Glicosídeo hidrolase - Glycoside hydrolase

Uma alfa-amilase pancreática 1HNY, uma glicosídeo hidrolase

As glicosídeos hidrolases (também chamadas de glicosidases ou glicosil hidrolases ) catalisam a hidrólise de ligações glicosídicas em açúcares complexos . Eles são enzimas extremamente comuns com funções na natureza, incluindo a degradação de biomassa , como celulose ( celulase ), hemicelulose e amido ( amilase ), em estratégias de defesa antibacteriana (por exemplo, lisozima ), em mecanismos de patogênese (por exemplo, neuraminidases virais) e na função celular normal (por exemplo, redução das manosidases envolvidas na biossíntese de glicoproteína ligada a N ). Junto com as glicosiltransferases , as glicosidases formam a principal maquinaria catalítica para a síntese e quebra de ligações glicosídicas.

Glicosídeo hidrolase mech.svg

Ocorrência e importância

As glicosídeos hidrolases são encontradas essencialmente em todos os domínios da vida. Em procariotos , eles são encontrados como enzimas intracelulares e extracelulares que estão amplamente envolvidas na aquisição de nutrientes. Uma das ocorrências importantes de glicosídeos hidrolases em bactérias é a enzima beta-galactosidase (LacZ), que está envolvida na regulação da expressão do operon lac em E. coli . Em organismos superiores, as glicosídeos hidrolases são encontradas no retículo endoplasmático e no aparelho de Golgi, onde estão envolvidas no processamento de glicoproteínas ligadas a N e no lisossoma como enzimas envolvidas na degradação de estruturas de carboidratos. A deficiência em glicosídeos hidrolases lisossomais específicas pode levar a uma variedade de distúrbios de armazenamento lisossomal que resultam em problemas de desenvolvimento ou morte. As glicosídeos hidrolases são encontradas no trato intestinal e na saliva, onde degradam carboidratos complexos, como lactose , amido , sacarose e trealose . No intestino, eles são encontrados como enzimas ancoradas por glicosilfosfatidil nas células endoteliais . A enzima lactase é necessária para a degradação do açúcar do leite lactose e está presente em níveis elevados em bebês, mas na maioria das populações diminuirá após o desmame ou durante a infância, podendo levar à intolerância à lactose na idade adulta. A enzima O-GlcNAcase está envolvida na remoção de grupos N-acetilglucosamina de resíduos de serina e treonina no citoplasma e no núcleo da célula. As glicosídeos hidrolases estão envolvidas na biossíntese e degradação do glicogênio no corpo.

Classificação

Artigo principal: Lista de famílias de glicosídeo hidrolase

As glicosídeos hidrolases são classificadas em EC 3.2.1 como enzimas que catalisam a hidrólise de O- ou S-glicosídeos. As glicosídeos hidrolases também podem ser classificadas de acordo com o resultado estereoquímico da reação de hidrólise: portanto, elas podem ser classificadas como retendo ou invertendo enzimas. As glicosídeos hidrolases também podem ser classificadas como ação exo ou endo, dependendo se agem na extremidade (geralmente não redutora) ou no meio, respectivamente, de uma cadeia de oligo / polissacarídeo. As glicosídeos hidrolases também podem ser classificadas por métodos baseados em sequência ou estrutura.

Classificação baseada em sequência

As classificações baseadas em sequência são um dos métodos preditivos mais poderosos para sugerir função para enzimas recentemente sequenciadas para as quais a função não foi demonstrada bioquimicamente. Um sistema de classificação para glicosil hidrolases, com base na similaridade de sequência, levou à definição de mais de 100 famílias diferentes. Esta classificação está disponível no site CAZy (CArbohydrate-Active EnZymes). O banco de dados fornece uma série de classificações baseadas em sequências regularmente atualizadas que permitem a previsão confiável do mecanismo (retenção / inversão), resíduos do local ativo e possíveis substratos. O banco de dados online é suportado pela CAZypedia, uma enciclopédia online de enzimas ativas de carboidratos. Com base em semelhanças estruturais tridimensionais, as famílias baseadas em sequência foram classificadas em 'clãs' de estrutura relacionada. O progresso recente na análise da sequência de glicosidase e na comparação da estrutura 3D permitiu a proposta de uma classificação hierárquica estendida das glicosídeos hidrolases.

Mecanismos

Invertendo glicosídeo hidrolases

As enzimas de inversão utilizam dois resíduos enzimáticos, normalmente resíduos de carboxilato, que atuam como ácido e base , respectivamente, conforme mostrado abaixo para uma β-glucosidase :

Hidrólise de glicosídeo invertendo mech.svg

Retenção de glicosídeo hidrolases

A retenção de glicosidases opera por meio de um mecanismo de duas etapas, com cada etapa resultando em inversão , para uma retenção líquida da estereoquímica. Novamente, dois resíduos estão envolvidos, que geralmente são carboxilatos de origem enzimática . Um atua como nucleófilo e o outro como ácido / base. Na primeira etapa, o nucleófilo ataca o centro anomérico , resultando na formação de um intermediário enzimático glicosil, com assistência ácida fornecida pelo carboxilato ácido. Na segunda etapa, o carboxilato ácido agora desprotonado atua como uma base e auxilia uma água nucleofílica a hidrolisar o intermediário da enzima glicosil, dando o produto hidrolisado. O mecanismo é ilustrado abaixo para lisozima de clara de ovo de galinha .

