فيتاز بيتا-بروبيلر

📅 آخر تحديث: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٣ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 5 صور
الموسوعة الحرة
BPP ( PDBID : 3AMR ). أيونات الكالسيوم ذات الأهمية التحفيزية 4-8 باللون الأخضر، وأيونات الكالسيوم الأقل أهمية 1-3 و9-11 باللون الأرجواني . [ 1 ] يظهر في الصورة الطرفان الأميني والكربوكسيلي ، و"شفرات" المروحة، ومركب ميو -إينوزيتول هيكساسلفات (IHS، وهو نظير للفيتات) المرتبط بالموقع النشط .

إنزيمات الفايتيز ذات البنية الحلزونية بيتا ( BPPs ) هي مجموعة من الإنزيمات (أي عائلة فائقة من البروتينات ) ذات بنية حلزونية بيتا . تُصنف BPPs ضمن إنزيمات الفايتيز ، مما يعني قدرتها على إزالة ( تحليل ) مجموعات الفوسفات من حمض الفايتيك وأملاحه الفيتاتية. [ 2 ] يحدث التحلل المائي على مراحل، وينتهي عادةً بمنتج ميو -إينوزيتول ثلاثي الفوسفات، الذي لا يزال مرتبطًا بثلاث مجموعات فوسفاتية. [ 3 ] الركيزة الأساسية لإنزيمات BPPs هي فيتات الكالسيوم [ 4 ] ، ولتحليلها مائيًا، يجب أن ترتبط أيونات الكالسيوم (Ca2 +) بجزيئات BPPs. تُعد BPPs أكثر عائلات الفايتيز انتشارًا في البيئة، ويُعتقد أنها تلعب دورًا رئيسيًا في دورة الفيتات والفوسفور في التربة والماء. [ 5 ] وكما يوحي اسمها البديل، الفايتيز القلوي ، تعمل BPPs بكفاءة عالية في بيئة قاعدية (أو متعادلة). تتراوح درجة الحموضة المثلى لها بين 6 و9، [ 2 ] وهو أمر فريد من نوعه بين إنزيمات الفايتيز. [ 5 ]

الاستخدامات المحتملة

اعتبارًا من أبريل 2018، لا تُستخدم مثبطات الفايتيز ثنائية الفوسفات (BPPs) تجاريًا، ولكن قد يكون لها إمكانات لهذا الاستخدام. وتُعد مثبطات الفايتيز الحمضية الهيستيدينية (HAPs) المجموعة الوحيدة من مثبطات الفايتيز المستخدمة في علف الحيوانات حاليًا.

علف الحيوانات

تُضاف إنزيمات الفايتيز المُعاد تركيبها بشكل شائع في الزراعة إلى علف الحيوانات أحادية المعدة لتعزيز التوافر الحيوي للعناصر الغذائية فيه . [ 6 ] تشمل هذه العناصر الفوسفور المرتبط بالفايتات على شكل مجموعات فوسفات . على عكس المجترات كالأبقار ، لا تستطيع بكتيريا الأمعاء لدى الحيوانات أحادية المعدة كالخنازير والدجاج تحليل هذه المجموعات بشكل كامل ، مما يحول دون استفادة الجهاز الهضمي للحيوان من الفوسفور. وبالتالي، يُهدر الفوسفور غير الممتص وقد ينتهي به المطاف في البيئة مع روث الحيوانات عبر جريان المياه الزراعية، مما يُسبب التخثث . كما يُمكن أن يعمل حمض الفايتيك كمضاد للمغذيات ، حيث يُمكنه استخلاب الكالسيوم من العلف وتقليل توافره الحيوي بنسبة تصل إلى 60-70% من إجمالي محتوى الكالسيوم في العلف. تُحسّن إضافة الفايتيز من توافر الكالسيوم ، كما يُمكنها تحسين التوافر الحيوي للحديد والزنك . وقد تزيد أيضًا من توافر النحاس والمنغنيز . أما التوافر الحيوي للأحماض الأمينية فلا يتحسن بشكل ملحوظ. [ 7 ]

