Isopenicillin-N-Synthase ( IPNS ) ist ein Nicht-Häm-Eisenprotein . Dieses Enzym katalysiert die Bildung von Isopenicillin N aus δ-( L -α-Aminoadipoyl) -L -Cysteinyl -D -Valin ( LLD -ACV). [ 1 ] IPNS spielt eine frühe und zentrale Rolle im Biosyntheseweg aller Penicilline und Cephalosporine, die zu den β-Lactam-Antibiotika gehören . Diese Antibiotikaklasse ist die am weitesten verbreitete. Sie wirken durch Hemmung der Peptidoglykan -Synthese in bakteriellen Zellwänden , was insbesondere bei grampositiven Bakterien von Bedeutung ist.
- N -[( 5S )-5-Amino-5-carboxypentanoyl] -L- cysteinyl -D -valin + O₂ → Isopenicillin N + 2 H₂O
Diese Reaktion ist ein Schritt in der Biosynthese von Penicillin- und Cephalosporin -Antibiotika . [ 1 ]
Die aktiven Zentren der meisten Isopenicillin-N-Synthasen enthalten ein Eisenion . Dieses Enzym wird auch als Isopenicillin-N - Synthetase bezeichnet .
Mechanismus
Das aktive Zentrum enthält Fe(II) , das an mindestens zwei Histidinreste, einen Aspartatrest, einen Glutaminrest und zwei Wassermoleküle gebunden ist . Die beiden Histidinreste und ein Asparaginsäurerest sind konserviert. Gleichzeitig mit der Deprotonierung des Thiols bindet ACV an das aktive Zentrum und verdrängt dabei Gln330 und ein Wassermolekül. [ 1 ]
Das lineare Tripeptid δ-( L -α-Aminoadipoyl) -L -Cysteinyl- D -Valin ( LLD -ACV) muss zunächst aus seinen Aminosäurebausteinen durch die N-(5-Amino-5-carboxypentanoyl)-L-Cysteinyl-D-Valin-Synthase (ACV-Synthase) zusammengesetzt werden. [ 2 ]
Die Ligandenbindung von ACV senkt das Fe(II)/Fe(III) -Redoxpotential , was in Modellsystemen bekannt ist. [ 3 ] [ 4 ] Das elektronenreiche Fe(II)-Zentrum bindet molekularen Sauerstoff. Ein intramolekularer Wasserstoffatomtransfer von FeSC₆H₂ zur Fe-O₂ - Gruppe wandelt das Fe(III) wieder in Fe(II) um. Das Fe(II)-OOH deprotoniert anschließend das Amid, welches dann den β-Lactamring durch einen nukleophilen Angriff am Thioaldehyd-Kohlenstoff schließt. Dadurch rückt das Wasserstoffatom am C-3 des Valinrests näher an den stark elektrophilen Eisen(IV)-Oxo-Liganden heran. Ein zweiter Wasserstofftransfer erfolgt, der höchstwahrscheinlich ein Isopropylradikal erzeugt, welches den Thiazolidinring durch Angriff auf das Thiolat- Schwefelatom schließt . [ 1 ]
Rolle bei der Antibiotikabildung
Im Anschluss an den IPNS-Weg sind weitere Enzyme für die Epimerisierung von Isopenicillin N zu Penicillin N, die Derivatisierung zu anderen Penicillinen und die Ringerweiterung verantwortlich, die schließlich zu den verschiedenen Cephalosporinen führt. [ 5 ]
Strukturanalysen
Für diese Enzymklasse wurden zahlreiche Strukturen aufgeklärt; die entsprechenden PDB- Zugangsnummern lauten: PDB : 1ODM , PDB : 1UZW , PDB : 1W03 , PDB : 1W04 , PDB : 1W05 , PDB : 1W06 , PDB : 1W3V , PDB : 1W3X , PDB : 2BJS , PDB : 2BU9 , PDB : 2IVI , PDB : 2IVJ , 2JB4 , 1QJE , 1ODN , 1HB1 , 1HB2 , 1HB3 , 1HB4 , 1QIQ , 1QJF , 1BK0 , 1BLZ , 1OBN , 1OC1 , 1IPS
Weiterführende Literatur
- Roach PL, Clifton IJ, Hensgens CM, Shibata N, Schofield CJ, Hajdu J, Baldwin JE (Juni 1997). „ Struktur der Isopenicillin-N-Synthase im Komplex mit Substrat und der Mechanismus der Penicillinbildung“ . Nature . 387 (6635): 827–30 . Bibcode : 1997Natur.387..827R . doi : 10.1038/42990 . PMID 9194566. S2CID 205032251 .
- Borovok I, Landman O, Kreisberg-Zakarin R, Aharonowitz Y, Cohen G (Februar 1996). „Eisenhaltiges aktives Zentrum der Isopenicillin-N-Synthase: Genetische und Sequenzanalyse der endogenen Liganden“. Biochemistry . 35 (6): 1981–7 . doi : 10.1021/bi951534t . PMID 8639682 .
- Miller FD, Chapman JL, Queener SW (1992). „Substratspezifität der Isopenicillin-N-Synthase“. J. Med. Chem . 35 (10): 1897–914 . doi : 10.1021/jm00088a028 . PMID 1588566 .
- Andersson I, Schofield CJ, Baldwin JE (1995). „Die Kristallstruktur der Isopenicillin-N-Synthase ist die erste einer neuen Strukturfamilie von Enzymen“. Nature . 375 ( 6533): 700–4 . Bibcode : 1995Natur.375..700R . doi : 10.1038/375700a0 . PMID 7791906. S2CID 22804064 .
Referenzen
- Bollinger , J. Martin; Krebs, Carsten (2007). „Enzymatische C–H-Aktivierung durch Metall-Superoxo-Zwischenprodukte“. Current Opinion in Chemical Biology . 11 ( 2): 151–158 . doi : 10.1016/j.cbpa.2007.02.037 . PMID 17374503 .
- ^ Schenk WA (Oktober 2000). „Isopenicillin-N-Synthase: Ein Enzym in Aktion“ . Angew. Chem. Int. Ed. Engl . 39 (19): 3409–3411 . Bibcode : 2000AngCh..39.3409S . doi : 10.1002/1521-3773(20001002)39:19<3409::AID-ANIE3409>3.0.CO;2-T . PMID 11091371 .
- ^ Kovacs JA, Brines, LM (Juli 2007). „Understanding How the Thiolat Sulfur Contributes to the Function of the Non-Heme Iron Enzyme Superoxide Reductase“ . Acc . Chem. Res . 40 (7): 501–509 . doi : 10.1021/ar600059h . PMC 3703784. PMID 17536780 .
- ^ Kovacs JA, Brines, LM (Mai 2007). „VTVH-MCD- und DFT-Studien zur Thiolatbindung an {FeNO}7/{FeO2}8-Komplexe der Isopenicillin-N-Synthase: Substratbestimmung der Oxidase- versus Oxygenaseaktivität in Nicht-Häm-Eisenenzymen“ . J. Am. Chem. Soc . 129 (23): 7427–7438 . doi : 10.1021/ja071364v . PMC 2536647. PMID 17506560 .
- ^ Cohen G, Shiffman D, Mevarech M, Aharonowitz Y (April 1990). „Mikrobielle Isopenicillin-N-Synthase-Gene: Struktur, Funktion, Diversität und Evolution“. Trends Biotechnol . 8 (4): 105–11 . doi : 10.1016/0167-7799(90)90148-Q . PMID 1366527 .
