5,6,7,8-Tetrahydromethanopterin ( THMPT , H)4MPT ist ein Coenzym der Methanogenese . Es ist der Träger der C1-Gruppe, während diese auf die Methylstufe reduziert wird , bevor sie auf das Coenzym M übertragen wird . [ 1 ]

Struktur

Die Struktur von H4MPT ist analog zu Tetrahydrofolat (THFA, H₄ - Folat). Beide besitzen einen von Dihydropteroat ( H₂Pte ) abgeleiteten Kern, jedoch besitzt H₄ - Folatsäure einen Glutamylrest, der an die 1'- Carbonylgruppe von H₂Pte gebunden ist .4MPT besitzt stattdessen „einen Ribitolrest, der an Ribose-5-phosphat und von dort an Hydroxyglutarat gebunden ist “. Der Pteroat-Teil weist zudem zwei zusätzliche chirale Methylgruppen auf: Kohlenstoffatom Nr. 12 am Zweig, der ihn mit dem Phenylring verbindet (Position 11, entspricht Position 9 im Folat), und Kohlenstoffatom Nr. 13 am Pterin-Kern (Position 7 sowohl in MPT als auch im Folat). [ 2 ]

Das Fehlen einer elektronenziehenden Carbonylgruppe in para- Position zu N 10 erhöht die Elektronendichte an dieser 10-Position. Der pKa-Wert für dieses Atom in H4Der MPT-Wert beträgt -1,2, im Vergleich zu +2,4 für H₄ - Folat. Das biochemische Redoxpotential E' 0ist negativer in Reaktionen, an denen Ein-Kohlenstoff-Einheiten gebunden sind. Im Gegensatz dazu bleibt die chemische Umgebung von N₅ hinsichtlich der Enthalpie weitgehend unverändert . [ 2 ] Dieser Unterschied hat unter anderem folgende Auswirkungen:

  • Methenyl-THMPT ( CH+- H4MPT ) ist schwieriger zu reduzieren als Methenyl-THFA ( CH+- H4Folat). Die Reduktion erfolgt durch eine sogenannte eisen-schwefelclusterfreie Hydrogenase . Der etwas umständliche Name unterscheidet diese Hydrogenase von den anderen Hydrogenasen , die einen Fe-S-Cluster enthalten . [ 3 ] Sterische Hinderung durch die 11-Methylgruppe könnte ebenfalls eine Rolle spielen. [ 2 ]
  • Die Methylengruppe von CH 2 - H4MPT tauscht langsamer mit der Formylgruppe aus Formaldehyd aus als mit der analogen CH₂ - H -Gruppe.4Folatreaktion. Die Epimerisierung dieser Methylengruppe verläuft ebenfalls langsamer. [ 2 ]
  • Formyl (HCO)- H4MPT ist thermodynamisch in der Lage, spontan zu CH₂ - H zu cyclisieren.4MPT , im Gegensatz zu den Folat-Analoga, die eine Energiezufuhr aus ATP benötigen. [ 2 ]
  • Anders als in THF, wo die Formylgruppe an Position 10 gebunden ist, ist die Formylgruppe bei THMPT an Position 5 gebunden. [ 2 ]

Biosynthese

Zu den Schritten der Biosynthese von Methanopetrin gehören: [ 4 ]

