腾冲嗜热厌氧杆菌6-磷酸-β-葡萄糖苷酶:晶体结构和分子催化机制研究

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6-磷酸-β-葡萄糖苷酶(PbgL; EC3.2.1.86)催化由磷酸烯醇式丙酮酸-糖磷酸转移酶系统(PEP-PTS)转运入胞内含β葡萄糖苷键的磷酸化二糖水解。来自腾冲嗜热厌氧杆菌(Thermoanaerobacter tengcongensis)编码PbgL(436个氨基酸残基)的开放阅读框(ORFTTE0337)被成功克隆,并在大肠杆菌BL21(Escherichia coli BL21)中有活性地表达。序列分析显示该6-磷酸-β-葡萄糖苷酶属于糖基水解酶家族4,与枯草杆菌(Bacillus subtdis)的LicH,海栖热袍菌(Thermotoga Maritima)的BglT氨基酸序列一致性分别为62%和40%。纯化后的重组PbgL(rPbgL)经SDS-PAGE分析,为一条分子量约50 kD的蛋白条带,与推测的分子量大小一致。该酶需要Mn2+,NAD+和还原剂为辅因子,能专一性地水解pNPβG6P。酶学特性研究表明rPbgL是耐热酶,最适反应温度约85℃;同时具有pH依赖性,最适pH在8.0附近。利用针对rPbgL的多克隆抗体血清经Western免疫印迹实验,能从腾冲嗜热厌氧杆菌胞内检测到PbgL的表达。   虽然已经有6-磷酸-β-葡萄糖苷酶(BglT)的结构被报道,但催化活性中心结合的是反应产物葡萄糖-6-磷酸,对催化机制也存在争议。本文成功筛选出rPbgL的晶体生长条件,并获得分辨率在2.6 A的晶体,随后以嗜热脂肪芽孢杆菌(Bacillus stearothermoplulus)的LicH结构为模体,采用分子置换法解析了rPbgL的晶体结构。同BglT结构比对,对等的352个Ca原子RMSD值为1.259 A,说明两者结构高度相似。在rPbgL及其同源结构的二聚体结合面,均观察到疏水区域的存在,提示疏水作用对蛋白的二聚体化和热稳定性有贡献。   为了捕获结合未反应底物的复合体结构,作者发明了一种晶体冷冻法,在催化活性中心清楚地得到pNPβG6P的电子密度,同时在β糖苷键附近还观察到一个水分子(H2O19)。这表明先前认为的催化氨基酸Tyr255,在水解反应中可能并不提供氢原子。为了进一步从功能上找证据,我们构建了两个突变体Y255F和Y255L,将Tyr255分别突变为苯丙氨酸和亮氨酸,同时还获得Y255F的晶体结构。酶活性实验表明,突变体Y255F仍保留有部分活性,相比rPbgL降低约24倍,和我们推测的结果一致。而Y255F的晶体结构中,仍然能观察到pNPβG6P和β葡萄糖苷键附近的一个水分子。因此本文提出了6-磷酸-β-葡萄糖苷酶催化机制的新假说,即水分子依靠氢键出现在β葡萄糖苷键附近,可能是以亲电攻击的方式断裂共价键,有别于经典的亲核攻击。
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