إنزيم إيزوسيترات لياز

إنزيم إيزوسيترات لياز ( EC 4.1.3.1 )، أو ICL ، هو إنزيم في دورة الجليوكسيلات يحفز انشطار الإيزوسيترات إلى سكسينات وجليوكسيلات . ^{[ 2 ] [ 3 ]} وبالتزامن مع إنزيم مالات سينثاز ، يتجاوز هذا الإنزيم خطوتي إزالة الكربوكسيل في دورة حمض الستريك (دورة TCA) ، ويستخدمه البكتيريا والفطريات والنباتات. ^{[ 4 ]}

الاسم النظامي لهذه الفئة من الإنزيمات هو إيزوسيترات غليوكسيلات-لياز (مُكوِّن السكسينات) . ومن الأسماء الشائعة الأخرى: إيزوسيتراتيز ، إيزوسيتراتيز ، إيزوسيتراتيز ، ثريو-دي إس-إيزوسيترات غليوكسيلات-لياز ، وإيزوسيترات غليوكسيلات-لياز . يشارك هذا الإنزيم في استقلاب الغليوكسيلات وثنائي الكربوكسيلات .

ينتمي هذا الإنزيم إلى عائلة اللياسات ، وتحديدًا لياسات الأحماض الأكسجينية، التي تكسر روابط الكربون-كربون. وتنتمي إنزيمات أخرى إلى هذه العائلة، منها كاربوكسي فينيل كاربوكسي فوسفونات فوسفوريل ميوتيز ( EC 2.7.8.23 ) الذي يحفز تحويل 1-كاربوكسي فينيل كاربوكسي فوسفونات إلى 3-(هيدروكسي هيدروكسي فوسفوريل) بيروفات ثاني أكسيد الكربون، وفوسفينول بيروفات ميوتيز ( EC 5.4.2.9 ) الذي يشارك في التخليق الحيوي للمضادات الحيوية ثلاثية الببتيد فوسفينوثريسين .

أثناء عملية التحفيز، يُنزع البروتون من الإيزوسيترات ، وينتج عن انشطار الألدول إطلاق السكسينات والجليوكسيلات. تعمل آلية التفاعل هذه بشكل مشابه لآلية الألدولاز في عملية تحلل الجلوكوز ، حيث يتم كسر رابطة كربون-كربون وإطلاق الألدهيد. ^{[ 5 ]}

في دورة الجليوكسيلات، يقوم إنزيم مالات سينثاز بعد ذلك بتحفيز تكثيف الجليوكسيلات وأسيتيل-CoA لتكوين المالات حتى تستمر الدورة.

يتنافس إنزيم إيزوسيترات لياز (ICL) مع إنزيم إيزوسيترات ديهيدروجينيز ، وهو إنزيم موجود في دورة حمض الستريك، على معالجة الإيزوسيترات. ويتم التحكم في تدفق هذه الإنزيمات عن طريق فسفرة إنزيم إيزوسيترات ديهيدروجينيز، الذي يتمتع بألفة أعلى بكثير للإيزوسيترات مقارنةً بإنزيم إيزوسيترات لياز. ^{[ 6 ]} وبالتالي، يؤدي تعطيل إنزيم إيزوسيترات ديهيدروجينيز عن طريق الفسفرة إلى زيادة توجيه الإيزوسيترات عبر إنزيم إيزوسيترات لياز، كما يُلاحظ عند زراعة البكتيريا على الأسيتات ، وهو مركب ثنائي الكربون. ^{[ 6 ]}

اعتبارًا من عام 2023، تم حل العديد من هياكل ICL. وتشمل هذه البنية بنية واحدة من بكتيريا الزائفة الزنجارية ( رمز الوصول في بنك بيانات البروتين : 6G1O ) ، وبنية واحدة من فطرالفيوزاريوم غرامينيروم ( رمز الوصول في بنك بيانات البروتين : 5E9H )، وبنية واحدة من فطر الرشاشية النيدولية ( رمز الوصول في بنك بيانات البروتين : 1DQU ) ، وبنية واحدة من بكتيريا يرسينيا الطاعونية ( رمز الوصول في بنك بيانات البروتين : 3LG3 ) ،وبنية واحدة من بكتيريا بوركولدرية سودومالي ( رمز الوصول في بنك بيانات البروتين : 3I4E )، وبنية واحدة من بكتيريا الإشريكية القولونية ( رمز الوصول في بنك بيانات البروتين : 1IGW ) ، وبنيتين من فطر ماغنابورتي أوريزاي ( رمز الوصول في بنك بيانات البروتين : 5E9F و5 E9G ) ، وأربع بنيات من بكتيريا البروسيلا الملتية ( رمز الوصول في بنك بيانات البروتين : 3P0X ،و 3OQ8 ، و 3EOL ، و3E5B ) ، وإحدى عشرة بنية من بكتيريا المتفطرة السلية ( رمز الوصول في بنك بيانات البروتين : 1) . 1F61 ​،PDB : 1F8I ​،PDB : 1F8M ​،PDB : 6C4A ​،PDB : 6C4C ​،PDB : 5DQL ​،PDB : 6EDW ​،PDB : 6EDZ ​،PDB : 6EE1 ​،PDB : 6XPP ​، وPDB : 8G8K ​) .