Biosynthese von Methanopetrin
SubstrateProdukteEnzymEG-NummerGen-NamenAnmerkungen
GTP + H2O7,8-Dihydro- D- neopterin-2′,3′-cyclisches Phosphat (H₂Npt - cP) + HCOOH + Pyrophosphat GTP-Cyclohydrolase IV3.5.4.39MPTA Neuer Typ einer GTP-Cyclohydrolase im Jahr 2007. [ 5 ]
H 2 Npt-cP + H2O7,8-Dihydro- D- neopterin (2′ oder 3′)phosphat (H₂Npt - P) H 2 Npt-cP Phosphodiesterase3.1.4.56MptB IUBMB berichtet von einem In-vitro -Produktverhältnis von 4:1 für 2' zu 3'.
4-Aminobenzoat (PABA) + PRPPBeta-Ribofuranosylphenol-5'-phosphat (β-RFA-P) + PPi + CO2β-RFA-P-Synthase2.4.2.54MPTG
β-RFA-P + H 2 Npt-3'-P 7,8-Dihydropterin-6-yl-methyl-4-((β-)D-ribofuranosyl)aminobenzol-5'-phosphat + PPi (H 2 Pte-6-yl)-RFA-P-Synthase2.5.1.105MJ0301 Ursprünglich wurde für diese Aktivität MptH/MJ0107 aufgrund der Ähnlichkeit zur Dihydropteroatsynthase vorgeschlagen . Laboruntersuchungen ergaben jedoch, dass das Metallo-β-Lactamase-Protein MJ0301 tatsächlich dafür verantwortlich ist. [ 6 ]
(H₂Pte - 6-yl)-RFA-P + 2  H2O ? N-[(7,8-Dihydropterin-6-yl)methyl]-4-(1-desoxy-d-ribulosyl)aminobenzol + Pi + ? Nicht identifizierte Lyase-.-.-.-Unk Eine nicht identifizierte Ringöffnungsreaktion, die den geschlossenen Ribosering (Ribofuranosyl) in eine offene Ribulosekette ((H₂Pte - 6-yl)-RA) umwandelt. [ 7 ]
( H₂Pte -6-yl)-RA + PRPP (1-(4-{N-[(7,8-Dihydropterin-6-yl)methyl]amino}phenyl)-5-(5-phospho-α-D-ribulosyl)-1-desoxyribitol + PPi Unidentifizierte ((H 2 Pte-6-yl)-RA)-PRPP-Synthase-.-.-.-Unk Nicht identifizierte Kondensationsreaktion. [ 7 ]
((H 2 Pte-6-yl)-RA)-PRPP + α-Ketoglutarsäure (AKG) 7,11-Dinor-H 2 MPT + H2O + PPi Ebenfalls nicht identifiziert-.-.-.-Unk „7,11-Dinor“ bezieht sich auf das Fehlen zweier Methylgruppen im Vergleich zu Dihydromethanopterin. Siehe Nor- .
7,11-Dinor-H 2 MPT + 2 AdoMet + ? H₂MPT + 2 AdoHcy + ? Nicht identifizierte Methyltransferasen-.-.-.-Unk Position 11 wird, basierend auf der Beobachtung von Variantenmolekülen, zuerst methyliert. [ 8 ] MJ0619 ist ein Kandidatengen. [ 9 ]
H₂MPT + 2 NAD(P)H + 2 H⁺H 4 MPT + 2 NAD(P) +Dihydromethanopterin-Reduktase oder Akzeptorvariante1.5.1.47dmrA KEGG R03388, bakteriell. Charakterisiert 2004. Bevorzugt NADPH. [ 10 ]
H₂MPT + reduzierter Akzeptor H 4 MPT + Akzeptor Dihydromethanopterin-Reduktase (Akzeptor)1.5.99.15dmrX KEGG R10802, Archaee. Charakterisiert 2014. Verwendet wahrscheinlich einen Flavin-Akzeptor. [ 11 ]

Variationen

Es gibt zahlreiche Variationen von H.4MPT bei Archaeen (Bakterien neigen dazu, sich an das Standardmolekül zu halten): [ 8 ]

  • Pyrococcus und Thermococcus besitzen anstelle des Hydroxyglutaminsäure-Terminus eine Poly-β3(l→4)-verknüpfte N-Acetylglucosamin-Seitenkette. Es können 1–5 Einheiten vorhanden sein.
  • In (Tetrahydro) -Sarcinapterin ( H4SPT ) wird eine Glutamylgruppe an das 2- Hydroxyglutarsäureende von MPT gebunden. Diese Reaktion wird durch die Tetrahydrosarcinapterin-Synthase EC 6.3.2.33 vermittelt .
  • (H 4 )Tatiopterin-0 unterscheidet sich von H4SPT wird durch das Fehlen der 7-Methylierung unterbunden. Tatiopterin-1 besitzt eine weitere Glutamylgruppe, die an die α-Carboxylgruppe des zusätzlichen Glutamyls gebunden ist.
  • (H 4 )Thermopterin unterscheidet sich von Tatiopterin-0 durch die Hinzufügung einer elektronenziehenden Phenylgruppe in der 3'-Position, ortho zum Pterinteil und meta zur Ribulosekette.
  • (H₄ ) -Sulfopterin von Sulfolobus besitzt keine Methylgruppe. Das Molekül ist bisher nur bis zum Ribuloserest charakterisiert, die übrigen Bestandteile sind unbekannt.