بالمقارنة مع إنزيمات الفايتيز الحمضية الهيستيدينية (HAPs)، التي غالبًا ما تكون غير مستقرة في درجات حرارة أعلى من 65  درجة مئوية، فإن إنزيمات الفايتيز ثنائية الفوسفات (BPPs) تتحمل بشكل طبيعي درجات حرارة عالية تتراوح بين 80 و85  درجة مئوية. تُستخدم هذه الدرجات الحرارية عادةً في عملية تكوير علف الحيوانات أثناء تصنيعه. على عكس إنزيمات HAPs، تتميز إنزيمات BPPs بدرجة حموضة مثلى متعادلة أو قلوية، مما يجعل استخدامها ممكنًا في بيئات متعادلة أو قلوية. وهذا يوسع نطاق التطبيقات المحتملة لإنزيمات الفايتيز. [ 2 ] يمكن استخدام إنزيمات BPPs في علف الحيوانات المائية لأن العديد من هذه الحيوانات، مثل الأسماك والروبيان ، تمتلك جهازًا هضميًا متعادلًا أو قلويًا . [ 8 ] كما أن إنزيمات BPPs متخصصة في الفايتات، على عكس إنزيمات HAPs، [ 5 ] التي تحلل أيضًا جزيئات أخرى تحتوي على الفوسفات مثل ADP و GTP و NADH . [ 9 ] ومع ذلك، فإن إنزيمات BPPs أبطأ تحفيزيًا من إنزيمات HAPs الحالية بأكثر من 2 إلى 60 مرة. تتمتع مركبات HAPs بنشاط تحفيزي نوعي يتراوح بين 100 و3000 وحدة / ملغ . أما مركبات BPPs، فعادةً ما يكون نشاطها التحفيزي النوعي أقل من 50 وحدة/ملغ . [ 2 ] ونظرًا لانخفاض نشاطها، يتطلب استخدامها العملي مزيدًا من البحث. [ 5 ]

بناء

اعتبارًا من أبريل 2018، كانت 7 هياكل بلورية معروفة لـ BPP: 3AMR و 3AMS و 1H6L و 1POO و 2POO و 1CVM و 1QLG .

تتراوح كتل بروتينات BPP المعروفة بين 35 و68 كيلو دالتون تقريبًا . [ 5 ] يتكون تركيبها الحلزوني من ستة صفائح بيتا متوازية عكسيًا ، أو ما يُعرف بـ"الشفرات". تحتوي إحدى هذه الشفرات على 5 صفائح بيتا (الشفرة رقم 5 في الصورة في بداية هذه المقالة)، بينما تحتوي الشفرات المتبقية على 4 صفائح بيتا. توجد تفاعلات كارهة للماء بين هذه الشفرات، يُعتقد أنها تُحافظ على تماسك التركيب الحلزوني. تُشكل هذه الشفرات نفقًا داخل الإنزيم، حيث يرتبط هذا النفق ببعض جزيئات الماء. أمام هذا النفق، يقع الموقع النشط للإنزيم ، وهو موجب الشحنة إجمالًا نتيجة ارتباطه بأيونات الكالسيوم (Ca2 +) وبعض بقايا الأحماض الأمينية الموجبة. يرتبط هذا الموقع بفيتات الكالسيوم سالبة الشحنة، ويُحلل الفوسفات منها. [ 2 ] 

الزخارف

تم العثور على أنماط BPP بواسطة هوانغ وآخرون [ 10 ] ، وهي موضحة في BPP (PDBID: 1H6L). الأنماط المميزة هي DAADDPAIW (باللون الأحمر) وNNVDIRY (باللون الأخضر).

قارنت دراسة أجراها هوانغ وآخرون عام 2008 ستة وستين تسلسلًا ببتيديًا من نوع BPP، ووجدوا أن النمطين التسلسليين DA[A/T/E]DDPA[I/L/V]W وNN[V/I]D[I/L/V]R[Y/D/Q] محفوظان في جميع ببتيدات BPP المدروسة. على سبيل المثال، يشير R[Y/D/Q] إلى وجود R و Y أو D أو Q في التسلسل، أي RY أو RD أو RQ. [ 10 ] وفي دراسة أخرى أجراها كومار وآخرون عام 2014، قارنوا أربعة وأربعين ببتيدًا من نوع BPP، ووجدوا عشرة أنماط. اثنان منها، وهما DDPAIW[VI][HN]PK[DN]P[ESA]KS وNN[F/V]D[I/V/L]، وُجدا في جميع ببتيدات BPP المدروسة. ولوحظ تشابههما مع الأنماط التي وُجدت في دراسة هوانغ وآخرون عام 2008. [ 5 ]

