Ribosa-5-fosfat isomerase
| ribosa-5-fosfat isomerase | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
 Homotetramer D-ribosa-5-fosfat isomerase, Pyrococcus horikoshii | |||||||||
| Pengenal pasti | |||||||||
| Nombor EC | 5.3.1.6 | ||||||||
| Nombor CAS | 9023-83-0 | ||||||||
| Pangkalan data | |||||||||
| IntEnz | Lihat IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Entri BRENDA | ||||||||
| ExPASy | Lihat NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Entri KEGG | ||||||||
| MetaCyc | Laluan metabolik | ||||||||
| PRIAM | Profil | ||||||||
| Struktur PDB | RCSB PDB PDBj PDBe PDBsum | ||||||||
| Ontologi gen | AmiGO / EGO | ||||||||
| |||||||||
Ribosa-5-fosfat isomerase (Rpi) yang dikodkan oleh gen RPIA ialah enzim (EC 5.3.1.6) yang memangkinkan penukaran antara ribosa-5-fosfat (R5P) dan ribulosa-5-fosfat (Ru5P). Ia merupakan ahli kelas isomerase yang lebih besar yang memangkinkan pertukaran antara isomer kimia (dalam kes ini, isomer struktur pentosa). Ia memainkan peranan penting dalam metabolisme biokimia dalam kedua-dua laluan pentosa fosfat dan kitaran Calvin. Nama sistematik kelas enzim ini ialah D-ribosa-5-fosfat aldosa-ketosa-isomerase.
Struktur[sunting | sunting sumber]
Gen[sunting | sunting sumber]
RpiA pada manusia dikodkan pada kromosom kedua pada lengan pendek (lengan p) di kedudukan 11.2. Urutan pengekodannya adalah hampir 60,000 pasangan bes panjang.[1] Satu-satunya mutasi genetik yang berlaku secara semula jadi mengakibatkan kekurangan isomerase ribosa-5-fosfat, dan dibincangkan di bawah. Enzim ini dianggap telah wujud dalam kebanyakan sejarah evolusi. Eksperimen kalah mati yang dijalankan ke atas gen pelbagai spesies yang mengekod RpiA telah menunjukkan sisa terpelihara dan motif struktur yang serupa, menunjukkan asal usul gen purba.[2]
Protein[sunting | sunting sumber]
Rpi wujud sebagai dua protein yang berbeza, dipanggil RpiA dan RpiB. Walaupun RpiA dan RpiB memangkinkan tindak balas yang sama, mereka tidak menunjukkan urutan atau homologi struktur keseluruhan. Menurut Jung et al.,[3] penilaian RpiA menggunakan SDS-PAGE menunjukkan bahawa enzim adalah homodimer bagi subunit 25 kDa. Jisim molekul dimer RpiA didapati 49 kDa[3] melalui penapisan gel. Baru-baru ini, struktur kristal RpiA telah ditentukan.
Disebabkan oleh peranannya dalam laluan pentosa fosfat dan kitaran Calvin, RpiA sangat terpelihara dalam kebanyakan organisma, seperti bakteria, tumbuhan dan haiwan. RpiA memainkan peranan penting dalam metabolisme tumbuhan dan haiwan kerana ia terlibat dalam kitaran Calvin yang wujud dalam tumbuhan, dan laluan pentosa fosfat dalam tumbuhan serta haiwan.