Mech.svg de retenção de hidrólise de glicosídeo

Pode ocorrer um mecanismo alternativo para hidrólise com retenção de estereoquímica que prossegue por meio de um resíduo nucleofílico que está ligado ao substrato, em vez de estar ligado à enzima. Tais mecanismos são comuns para certas N-acetilhexosaminidases, que têm um grupo acetamido capaz de participar do grupo vizinho para formar uma oxazolina ou íon oxazolínio intermediário. Este mecanismo prossegue em duas etapas por meio de inversões individuais para levar a uma retenção líquida da configuração.

Assistência à hidrólise de glicosídeo mech.svg

Um mecanismo variante de participação do grupo vizinho foi descrito para endo-α-mananases que envolve a participação do grupo 2-hidroxila para formar um epóxido intermediário. A hidrólise do epóxido leva a uma retenção líquida da configuração.

Glicosidase vizinho a epóxido 1.png

Nomenclatura e exemplos

As glicosídeos hidrolases são normalmente nomeadas em homenagem ao substrato sobre o qual atuam. Assim, as glucosidases catalisam a hidrólise de glucósidos e as xilanases catalisam a clivagem do homopolímero xilano à base de xilose. Outros exemplos incluem lactase , amilase , quitinase , sacarase , maltase , neuraminidase , invertase , hialuronidase e lisozima .

Usos

Prevê-se que as glicosídeos hidrolases ganhem papéis crescentes como catalisadores em aplicações de biorrefinamento na bioeconomia futura. Essas enzimas têm uma variedade de usos, incluindo a degradação de materiais vegetais (por exemplo, celulases para degradar a celulose em glicose, que pode ser usada para a produção de etanol ), na indústria de alimentos ( invertase para a fabricação de açúcar invertido, amilase para a produção de maltodextrinas), e na indústria de papel e celulose ( xilanases para remoção de hemiceluloses de celulose). As celulases são adicionadas aos detergentes para a lavagem dos tecidos de algodão e auxiliam na manutenção das cores por meio da remoção das microfibras que sobem da superfície dos fios durante o uso.

Em química orgânica , as hidrolases de glicosídeo podem ser usadas como catalisadores sintéticos para formar ligações glicosídicas por meio de hidrólise reversa (abordagem cinética) onde a posição de equilíbrio é invertida; ou por transglicosilação (abordagem cinética) em que a retenção de glicosídeo hidrolases pode catalisar a transferência de uma porção glicosil de um glicosídeo ativado para um álcool aceitador para produzir um novo glicosídeo.

Foram desenvolvidas glicosídeos hidrolases mutantes denominadas glicosintases que podem atingir a síntese de glicosídeos em alto rendimento a partir de doadores de glicosil ativados, como fluoretos de glicosila. As glicosintases são tipicamente formadas a partir da retenção de glicosídeo hidrolases por mutagênese dirigida ao local do nucleófilo enzimático em algum outro grupo menos nucleofílico, como alanina ou glicina. Outro grupo de glicosídeo hidrolases mutantes denominadas tioglicoligases pode ser formado por mutagênese dirigida ao local do resíduo ácido-base de uma glicosídeo hidrolase de retenção. As tioglicoligases catalisam a condensação de glicosídeos ativados e vários aceptores contendo tiol.

Vários glicosídeos hidrolases mostraram eficácia na degradação de polissacarídeos da matriz dentro da substância polimérica extracelular (EPS) de biofilmes microbianos . Do ponto de vista médico, os biofilmes proporcionam aos microrganismos infecciosos uma variedade de vantagens em relação às suas contrapartes planctônicas e flutuantes, incluindo tolerâncias muito aumentadas aos agentes antimicrobianos e ao sistema imunológico do hospedeiro. Assim, a degradação do biofilme pode aumentar a eficácia do antibiótico e potencializar a função imunológica do hospedeiro e a capacidade de cura. Por exemplo, uma combinação de alfa-amilase e celulase demonstrou degradar biofilmes bacterianos polimicrobianos de fontes in vitro e in vivo e aumentar a eficácia antibiótica contra eles.

Inibidores

Muitos compostos são conhecidos que podem agir inibindo a ação de uma glicosídeo hidrolase. Heterociclos contendo nitrogênio e 'em forma de açúcar' foram encontrados na natureza , incluindo desoxinojirimicina , swainsonina , australina e castanospermina . A partir desses modelos naturais, muitos outros inibidores foram desenvolvidos, incluindo isofagomina e desoxigalactonojirimicina , e vários compostos insaturados, como PUGNAc. Os inibidores de uso clínico incluem os medicamentos antidiabéticos acarbose e miglitol e os antivirais oseltamivir e zanamivir . Descobriu-se que algumas proteínas atuam como inibidores da glicosídeo hidrolase.

Veja também

Referências

links externos