泛酸的功能和生物合成

《生命的化学》2008年28卷4期,448●●Mini ReviewCHEMISTRY OF LIFE 2008, 28(4)文章编号: 000-13362008)04-0448-05泛酸的功能和生物合成杨延辉肖春玲(中国医学科学院医药生物技术研究所，北京100摘要:泛酸是辅酶A(CoA)和酰基载体蛋白(ACP)生物合成的重要前体物质，参与生物体内碳水化合物、脂肪酸、蛋白质和能量代谢。在入体中还参与类固醇、樾黑激素，抗体和亚铁血红素的合成。生物体内的泛酸合成是由酮泛解酸羟甲基转移酶(PanB),酮泛解酸还原酶(PanE), L- 天冬氨酸-a.脱羧酶(PanD)和泛酸合成酶(PanC)四种酶协同催化下完成的。由于泛酸合成途径只存在于植物和低等生物中，选择该生物合成途径酶作为药物靶点将会有高度的选择性。本文综述了泛酸的功能和巳经研究清楚大肠杆菌和分支结核杆菌中的泛酸生物合成途径所涉及的酶的结构和特性。关键词:泛酸;酮泛解酸羟甲基转移酶;酮泛解酸还原酶; L-天冬氨酸-a.脱羧酶;泛酸合成酶中图分类号: Q71泛酸又称遍多酸或维生素B5,是一种水溶性维1.泛酸的性质与功能生素。1931 年, Ringrose 等开始研究泛酸，到1940年1.1性质泛酸的化学式为CH20HC(CH)2CH0HCONH-确定其结构并化学合成了泛酸。由于食物中泛酸含CH2CHFCOOH,由泛解酸和b-Ala组成。有旋光性,仅量丰富，很少出现缺乏症，因此对泛酸生物学性质D型([x]=+37.5*)有生物话性。消旋泛酸具有吸湿性和的研究工作进展相对缓慢。随着分子生物学的发展,静电吸附性;纯游离泛酸是一种淡黄色粘稠的油状寻找新型抗菌药物靶点的研究不断取得新进展，泛物，具酸性，易溶于水和乙醇，不溶于苯和氯仿。泛酸生物合成途径开始受到重视。酸在酸、碱、光及热等条件下都不稳定。泛酸的生物合成途径包括四种酶，分别是酮泛泛酸几乎存在于所有的活细胞中，在原核生解酸羟甲基转移酶(PanB)、酮泛解酸还原酶(PanE).物、真菌、霉菌和植物的细胞内可以通过酶促反应L天冬氨酸-Q-脱羧酶(PanD)和泛酸合成酶(PanC)。到合成"。生物体还可以通过依赖Na*的多维生素转运目前为止在大肠杆菌(Escherichia coli)和分支结核杆体(SMVT，又称泛酸透酶)将泛酸转运到细胞内2。菌[Mycobacterium tuberculosis (MTB)]中的这些酶的1.2功能 泛酸在体内转变成辅酶A(CoA)或酰基载生化特征和结构信息都取得了详细的研究结果，在体蛋白(ACP)参与脂肪酸代谢反应。CoA是生物体内一些重要的致病菌(如结核分枝杆菌，疟原虫，脑膜70多种酶的辅助因子(约占总酶量的4%3)，细菌还炎双球菌和幽门螺旋杆菌等)中与泛酸合成相关酶类需要CoA来构建细胞壁。在新陈代谢中CoA主要发的大量信息也逐渐被揭示。本文将近年来泛酸的功挥酰基载体的功能，参与糖、脂肪、蛋白质和能量能和生物合成途径中的四种酶的研究进展作了综述，代谢，还可以通过修饰蛋白质来影响蛋白质的定位、以期对新型抗菌药物的研究提供理论基础。.稳定性和活性。CoA为生物体提供了90%的能量。泛酸是脂肪酸合成类固醇所必需的物质;也可参与类固醇紫质、褪黑激素和亚铁血红素的合成;收稿日期: 2008-02-06 .作者简介:杨延辉(1982-)， 男，硕士生，E-mail:还是中国煤化工化、合成抗体等代谢所HCN M H G在体内可作用于正yyhysf@163.com;肖春玲(1961-), 女，学士，研究员，联系常的上皮器官如神经、肾上腺、消化道及皮肤，提作者，E-mail: xiaocl318@ 163.com《生命的化学》2008 年28卷4期●小综述449●CHEMISTRY OF LIFE 2008，28(4)高动物对病原体的抵抗力。泛酸也可以增加谷胱甘形成五聚体，2个五聚体结合成十聚体，属于(βc)s磷肽的生物合成从而i减缓细胞凋亡和损伤。实验证明,酸烯醇式丙酮酸超家族的成员91。二级结构由8个平泛酸会对遭受脂质过氧化损伤的细胞和大鼠具有很行的β折叠形成紧密的β圆简状，6个a螺旋形成β好的保护作用4。圆简的外缘，N- 端有一个a螺旋叠加在圆简的表面。泛酰巯基乙胺可以降低胆固醇和甘油三酯的浓酶的活性位点位于两组五聚体亚基界面的裂缝处，度。泛酸及其衍生物还可以减轻抗生素等药物引起N.端和β5-as环可对裂缝的形状进行修饰。酶含有两的毒副作用，参与多种营养成分的吸收和利用。个高度保守的模序LVGDS和GIGAG,活性位点的一2.泛酸的生物合成端含有一个Mg*, Asp 与GIu残基位于轴心，保守2.1生物合成途径泛酸是 由a-酮异戊酸和L-天冬的Lys]3I, Sers3 和表面的Glu19, His5 氨基酸残基接氨酸两种物质经过四步酶促反应生成。最后在泛酸近于金属中心。