الاعتماد على الكالسيوم والمثبطات

بروتينات BPP هي بروتينات معدنية تعتمد على الكالسيوم . يحتوي موقعها النشط على عدد من كاتيونات الكالسيوم (Ca²⁺ ) المرتبطة به عبر مجموعات الكربوكسيلات سالبة الشحنة للأحماض الأمينية . تُعد أيونات الكالسيوم الموجبة ضرورية لجعل ارتباط الفيتات السالب الشحنة كهربائيًا مُفضلاً. يحدث الارتباط عبر مجموعات الفوسفات سالبة الشحنة للفيتات بالإضافة إلى بعض بقايا الأحماض الأمينية الموجبة الشحنة في بروتين BPP والتي ترتبط مباشرةً بالفيتات. [ 1 ] كما تؤثر تركيزات Ca²⁺ على درجة الحموضة المثلى لبروتين BPP وثباته الحراري : على سبيل المثال، مع بروتين BPP من بكتيريا Bacillus sp . KHU-10، يكون النشاط في أعلى مستوياته عند إضافة 10 ملي مولار من CaCl₂ عند درجة حرارة 60 درجة مئوية ودرجة حموضة تتراوح بين 6 و9.5. بدون إضافة CaCl₂ ، يكون النشاط في أعلى مستوياته عند درجة حرارة 40 درجة مئوية ودرجة حموضة تتراوح بين 6.5 و8.5. [ 5 ]  

يؤدي إزالة أيونات الكالسيوم (Ca²⁺ ) إلى فقدان النشاط التحفيزي، ولهذا السبب يثبط مركب EDTA، المرتبط بالكالسيوم، إنزيمات BPP. كما أن بعض الطفرات النقطية في الأحماض الأمينية الرابطة للكالسيوم توقف وظيفة الإنزيم. وتثبط الأيونات ثنائية التكافؤ ، مثل الكادميوم ( Cd²⁺ ) ، والمنغنيز (Mn²⁺) ، والنحاس (Cu²⁺ ) ، والباريوم (Ba²⁺) ، والزئبق ( Hg²⁺ ) ، والزنك (Zn²⁺ ) ، والكوبالت (Co²⁺ )، والحديد ( Fe²⁺ )، إنزيمات BPP عن طريق استبدال أيونات الكالسيوم داخل الإنزيم. [ 5 ] ويرجع ذلك على الأرجح إلى صغر حجم هذه الكاتيونات مقارنةً بأيونات الكالسيوم ، التي يبلغ نصف قطر فان دير فالس لها 0.99 أنغستروم . فعلى سبيل المثال، يبلغ نصف قطر فان دير فالس لأيون الكوبالت 0.74 أنغستروم، وبالتالي فهو صغير جدًا على الأرجح للقيام بنفس المهام التي يقوم بها الكالسيوم . ومع ذلك، يمكن لأيونات السترونتيوم (Sr²⁺) أن تحل محل الكالسيوم في بعض الحالات على الأقل دون فقدان كامل للوظيفة التحفيزية. يبلغ نصف قطر فان دير فالس لأيون السترونتيوم (Sr²⁺ ) 1.12 أنغستروم، وهو مشابه لنصف قطر أيون الكالسيوم (Ca²⁺ ) . [ 4 ] ويمكن ملاحظة توافق مماثل بين الأيونات المختلفة في بعض الإنزيمات الأخرى أيضًا. [ 11 ]