Semua ortolog enzim mengekalkan struktur kuaterner tetramer yang tidak simetri dengan celah yang mengandungi tapak aktif. Setiap subunit terdiri daripada lima helaian β. Helaian β ini dikelilingi di kedua-dua belah oleh α-heliks.[4] Motif αβα ini tidak biasa dalam protein lain, mencadangkan kemungkinan homologi dengan enzim lain.[5] Molekul enzim yang berasingan disatukan oleh sentuhan yang sangat berkutub di permukaan luar monomer. Ada andaian bahawa tapak aktif terletak di mana berbilang β-sheet terminal C berkumpul dalam celah enzim. Celah ini mampu bertutup apabila fosfat dikenal pasti di pentosa (atau perencat fosfat yang sesuai). Tapak aktif diketahui mengandungi sisa terpelihara bersamaan dengan Asp81, Asp84 dan Lys94 dalam sisa E. coli, dan terlibat secara langsung dalam pemangkinan.[6]
Mekanisme[sunting | sunting sumber]
Dalam tindak balas, akibat keseluruhannya ialah pergerakan kumpulan karbonil daripada nombor karbon 1 ke nombor karbon 2; ini dicapai dengan tindak balas yang melalui perantaraan enediol (Rajah 1).[6] Melalui mutagenesis terarah tapak, Asp87 bayam RpiA telah dicadangkan untuk memainkan peranan sebagai bes umum dalam pertukaran R5P kepada Ru5P.[7]
Langkah pertama dalam pemangkinan ialah pemasukan pentosa ke dalam tapak aktif dalam celah enzim, diikuti dengan penutupan alosterik celahan. Enzim ini mampu mengikat dengan R5P dalam bentuk rantai terbuka atau cincin gula-fosfat. Jika ia mengikat cincin furanosa, ia seterusnya membuka cincin. Kemudian, enzim membentuk eneldiol yang distabilkan oleh residu lisina atau arginina.[6][8] Pengiraan telah menunjukkan bahawa penstabilan ini ialah penyumbang paling ketara kepada keseluruhan aktiviti pemangkin isomerase ini dan beberapa yang lain sepertinya.[9]
Fungsi[sunting | sunting sumber]
Protein yang dikodkan oleh gen RPIA ialah enzim yang memangkinkan penukaran boleh balik antara ribosa-5-fosfat dan ribulosa-5-fosfat dalam laluan pentosa-fosfat. Gen ini sangat terpelihara dalam kebanyakan organisma. Enzim memainkan peranan penting dalam metabolisme karbohidrat. Mutasi dalam gen ini menyebabkan kekurangan ribosa 5-fosfat isomerase. Pseudogen ditemui di kromosom 18.[10]
Laluan pentosa fosfat[sunting | sunting sumber]
Dalam bahagian bukan oksidatif laluan pentosa fosfat, RPIA menukarkan Ru5P kepada R5P yang kemudiannya ditukarkan oleh ribulosa-fosfat 3-epimerase kepada xilulosa-5-fosfat (rajah 3). [11] Hasil tindak balas pada asasnya ialah penukaran pentosa fosfat kepada perantaraan yang digunakan dalam laluan glikolisis. Di bahagian oksidatif laluan pentosa fosfat, RpiA menukarkan Ru5P kepada produk akhir, R5P, melalui tindak balas pengisomeran (rajah 3). Bahagian oksidatif laluan ialah sumber utama untuk NADPH yang diperlukan dalam tindak balas biosintetik dan perlindungan terhadap spesies oksigen reaktif.[12]
Kitaran Calvin[sunting | sunting sumber]
Dalam kitaran Calvin, tenaga daripada pembawa elektron digunakan dalam penetapan karbon, penukaran karbon dioksida dan air kepada karbohidrat. RPIA adalah penting dalam kitaran kerana Ru5P yang dihasilkan daripada R5P kemudiannya ditukar kepada ribulosa-1,5-bifosfat (RuBP), penerima karbon dioksida dalam tindak balas gelap pertama fotosintesis (Rajah 3).[13] Hasil langsung tindak balas karboksilase RuBP ialah gliseraldehid-3-fosfat; ini kemudiannya digunakan untuk membuat karbohidrat yang lebih besar.[14] Gliseraldehid-3-fosfat ditukar kepada glukosa yang kemudiannya ditukar oleh tumbuhan kepada bentuk simpanan (cth., kanji atau selulosa) atau digunakan untuk tenaga.[15]