Glu133 的羧基与Hislss的咪唑环堆积合成酶的催化下由ATP提供能量连接β-Ala和泛解在一起形成带有负电荷的π电子云(图2和3)16]。酸生成泛酸(图1)。利用E. coli泛酸缺陷型菌株证明E. coli的PanB分子量约为255 kDa,等电点(pD)了泛酸的生物合成途径是L-Val生物合成的分支。因为4.4,米氏常数(K_)(ax-酮异戊酸)为1.1 X 10 molL;此如果微生物失去合成L-Val. B-Ala 或半胱氨酸的能K.(四氢叶酸)为1.8X 10-* molL; K.(甲醛)为5.9X 10力也将无法合成泛酸。3 mol/L，最适pH在7.0到7.6之间。在37 C酶的V虽然细胞膜对外源性泛酸无通透性，但是在泛约为8 mo/min。可被后续产物泛酸(500 umol/L),酮酸透酶的帮助下可以将细胞外的泛酸转运到细胞内,泛解酸(50 μumol/L)和CoA(>1 mmol/L)反馈抑制, a-丁因此高等动物可以直接利用体外已有的泛酸。此外酸酮、丙酮酸和水杨酸酯是PanB的竞争性抑制剂”。自然界中,在动物的体液或细胞液中也含有泛酸的高该酶在催化底物发生烯醇化反应时需要Ns,NIo-亚甲级同系物被称为“高泛酸”。它是由泛解酸和4-氨基基四氢叶酸和二价金属离子参与，同时它们也是该丁酸生成的，4- 氨基丁酸主要是在Glu脱羧酶(EC 4.酶的激活剂。1.115)催化作用下由L-Glu脱羧生成。(2)酮泛解酸还原酶(EC 1.1.1.169)。酮泛解酸还原2.2生物合成酶系(1)酮泛解酸羟甲基转移酶(EC2.1. 酶(PanE)是 PanE基因的表达产物，在NADPH的帮2.11)。酮泛解酸羟甲基转移酶(PanB)是PanB基因的助下将酮泛解酸还原为泛解酸。在MTB和E. coli中表达产物，催化底物a-酮异戊酸增加一个甲基形成PanE的晶体结构数据表明，酶的四级结构是单体,酮泛解酸，反应过程是可逆的。在MTB和E. coli 中并被中间的裂缝分成两部分(图4) N- 端区域和C-端PanB的晶体结构数据表明，酶的四级结构为十聚区域，分别由aβ折叠和8个a螺旋组成。二级结构体，由10个相似的亚基组成，5个亚基嵌合在一起共由 12个a螺旋，3个3。螺旋和11个β折叠组成。NADPH MOp+ HC.Ho He一0H丽泛解展HO_a酮异戊晚鹏泛解鞭还原廉钰解最ATP ANP PPINH2OH :天等氨脱发癣L-天冬氨腴中国煤化工MYHCNMHG图1泛酸的生物合成途径[51《生命的化学》2008年28卷4期450●Mini ReviewCHEMISTRY OP LIFE 2008，28(4) .G71E256,N98D248C99 4R179圈2 MTB PanB的十聚体结构模型俯视图161G262C-termE210圈4 MTB PanE的结构模型国的图3 MTB PanB的单亚基结构模型6实属于6-磷酸葡萄糖脱氢酶C-端区域相似超家族成员。由于LysI76和Glu256突变后酶无活性，所以它们图5 E. coli PanD的四聚体结构[9]属于保守氨基酸。在β1 和a1之间含有代表核苷酸结合位点的GCGALG序列，通过序列比对得到16个kDa)和一个不完整的加工产物π-蛋白(在特异的X-保守性氨基酸(图4)，均位于裂缝附近。保守的Ser键处被水解的无活性的蛋白质前体，分子量约为GXGXXG序列也存在于这个区城中8。13.8 kDa)101。PanD 一级结构上的保守性氨基酸残基E. coli的PanE分子量为33.8 kDa,有303个氨为Lys9、His"、 Arg*、 Thr7 和Tyr"*。基酸残基，K_(NADPH)为 20 μM, K.(酮泛解酸)为60MTB的PanD的pI为4.2,最适温度为37°C,最μM，催化常数(k.)为40 s18。适pH为7.0, Km(L-Asp)和km 为分别为219.6 umol/L和(3)L-天冬氨酸-a-脱羧酶(EC 4.1.1.11)。L天冬氨0.65 s-。各种能与羰基反应的试剂,如NaBH4、D- 环酸-Q-脱羧酶(PanD)是PanD基因的表达产物，催化丝氨酸、肼、苯肼等对PanD均有抑制作用，其中羟:脱去LAsp的a羧基形成B-Ala. MTB和E. coli的PanD胺是最有效的抑制剂11; a-酮戊二酸为酶的激活晶体结构数据表明，四级结构是由a和β两种不同剂。中国煤化工的亚基组成的四聚体(图5)，a- 亚基靠近N-端Ser残乏酸合成酶(PanC)是基上共价结合丙酮酰基团9，β- 亚基的C-端为羟基.MYHCNMHGpanC基凶时衣心;物，匕足比民生物合成途径的最全酶含有三个aβ-亚基(分子量分别为11 kDa和2.8后一个关键酶，催化泛解酸与B-Ala结合形成泛酸。