يمكن أن يؤدي ارتفاع تركيز أيونات الكالسيوم (Ca²⁺ ) إلى زيادة معدل تحفيز BPP حتى حد معين. وعندما يتجاوز تركيز Ca²⁺ هذا الحد، تبدأ أيونات Ca²⁺ الإضافية بالعمل كمثبطات تنافسية . كما أن التركيزات العالية من الفيتات الحر غير المرتبط بـ Ca²⁺ تثبط BPP أيضًا. ويُحتمل أن يحدث هذا من خلال عملية استخلاب Ca²⁺ المرتبط بـ BPP بواسطة الفيتات الحر . [ 4 ]

تشمل أنواع المثبطات الأخرى الموليبدات والتنغستات والفانادات الأكسي أنيونية (الرابطة للأكسجين) . يُعتقد أن التثبيط بهذه الأكسي أنيونات يحدث نتيجة لتكوينها معقدات ثنائية الهرم المثلثي داخل الموقع النشط للإنزيم، وهي مشابهة لحالة الانتقال لمجموعة الفوسفات في الفيتات أثناء تحللها المائي. يعمل الأورثوفوسفات، المنطلق من حمض الفيتيك، كمثبط تنافسي لإنزيمات BPP. [ 9 ] يُثبط نظير حمض الفيتيك ، ميو -إينوزيتول-هيكساسلفات (IHS)، إنزيمات BPP، وقد استُخدم هذا المركب كأداة مساعدة في الدراسات البنيوية لإنزيمات BPP نظرًا لتشابهه مع حمض الفيتيك (انظر 3AMR ). [ 2 ]

آلية التحلل المائي

في آلية التحلل المائي التي اقترحها شين وآخرون عام ٢٠٠١، تنقسم أيونات الكالسيوم (Ca²⁺ ) المرتبطة بـ BPP إلى أيونات موقع التحلل المائي وأيونات موقع الألفة . في موقع التحلل المائي، تساعد أيونات الكالسيوم (Ca²⁺ ) الفوسفات المراد إزالته على الارتباط بالموقع النشط . كما أنها تُنشّط جزيء ماء يشارك في التحلل المائي بتحويله إلى أيون هيدروكسيد ( OH⁻ ) ، وتُثبّت حالة الانتقال أثناء التحفيز. أما أيونات منطقة الألفة فتزيد من ألفة الفيتات للموقع النشط، وتُبقي الفيتات ثابتة أثناء التحلل المائي من مجموعات الفوسفات الأخرى. يتكرر التحلل المائي تدريجيًا حتى يتم الحصول على منتج ميو - إينوزيتول بثلاث مجموعات فوسفات. [ ٣ ] تدعم دراسات أخرى وجود منتج بثلاث مجموعات فوسفات، [ ١٢ ] [ ١٣ ] [ ١٤ ] [ ١٥ ] ولكن يمكن إزالة المزيد من الفوسفات في ظل ظروف قاسية مثل التركيز العالي لـ BPP وفترة حضانة طويلة. [ ١٣ ]

آلية تحلل BPP. [ 3 ] وقد تم اقتراح أن الأنيونات الأكسجينية مثل الموليبدات تشكل مركبات مشابهة لحالة الانتقال لتحلل الفوسفات [ 9 ] (يتم عرض الحالة الوسيطة فقط في الصورة).

تحدث عملية التحلل المائي الفعلية، كما اقترحها شين وآخرون، على مرحلتين. المرحلة الثانية أبطأ وتحد من سرعة التفاعل الكلية. في المرحلة الأولى، تسحب مجموعة الكربونيل الإلكترونات من ذرة الفوسفور في الفوسفات، مما يجعلها فقيرة بالإلكترونات، أي أنها تحمل شحنة موجبة. في الوقت نفسه، يتبرع أيون الهيدروكسيد (OH⁻ ) بزوج من الإلكترونات إلى ذرة الفوسفور الموجبة ظاهريًا في الفوسفات. تتشكل حالة وسيطة ثنائية الهرم المثلثي . في المرحلة الثانية، تنكسر رابطة الفوسفات عندما يتبرع حمض أميني حمضي (BH⁺ ) ببروتون إلى ذرة الأكسجين في الرابطة. وبذلك تنفصل مجموعة الفوسفات. [ 3 ]

مسارات التحلل المائي

توجد عدة مسارات مقترحة للتحلل المائي، ولكن من غير المؤكد أيها صحيح أو حتى وجود مسارات متعددة. فيما يلي ملخص لهذه المسارات.