Kepentingan klinikal[sunting | sunting sumber]
Gen isomerase ribose-5-fosfat bermutasi dalam gangguan yang jarang berlaku, kekurangan isomerase ribosa-5-fosfat. Penyakit ini hanya mempunyai seorang pesakit yang dikenali, dan didiagnosis pada tahun 1999.[16] Ia didapati disebabkan oleh gabungan dua mutasi. Mutasi pertama ialah pemasukan kodon hentian pramatang ke dalam gen yang mengekodkan isomerase, dan yang kedua ialah mutasi salah deria. Patologi molekul masih belum jelas.[17]
RpiA dan hepatokarsinogenesis[sunting | sunting sumber]
Manusia ribosa-5-fosfat isomerase A (RpiA) memainkan peranan dalam karsinoma hepatosel manusia (HCC).[18] Peningkatan ketara dalam ekspresi RpiA dikesan dalam biopsi tumor pesakit HCC dan dalam susunan tisu kanser hati. Satu hal penting ialah analisis klinikopatologi menunjukkan bahawa tahap mRNA RpiA sangat rapat dengan peringkat klinikal, gred, saiz tumor, jenis, pencerobohan dan tahap alfa-fetoprotein dalam pesakit HCC. Di samping itu, keupayaan RpiA untuk mengawal percambahan sel dan pembentukan koloni dalam garisan sel kanser hati yang berbeza memerlukan isyarat ERK serta modulasi negatif aktiviti PP2A, dan bahawa kesan RpiA boleh dimodulasi dengan penambahan sama ada perencat PP2A atau pengaktif. Ia menunjukkan bahawa ekspresi berlebihan RpiA boleh mendorong onkogenesis dalam HCC.[19]
RpiA dan parasit malaria[sunting | sunting sumber]
RpiA menjana perhatian apabila enzim didapati memainkan peranan penting dalam patogenesis parasit Plasmodium falciparum, agen penyebab malaria. Sel Plasmodium mempunyai keperluan kritikal terhadap bekalan besar kuasa pengurangan NADPH melalui PPP untuk menyokong pertumbuhan pesat mereka. Keperluan NADPH juga diperlukan untuk menyahtoksikkan hem, produk penguraian hemoglobin.[20] Tambahan pula, Plasmodium mempunyai keperluan yang sengit terhadap pengeluaran asid nukleik untuk menyokong percambahan pesatnya. R5P yang dihasilkan melalui peningkatan aktiviti laluan pentosa fosfat digunakan untuk menjana 5-fosfo-D-ribosa α-1-pirofosfat (PRPP) yang diperlukan dalam sintesis asid nukleik. Telah ditunjukkan bahawa kepekatan PRPP meningkat 56 kali ganda dalam eritrosit yang dijangkiti berbanding dengan yang tidak.[17] Oleh itu, penghasilan ubat yang menyasarkan RpiA dalam Plasmodium falciparum boleh mempunyai potensi terapeutik dalam kalangan pesakit malaria.
Interaksi[sunting | sunting sumber]
RPIA telah ditunjukkan untuk berinteraksi dengan PP2A.[19]
Rujukan[sunting | sunting sumber]
- ^ U.S. National Library of Medicine http://ghr.nlm.nih.gov/gene/RPIA
- ^ "Ribose catabolism of Escherichia coli: characterization of the rpiB gene encoding ribose phosphate isomerase B and of the rpiR gene, which is involved in regulation of rpiB expression". Journal of Bacteriology. 178 (4): 1003–11. February 1996. doi:10.1128/jb.178.4.1003-1011.1996. PMC 177759. PMID 8576032.
- ^ a b "D-ribose-5-phosphate isomerase from spinach: heterologous overexpression, purification, characterization, and site-directed mutagenesis of the recombinant enzyme". Archives of Biochemistry and Biophysics. 373 (2): 409–17. January 2000. doi:10.1006/abbi.1999.1554. PMID 10620366.
- ^ "The 2.2 Å resolution structure of RpiB/AlsB from Escherichia coli illustrates a new approach to the ribose-5-phosphate isomerase reaction". Journal of Molecular Biology. 332 (5): 1083–94. October 2003. doi:10.1016/j.jmb.2003.08.009. PMC 2792017. PMID 14499611.