《生命的化学》2008 年28卷4期●小综述●451●CHEMISTRY OF LIFE 2008, 28(4)MTB、E. coli和Thermus thrmophilus泛酸合成酶晶体结构数据表明，酶是以同型二聚体形式存在的。SDS变性聚丙烯酰胺凝胶电泳法测得亚基的分子量约为33 kDa。E. coli泛酸合成酶的pI为4.6,最适pH值为10.0,最适温度为30°C。Kt, NH+和Mg2+可作为激活剂。一些0-氨基酸有强烈的抑制作用,酶也可以被整合剂抑制，丁酸钠对其有弱的抑制。表观K(泛解酸)为63 umol/L, K.(B-Ala)为150 μmolL, Km(ATP)为100 pumolL, keu 为3.4s-.酶反应动力学机制为“乒乓机制”，分两步反应进行121。在植物拟南芥中的泛酸合成酶还可以发生变构效应，这种变构效应在不改变活性位点的情况下实现功能适应性图6 MTB PanC的结构模型151PanC的四级结构为蝴蝶状(图6)，每个亚基都含形成泛酰腺苷酸,随后结合β-丙氨酸，活性中心位有两个非常容易被区分的区域，活性中心的洞穴是点 可容纳体积较大的AMPCPP,这表明不反应的泛由N-端区域的186个氨基酸残基形成的Rossmann折酰腺苷酸类似物很可能是PanC的高亲和性和高特异叠组成，被C-端区域铰链结构覆盖。在与底物结合性的抑制剂[15)。时，His47 或Lysl60决定着酶对ATP的亲和力; His、. 3. 束语His47. Asn"、 GIn”2、 LysI60 对稳定反应中间体泛酰腺泛酸在生物体中发挥着许多重要的功能，泛酸苷酸发挥着重要作用141。合成途径中的四种酶的主要特征已经得到确证(表MTB和E.coli的泛酸合成酶三维结构N-端区1)。泛酸可以直接影响细菌的生长，也会影响到- -城在结构.上与1类氨酰tRNA合成酶相似，属于胞苷些病原菌的致病能力。这种影响作用在MTB中已经酰转移酶超家族成员。发生反应时首先在活性中心得到证实，将PanCD基因双敵除后得到的MTB毒表1泛酸合成途径四种酶信息酶中文全称酮泛解酸羟甲基转移酶酮泛解酸还原酶L 天冬氨酸-a-脱羧酶泛酸合成酶酶英文全称ketopantoateL-aspartate-a-decarboxylasepantothenatehydroxymethyltransferasereductasesynthetase编码基因PanBPanEPanDPanC蛋白名称四级结构十聚体海星状单体“8”字形四聚体二聚体蝴蝶状辅助因子N.,N。.亚甲基四氢叶酸Mg* NADPH维生素B。K*、Mg2*. ATP等0)-氨基酸、丁酸抑制剂a-丁酸酮、丙酮酸和水杨酸尚不明确NaBH.肼、苯肼、D-钠、草酸萘呋胺酯等环丝氨酸、羟胺脂H47、H44、 N69,保守氨基酸LVGDS和GIGAG序列GCGALG和K9、H11_ R54. TS7和Y58072和K160催化a-酮异戊酸加上羟甲GXGXXG序列中国煤化工化泛解酸与生物功能基形成酮泛解酸，同时亚甲催化酮泛解酸催化.MYHCNMHG兩氨酸结合基四氢叶酸变为四氢叶酸还原形成泛解酸B- 丙氨酸形成泛酸《生命的化学》2008年28卷4期●452●●Mini ReviewCHEMISTRY OF LIFE 2008，28(4)性比卡介苗还低0。Rubin巳经证明是PanC基因对合成酶为靶点的抗结核药物筛选模型，并应用该模结核分支杆菌的生存至关重要7。PanCD 基因突变型从微生物的次级代谢产物寻找PanC抑制剂的研究的MTB即使再提供外源性泛酸也无法恢复MTB的已经完全展开。期望在不久的将来，针对泛酸生物致病性。由于泛酸合成途径在高等动物中不存在，合成途径的研究获得与目前临床上所用具有完全不决定了从这个生物合成途径中寻找抗菌药物靶点是同的作用机制的抗菌药物。实现与现有的抗菌药物可行的。通过对恶臭假单胞菌、超嗜热菌、百脉根联合使用，解决由耐药菌引发的感染问题。根瘤菌、乳酸乳球菌、大肠杆菌、副百日咳杆菌、致参考文献病性结核杆菌、间号状钩端螺旋体和酿酒酵母等菌Ottenhof HH et al. Plant J, 2004, 37: 61-72泛酸合成途径中的四个酶的氨基酸序列比对发现在丁玉琴等， 卫生研究, 2002, 31(6): 481-483微生物中它们的保守序列同源性较大，因此，推断Genschel U. Mol Biol Evol, 2004, 21(7): 1242-1251针对泛酸合成途径酶类为靶点进行的抗菌药物研究丁玉琴国外医学卫生学分册，2000, 27(5): 304-306很可能获得的是广谱抗生素类药物。