Biochemische Funktion

Ein-Kohlenstoff-Träger

N- Formylmethanofuran spendet die C1- Gruppe an die N5 - Position des Pterins und ergibt so 5-Formyl-THMPT (5-CHO- H).4MPT ). [ 12 ] (Dies unterscheidet sich von THF, das zur Bildung von 10-Formyl-THF neigt. Der Unterschied beruht auf der oben genannten lokalen chemischen Differenz.) [ 2 ] Die Formylgruppe kondensiert anschließend intramolekular zu 5,10-Methenyl- THMPT.+(5,10- CH+- H4MPT ), das dann zu 5,10-Methylen-THMPT (5,10- CH reduziert wird.2- H4MPT ) durch 5,10-Methenyl- THMPT+Hydrogenase mit H2als Elektronendonator. [ 3 ] 5,10-Methylen-MPT wird anschließend unter Verwendung von Coenzym F 420 als Elektronenquelle in Methyl-THMPT (5-CH 3 - H) umgewandelt.4MPT ), katalysiert durch die F 420 -abhängige Methylen-THMPT-Reduktase . 5-Methyl-THMPT ist der Methyldonator für Coenzym M , eine Umwandlung, die durch die Methyl-THMPT: Coenzym-M-Methyltransferase vermittelt wird . [ 1 ]

Ähnlich wie THF können die C1-Umwandlungen von THMPT zu Acetyl-CoA führen und Glycin in Serin umwandeln . Sie speisen jedoch nicht in den Purinstoffwechsel, die Glycinproduktion oder die Ketoglutaratproduktion ein. [ 2 ]

Die Evidenz für eine Beteiligung von MPT an der Methioninsynthese ist schwach (Stand: 2000). [ 2 ] Weitere genetische Untersuchungen konnten keine Methyl-THMPT-verbrauchende Methioninsynthase identifizieren (obwohl die Split- MetE- Varianten weiterhin Kandidaten sind), sondern fanden stattdessen zahlreiche Enzyme, die ein Corrinoidprotein zum Transport der Methylgruppe verwenden. Bei Methanogenen mit der MesA-Synthase stammt die Methylgruppe wahrscheinlich von der bereits erwähnten Methyl-THMPT:Coenzym-M-Methyltransferase, sodass diese Organismen ihre Methylgruppe letztendlich von Methyl-THMPT beziehen. [ 13 ]

Wie (und ob) MPT mit der Thymidylat- Biosynthese zusammenhängt, ist ebenfalls unklar. Zellfreie Extrakte verschiedener Archaeen können dUMP in dTMP umwandeln, wenn ihnen MPT (oder im Fall von Sulfolobus Sulfopterinfragmente ) und isotopenmarkiertes Formaldehyd zugegeben werden, aber es wurde kein Enzym identifiziert. [ 2 ]

C2

N 5 ,N 10 -(1,1-Ethylen) H4MPT (5,10-Ethylen- H4MPT ) und N 5 -Ethyl- H4MPT wurden in Methanothermobacter marburgensis nachgewiesen , was darauf hindeutet, dass H4MPT kann auch als Zwei-Kohlenstoff-Träger dienen. Unter Standardbedingungen ist H4MPT reagiert spontan mit Acetaldehyd zu Ethylen- H4MPT . M. marburgensis -Lysat enthält ein Enzym, das die Reduktion dieses Produkts zu Ethyl- H katalysiert.4MPT . [ 14 ]