مسارات التحلل المائي المقترحة لـ BPP. [ 12 ] [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] تتطلب الظروف القاسية تركيزًا عاليًا لـ BPP مقارنةً بتركيز حمض الفيتيك و/أو فترة حضانة أطول. [ 13 ] تبدأ المسارات بحمض الفيتيك (Ins(1,2,3,4,6)P6 ) أو ملحه، فيتات الكالسيوم. على سبيل المثال، يحتوي Ins(1,3,5)P3 على مجموعات فوسفات مرتبطة بذرات الكربون 1 و3 و5.

انظر أيضاً

مراجع

  1. 1 2 Zeng YF, Ko TP, Lai HL, Cheng YS, Wu TH, Ma Y, Chen CC, Yang CS, Cheng KJ, Huang CH, Guo RT, Liu JR (يونيو 2011). "البنية البلورية لإنزيم الفايتيز القلوي من بكتيريا العصوية في مركب مع أيونات المعادن ثنائية التكافؤ وسداسي كبريتات الإينوزيتول" (ملف PDF) . مجلة البيولوجيا الجزيئية . 409 (2): 214-224 . doi : 10.1016/j.jmb.2011.03.063 . PMID 21463636 . 
  2. 1 2 3 4 5 6 تشين سي سي، تشينغ كي جيه، كو تي بي، غو آر تي (2015-04-01). "التطورات الحالية في أبحاث الفايتيز: البنية ثلاثية الأبعاد وهندسة البروتين" . مجلة ChemBioEng Reviews . 2 (2): 76–86 . doi : 10.1002/cben.201400026 .
  3. شين إس ، ها إن سي، أوه بي سي ، أوه تي كي، أوه بي إتش (سبتمبر 2001). "آلية عمل الإنزيم والخاصية التحفيزية لإنزيم فيتاز بيتا بروبيلر" . ستراكشر . 9 (9): 851-858 . doi : 10.1016/S0969-2126(01)00637-2 . PMID 11566134 . 
  4. ها ، ن. س.، أوه ، ب. س.، شين، س.، كيم، هـ. ج.، أوه، ت. ك.، كيم، ي. أ.، تشوي، ك. ي.، أوه، ب. هـ. (فبراير 2000). "البنية البلورية لإنزيم فيتاز جديد مقاوم للحرارة في حالتي التحميل الجزئي والكلي بالكالسيوم". مجلة نيتشر للبيولوجيا التركيبية . 7 (2): 147-153 . doi : 10.1038/72421 . PMID 10655618. S2CID 29391671 .  
  5. 1 2 3 4 5 6 7 8 كومار ف، ياداف أ.ن، فيرما ب، سانغوان ب، ساكسينا أ، كومار ك، سينغ ب (مايو 2017). "إنزيمات الفايتيز من نوع بيتا بروبيلر: التنوع، والخصائص التحفيزية، والتطورات الحالية، والتطبيقات البيوتكنولوجية المحتملة". المجلة الدولية للجزيئات الحيوية الكبيرة . 98 : 595-609 . doi : 10.1016/j.ijbiomac.2017.01.134 . PMID 28174082 . 
  6. ^ Gifre L، Arís A، Bach À، Garcia-Fruitós E (مارس 2017). "اتجاهات استخدام البروتين المؤتلف في الإنتاج الحيواني" . مصانع الخلايا الميكروبية . 16 (1) 40. دوى : 10.1186/s12934-017-0654-4 . بمك 5336677 . بميد 28259156 .  
  7. ↑ لي إكس جي، ويفر جيه دي، مولاني إي، الله إيه إتش، أزاين إم جيه (يناير 2013). "إنزيم الفايتيز: حياة جديدة لإنزيم "قديم"". المراجعة السنوية لعلوم الأحياء الحيوانية . 1 (1): 283-309 . doi : 10.1146/annurev-animal-031412-103717 . PMID 25387021 . 