Schmitzberger F et al. J Bacteriol, 2003, 185(14): 4163-4171Chaudhuri BN et al. Structure, 2003, 11: 753-764基因组学和蛋白质组学等分子生物学技术的发Primerano DA et al. J Bacteriol, 1982, 150(3): 1202-1211展促进了泛酸合成途径中的各种酶结构和理化性质Matak-Vinkovic D et al. Biochem, 2001, 40: 14493-14500的研究，在此基础上于2005年剑桥大学化学实验室9 Kwon AR et al. Acta Cystllgr D Biol Crstallogr, 2002, 58:Ciulli和Abell等开创立应用生物物理学的方法将861-863PanB. PanE 和PanC作为靶酶进行药物抑制剂设计10 Ramjee MK et al. Biochem J, 1997, 323(3): 661-669的研究叫; Chopra 和Kwon等将PanD作为病源微生11 高丽娟等.工业微生物，2007, 37(5): 54.5912 Miyatake K et al. J Nutr Sci Viaminol, 1978, 24: 243-53物如MTB和幽门螺杆菌的药物作用的靶点的研究3 Jonczyk R et al. J Biol Chem, 2006, 281(49); 37435-37446.也在进行中;在2007年，Lucile 和Kristen等运用多14 Zheng R et al. Biochemistry, 2004, 43: 7171-7178级酶促反应对化合物库进行PanC抑制剂筛选研究得15 Wang s et al. Protein Sci, 2003, 12: 1097-11086 Sambandamurthy VK et al. Nat Med, 2002, 8: 1171-1174到了有抑制作用的草酸萘呋胺酯，对它的抗菌活性7 Sasetti CM et al. Mol Microbiol, 2003, 48(1): 77-84的进行了研究9);中国医学科学院医药生物技术研18 ciulli A et al. Biochem Soc Trans, 2005, 33: 767-771究所新药筛选重点实验室首次在国内建立起以泛酸.9 White EL et al. J Biomol Screen, 2007, 12: 100-105The functions and biosynthesis of pantothenateYan-Hui YANG Chun-Ling XIAO(Institute of Medicinal Bioechnology, Chinese Academy of Medical Sciences, Bejjng 00050,0 China)AbstractPantothenate is a crucial precursor for the biosynthesis of coenzyme A (CoA) and acyl carrier protein (ACP). Ittakes part in metabolism of carbohydrate, fatty acid, protein and energy. It is also involved in the synthesis of steroid,melatonin, antibody and heme. The process of biosynthesis is catalyzed by ketopantoate hydroxymethytransferase. ketopantoatereductase, L-aspartale-a-decarboxylase and pantothenate synthetase. Plants and low organisms can synthesize pantothenate bythemselves, so these enzymes would be specifically selective and potential drug targets. This review describes the functions ofpantothenate and the structures and characteristics of the four enzymes in detail. which are related to biosynthesis pathway ofpantothenate in E. coli and Mycobacterium tuberculosis.Keywordspantotbenate; ketopantoate bydroxymethylransferase中国煤化工adeaboylse;pantothenate synthetaseMYHCNMHG