- ^ "Chemical and biological evolution of nucleotide-binding protein". Nature. 250 (463): 194–9. July 1974. Bibcode:1974Natur.250..194R. doi:10.1038/250194a0. PMID 4368490.
- ^ a b c "Structure of Escherichia coli ribose-5-phosphate isomerase: a ubiquitous enzyme of the pentose phosphate pathway and the Calvin cycle". Structure. 11 (1): 31–42. January 2003. doi:10.1016/S0969-2126(02)00933-4. PMC 2792023. PMID 12517338.
- ^ "Vitamin B6 biosynthesis by the malaria parasite Plasmodium falciparum: biochemical and structural insights". The Journal of Biological Chemistry. 281 (6): 3633–41. February 2006. doi:10.1074/jbc.M508696200. PMID 16339145.
- ^ Woodruff, William W.; Wolfenden, Richard (18 July 1978). "Inhibition of ribose-5-phosphate by 4-phosphoerythronate". Journal of Biological Chemistry. 254 (13). Dicapai pada 6 March 2013.
- ^ Feierberg I, Åqvist (2002). "Computational modeling of enzymatic keto–enol isomerization reactions". Theoretical Chemistry Accounts. 108 (2): 71–84. doi:10.1007/s00214-002-0365-7.
- ^ "Entrez Gene: RPIA ribose 5-phosphate isomerase A".
- ^ Berg, Jeremy M. (2012). Biochemistry. New York: W.H. Freeman and Company. ISBN 978-1-4292-2936-4.
- ^ "The role of astroglia in Pb-exposed adult rat brain with respect to glutamate toxicity". Toxicology. 212 (2–3): 185–94. September 2005. doi:10.1016/j.tox.2005.04.013. PMID 15955607.
- ^ "Microsequencing and cDNA cloning of the Calvin cycle/OPPP enzyme ribose-5-phosphate isomerase (EC 5.3.1.6) from spinach chloroplasts". Plant Molecular Biology. 30 (4): 795–805. February 1996. doi:10.1007/BF00019012. PMID 8624410.
- ^ A. A. Benson; J. A. Bassham; M. Calvin; T. C. Goodale; V. A. Haas; W. Stepka (1950). "The Path of Carbon in Photosynthesis. V. Paper Chromatography and Radioautography of the Products1". Journal of the American Chemical Society. 72 (4): 1710–1718. doi:10.1021/ja01160a080.
- ^ Nelson, David L. (2005). Principles of Biochemistry. New Yord: W.H Freeman and Company. ISBN 0-7167-4339-6.
- ^ "The difference between rare and exceptionally rare: molecular characterization of ribose 5-phosphate isomerase deficiency" (PDF). Journal of Molecular Medicine. 88 (9): 931–9. September 2010. doi:10.1007/s00109-010-0634-1. PMID 20499043.
- ^ a b "Ribose-5-phosphate isomerase deficiency: new inborn error in the pentose phosphate pathway associated with a slowly progressive leukoencephalopathy". American Journal of Human Genetics. 74 (4): 745–51. April 2004. doi:10.1086/383204. PMC 1181951. PMID 14988808.
- ^ "The pentose phosphate pathway: an antioxidant defense and a crossroad in tumor cell fate". Free Radical Biology & Medicine. 53 (3): 421–36. August 2012. doi:10.1016/j.freeradbiomed.2012.05.006. PMID 22580150.
- ^ a b "Ribose-5-phosphate isomerase A regulates hepatocarcinogenesis via PP2A and ERK signaling". International Journal of Cancer. 137 (1): 104–15. July 2015. doi:10.1002/ijc.29361. PMID 25429733.
- ^ "Glutathione--functions and metabolism in the malarial parasite Plasmodium falciparum". Biological Chemistry. 384 (4): 551–66. April 2003. doi:10.1515/BC.2003.063. PMID 12751785.