  8. ^ Viader-Salvadó JM، Gallegos-López JA، Carreón-Treviño JG، Castillo-Galván M، Rojo-Domínguez A، Guerrero-Olazarán M (أكتوبر 2010). "تصميم phytases بيتا المروحة القابلة للحرارة مع النشاط على نطاق واسع من الأس الهيدروجيني والإفراط في إنتاجها بواسطة Pichia Pastoris" . علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والبيئي . 76 (19): 6423– 30. بيب كود : 2010ApEnM ..76.6423V . دوى : 10.1128/AEM.00253-10 . بمك 2950461 . بميد 20693453 .  
  9. 1 2 3 كونيتزني يو، غرينر آر (2002). "الخصائص الجزيئية والحفزية للإنزيمات المحللة للفيتات (الفايتيز)" . المجلة الدولية لعلوم وتكنولوجيا الأغذية . 37 (7): 791-812 . doi : 10.1046/j.1365-2621.2002.00617.x .
  10. 1 2 هوانغ هـ، شاو ن، وانغ ي، لوه هـ، يانغ ب، تشو ز، زان ز، ياو ب (مايو 2009). "إنزيم فيتاز جديد من نوع بيتا-بروبيلر من بكتيريا بيدوباكتر نياكينسيس MJ11 CGMCC 2503 ذو إمكانات كمضاف علفي مائي". علم الأحياء الدقيقة التطبيقي والتكنولوجيا الحيوية . 83 (2): 249-259 . doi : 10.1007/s00253-008-1835-1 . PMID 19139877. S2CID 20225761 .  
  11. ↑ دوبيرينر أ، شميد أ، لودفيج أ، غوبل و، بنز ر (سبتمبر 1996). "تأثيرات الكالسيوم والأيونات متعددة التكافؤ الأخرى على تكوين القنوات بواسطة ألفا-هيموليسين الإشريكية القولونية في خلايا الدم الحمراء وأغشية الطبقة الدهنية الثنائية" . المجلة الأوروبية للكيمياء الحيوية . 240 (2): 454-460 . doi : 10.1111/j.1432-1033.1996.0454h.x . PMID 8841412 . 
  12. 1 2 كيروفو ج، روفينين ج، هاتزاك ف (ديسمبر 2000). "تحليل تحلل سداسي فوسفات الميو-إينوزيتول بواسطة فيتاز العصوية: مؤشر على آلية تفاعل جديدة" . المجلة البيوكيميائية . 352 الجزء 3 (الجزء 3): 623-628 . doi : 10.1042/bj3520623 . PMC 1221497. PMID 11104666 .  
  13. 1 2 3 4 غرينر ر، لارسون ألمينجر م، كارلسون ن.ج، موزكيز م، بوربانو س، كوادرادو س، بيدروسا م.م، غويواغا س (2002). "مسار إزالة الفوسفات من ميو-إينوزيتول سداسي الفوسفات بواسطة إنزيمات الفايتيز في بذور البقوليات". مجلة الكيمياء الزراعية والغذائية . 50 (23): 6865-6870 . Bibcode : 2002JAFC...50.6865G . doi : 10.1021/jf025620t . PMID 12405789 . 
  14. 1 2 أوه بي سي، كيم إم إتش، يون بي إس، تشوي دبليو سي، بارك إس سي، باي إس سي، أوه تي كيه (أغسطس 2006). "يُساهم ارتباط فوسفات الإينوزيتول بالكالسيوم (Ca2+) في تحديد خصوصية الركيزة لإنزيم بيتا-بروبيلر فيتاز". الكيمياء الحيوية . 45 (31): 9531-9539 . doi : 10.1021/bi0603118 . PMID 16878987 . 
  15. نام إس جيه ، كيم واي أو، كو تي كيه، كانغ جيه كيه، تشون كيه إتش، أوه جيه إتش، لي سي إس، لي آي كيه، بارك إس، أوه بي سي (أكتوبر 2014). "الخصائص الجزيئية والكيميائية الحيوية لإنزيم فيتاز بيتا-بروبيلر من بكتيريا الزائفة البحرية BS10-3 وتطبيقاته المحتملة كمضافات علفية حيوانية" . مجلة علم الأحياء الدقيقة والتكنولوجيا الحيوية . 24 (10): 1413-1420 . doi : 10.4014/jmb.1407.07063 . PMID 25112322 .