATPS ist ein ubiquitär vorkommendes Enzym in der Natur, das ATP verwendet, um die reversible Reaktion der Sulfataktivierung zu katalysieren, um APS und Pyrophosphatanionen zu produzieren. ATPS von SRB, Hefe und Pflanzen wird alle als monomere oder homo-oligomere Strukturen charakterisiert. Die Strukturen des ATPS-APS-Komplexes sind für die folgenden Organismen verfügbar: Sojabohne (PDB-Code: 4MAF), Penicillium chrysogenum (PDB-Code: 1I2D), Saccharomyces cerevisiae (PDB-Codes: 1G8H, 1G8G, 1JEE) und Thermus thermophillus (PDB-Code: 1V47). Ähnlich wie bei Penicillium chrysogenum (PDB-Code: 1I2D) wurde die quartäre Struktur von ATPS aus Saccharomyces cerevisiae (PDB-Code: 1G8H) als homohexamerische Assemblierung bestimmt, die in zwei trimerische Ringe angeordnet ist, die mit einer Drehung von 60° gestapelt sind (Abbildung 1). In der Kristallstruktur der ATP-Sulfurylase sind vier konservierte Motive in ihrer aktiven Stelle zu beobachten: QXRN (Gln195-Thr196-Arg197-Asn198), HXXH (His201-Arg202-Ala203-His204), VGRDHAG (Val288-Gly289-Arg290-Asp291-His292-Ala293-Gly294) und PFR (Pro327-Phe328-Arg329).

Abbildung 1. Hexamerstruktur des ATPS-APS-Mg2+-Pyrophosphatkomplexes, der nach 20 ns Molekulardynamik (MD)-Simulationen erhalten wurde; B. Vier konservierte Motive, die in den bekannten ATPS-Sequenzen beobachtet wurden, die in der 1G8H-Kristallstruktur präsentiert sind (Wójcik-Augustyn, A.; et al. 2019)

Hypothese der katalytischen Reaktion von ATPS

Die kristallographische Studie von ATPS aus Saccharomyces cerevisiae und Penicillium chrysogenum hat gezeigt, dass die ATP-Bindung signifikante Verschiebungen in der hexamerischen ATPS-Struktur verursachen kann. Es wurde festgestellt, dass ATPS ein allosterisches Enzym ist, das mindestens zwei Konformationen annehmen kann: den R-Zustand mit höherer Affinität für das Substrat und den T-Zustand, der bevorzugt allosterische Inhibitoren ist. Die ATP-Bindung verursacht eine Verschiebung der Seitenkette von Phe328, und ATPS verwandelt sich in den R-Zustand. Das Falten von Domäne II, die die aktive Stelle enthält, deutet darauf hin, dass ATPS zur Superfamilie der α/β-Phosphodiesterasen gehören könnte, aber die Architektur des Protomer und die unabhängigen Topologien, die in einer Proteinstruktur vorhanden sind, könnten auch darauf hindeuten, dass ATPS eine neue α/β-Protein-Klasse darstellen kann. Basierend auf Isotopenfängerei, Massenspektrometrie und kinetischen Studien von ATPS von Escherichia coli K12 wird eine Hypothese aufgestellt, wie ATPS die Reaktion katalysiert. Das ATPS von E. coli ist ein Tetramer, das aus Heterodimeren besteht, die durch die Gene cysD und cysN kodiert werden. Isotopenfängerei-Experimente zeigen, dass die ATPS-Reaktion in E. coli ein GTP-abhängiger zweistufiger Prozess ist. Zuerst werden das Enzym-AMP-Anhydrid und Pyrophosphat gebildet, und dann, nach der Dissoziation von Pyrophosphat, tritt das Sulfatanion (SO4^2-) in die aktive Stelle ein und bildet APS. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die Produktion von AMP-Intermediaten GTP-abhängig ist und durch die Zugabe von Sulfat gehemmt wird. Die hufeisenförmige Konformation der ATP-Moleküle, die von SYBYL basierend auf der ATPS-APS-PPi-Kristallstruktur von Saccharomyces cerevisiae modelliert wurde, könnte einen in-line nucleophilen Angriff der Sulfat-Moleküle verursachen.

Abbildung 2. Der zweistufige SN-1-Reaktionsmechanismus, der für ATPS vorgeschlagen wird, der durch AMP-Anhydrid-Intermediär verläuft (Wójcik-Augustyn, A.; et al. 2019)

Abbildung 3. Der einstufige SN-2-Reaktionsmechanismus, der für ATPS basierend auf der modellierten ATPS-ATP-Sulfatstruktur vorgeschlagen wird (Wójcik-Augustyn, A.; et al. 2019)