Referenzen

  1. ^ a b Thauer RK (September 1998). „Biochemie der Methanogenese: Eine Würdigung von Marjory Stephenson. Marjory Stephenson Prize Lecture 1998“ . Microbiology . 144 (Pt 9): 2377–406 . doi : 10.1099/00221287-144-9-2377 . PMID  9782487 .
  2. ^ a b c d e f g h i j Maden, B. Edward H. (15. September 2000). „Vergleich von Tetrahydrofolat und Tetrahydromethanopterin: Funktionell unterschiedliche Transporter im C1-Stoffwechsel“ . Biochemical Journal . 350 (3): 609–629 . doi : 10.1042/bj3500609 . PMC 1221290. PMID 10970772 .  
  3. ^ a b Korbas M, Vogt S, Meyer-Klaucke W, et al. (Oktober 2006). „Die eisen-schwefelclusterfreie Hydrogenase (Hmd) ist ein Metalloenzym mit einem neuartigen Eisenbindungsmotiv“ . J. Biol. Chem . 281 (41): 30804–13 . doi : 10.1074/jbc.M605306200 . PMID 16887798 . 
  4. ^ Graham, David E.; White, Robert H. (15. März 2002). „Aufklärung der methanogenen Coenzym-Biosynthese: von der Spektroskopie zur Genomik“. Natural Product Reports . 19 (2): 133–147 . doi : 10.1039/B103714P . PMID 12013276 . 
  5. ^ Grochowski, Laura L.; Xu, Huimin; Leung, Kapo; White, Robert H. (1. Juni 2007). „Charakterisierung einer Fe 2+ -abhängigen archaeenspezifischen GTP-Cyclohydrolase, MptA, aus Methanocaldococcus jannaschii“. Biochemie . 46 (22): 6658–6667 . doi : 10.1021/bi700052a . PMID 17497938 . 
  6. ^ Iyer, LM; Aravind, L; Bork, P; Hofmann, K; Mushegian, AR; Zhulin, IB; Koonin, EV (2001). „Quod erat demonstrandum? Das Rätsel der experimentellen Validierung scheinbar fehlerhafter computergestützter Analysen von Proteinsequenzen“ . Genome Biology . 2 (12) RESEARCH0051. doi : 10.1186/gb-2001-2-12-research0051 . PMC 64836. PMID 11790254 .  
  7. ^ a b Hove-Jensen, Bjarne; Andersen, Kasper R.; Kilstrup, Mogens; Martinussen, Jan; Switzer, Robert L.; Willemoës, Martin (28. Dezember 2016). „Phosphoribosyldiphosphat (PRPP): Biosynthese, Enzymologie, Nutzung und metabolische Bedeutung“ . Microbiology and Molecular Biology Reviews . 81 (1): 10.1128/mmbr.00040–16. doi : 10.1128/mmbr.00040-16 . PMC 5312242. PMID 28031352 .  
  8. ^ a b Braakman, Rogier; Smith, Eric (19. April 2012). „Die Entstehung und frühe Evolution der biologischen Kohlenstofffixierung“ . PLOS Computational Biology . 8 (4) e1002455. Bibcode : 2012PLSCB...8E2455B . doi : 10.1371/journal.pcbi.1002455 . PMC 3334880. PMID 22536150 .  
  9. ^ Allen, KD; Xu, H; White, RH (September 2014). „Identifizierung einer einzigartigen radikalischen S-Adenosylmethionin-Methylase, die wahrscheinlich an der Methanopterin-Biosynthese in Methanocaldococcus jannaschii beteiligt ist“ . Journal of Bacteriology . 196 (18): 3315–23 . doi : 10.1128/JB.01903-14 . PMC 4135684. PMID 25002541 .  
  10. ^ Caccamo, Marco A.; Malone, Courtney S.; Rasche, Madeline E. (April 2004). „Biochemische Charakterisierung einer Dihydromethanopterin-Reduktase, die an der Tetrahydromethanopterin-Biosynthese in Methylobacterium extorquens AM1 beteiligt ist“ . Journal of Bacteriology . 186 (7): 2068–2073 . doi : 10.1128/JB.186.7.2068-2073.2004 . PMC 374392. PMID 15028691 .  
  11. ^ Wang, S.; Tiongson, J.; Rasche, ME (15. Januar 2014). „Entdeckung und Charakterisierung der ersten archaischen Dihydromethanopterin-Reduktase, eines Eisen-Schwefel-Flavoproteins aus Methanosarcina mazei“ . Journal of Bacteriology . 196 (2): 203–209 . doi : 10.1128/JB.00457-13 . PMC 3911254. PMID 23995635 .  
  12. ^ Acharya P, Warkentin E, Ermler U, Thauer RK, Shima S (März 2006). „Die Struktur der Formylmethanofuran: Tetrahydromethanopterin-Formyltransferase im Komplex mit ihren Coenzymen“. J. Mol. Biol . 357 (3): 870–9 . doi : 10.1016/j.jmb.2006.01.015 . PMID 16466742 . 
  13. ^ Price, MN; Deutschbauer, AM; Arkin, AP (Februar 2021). „Vier Familien von Folat-unabhängigen Methioninsynthasen“ . PLOS Genetics . 17 (2) e1009342. doi : 10.1371/ journal.pgen.1009342 . PMC 7857596. PMID 33534785 .  
  14. ^ Laird, Maxime G.; Telimaa, Heta; Koivisto, Jari; Scheller, Silvan (19. Mai 2026). „Tetrahydromethanopterin als Zwei-Kohlenstoff-Träger: Bildung von N⁵-Ethyl- und N⁵,N¹⁰-Ethylen-Tetrahydromethanopterin in Methanothermobacter marburgensis“ . Biochemistry . 65 ( 10): 1652–1657 . doi : 10.1021/acs.biochem.6c00178 . PMC 13192316. PMID 42053226 .