يتكون إنزيم ICL من أربع سلاسل متطابقة، ويتطلب وجود أيون المغنيسيوم (Mg²⁺ ⁾ أو المنغنيز (Mn²⁺ ⁾ ومجموعة ثيول لكي يعمل. ^{[ 4 ]} في بكتيريا الإشريكية القولونية ، يُعتقد أن الأحماض الأمينية Lys-193 وLys-194 وCys-195 وHis-197 وHis-356 هي بقايا محفزة، بينما يُعتقد أن His-184 يشارك في تجميع الإنزيم الرباعي. ^{[ 7 ]}

يتمثل أحد الاختلافات في بنية إنزيم ICL بين بدائيات النوى وحقيقيات النوى في إضافة ما يقارب 100 حمض أميني بالقرب من مركز الإنزيم في حقيقيات النوى. يُعتقد أن هذه الأحماض الأمينية الإضافية في حقيقيات النوى تُسهم في توجيه إنزيم ICL إلى عضيات محاطة بغشاء واحد تُسمى الجليوكسيسومات . ^{[ 4 ] [ 8 ]} تُفسر هذه الأحماض الأمينية الإضافية الاختلاف في الكتلة الجزيئية: إذ تبلغ كتلة إنزيم ICL في بدائيات النوى 48 كيلو دالتون، بينما تبلغ في حقيقيات النوى 67 كيلو دالتون. ^{[ 4 ]} يُحفظ حمض السيستين فقط بين تسلسلات الإنزيمات الفطرية والنباتية والبكتيرية؛ ويقع في منتصف ببتيد سداسي محفوظ.

تحتوي معظم إنزيمات ICL التي تم تحديد خصائصها حتى الآن على نطاق واحد فقط (النطاق التحفيزي). مع ذلك، وُجد نطاقان في النظير الثاني من إنزيم ICL الخاص ببكتيريا السل (M. tuberculosis ). ^{[ 9 ]} ومن خلال الدراسات البنيوية والحركية، تبيّن أن النطاق الطرفي الكربوكسيلي هو نطاق تنظيمي، يتحد مع النطاق الطرفي الكربوكسيلي المقابل من وحدة فرعية أخرى (من رباعي ICL2) عند ارتباط أسيتيل مرافق الإنزيم A لتنشيط النشاط التحفيزي للإنزيم. ^{[ 9 ] [ 10 ]}

في سلالة المتفطرة السلية H37Rv (وهي سلالة شائعة الاستخدام في المختبرات)، انقسم الجين المسؤول عن ترميز ICL2 إلى إطارين مفتوحين للقراءة ( rv1915 و rv1916 )، مما أدى إلى ترميز Rv1915 (ICL2a) وRv1916 (ICL2b) على التوالي. لا تزال الوظائف البيولوجية لـ Rv1915 (ICL2a) وRv1916 (ICL2b) غير مفهومة بشكل كامل. وقد وُصفت Rv1915 و rv1916 في البداية بأنها جينات كاذبة. ^{[ 11 ]} وتوقعت دراسة حاسوبية أُجريت عام 2019 أن Rv1916 (ICL2b) قد يشارك في تخليق المستقلبات الثانوية. ^{[ 12 ]} أظهرت الدراسات المختبرية أن كلاً من Rv1915 (ICL2a) وRv1916 (ICL2b) قد يكونان قادرين على تحفيز تحويل الإيزوسيترات إلى سكسينات وجليوكسيلات. ^{[ 12 ] [ 13 ]} ومع ذلك، أظهرت دراسة حديثة، هيكلية وكيميائية حيوية، أن Rv1916 (ICL2b) لا يمتلك نشاط ICL. ^{[ 14 ]} بل أظهرت الدراسة أن Rv1916 (ICL2b) هو بروتين رابط لأسيتيل-CoA ذو وظيفة بيولوجية غير معروفة. ^{[ 14 ]}

طُوِّرت عدة طرق لدراسة حركية إنزيم ICL وتثبيطه . تضمنت أكثر الطرق استخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية المرئية (UV/vis) المقترنة كيميائيًا أو إنزيميًا لقياس كمية الجليوكسيلات المتكونة. على سبيل المثال، يمكن تفاعل الجليوكسيلات مع فينيل هيدرازين لتكوين هيدرازون يمكن تحليله باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية المرئية . [ ^{15 ] بدلاً} من ذلك، يمكن استخدام نازعة هيدروجين اللاكتات لتحفيز اختزال الجليوكسيلات إلى جليكولات في وجود نيكوتيناميد أدينين ثنائي النوكليوتيد (NADH)، وهو ركيزة مساعدة لنازعة هيدروجين اللاكتات. خلال التفاعل، يتأكسد NADH إلى NAD ⁺ . ويمكن بعد ذلك قياس انخفاض تركيز NADH باستخدام مطيافية الأشعة فوق البنفسجية المرئية باستخدام صبغة. ^{[ 11 ]} بالإضافة إلى التقنيات الطيفية، تم تطبيق تقنيات فيزيائية حيوية ، بما في ذلك مطيافية الكتلة غير المشوهة الأصلية ومطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR)، لدراسة ICL. ^{[ 16 ] [ 17 ]}

وُجد أن إنزيم ICL فعال في العديد من العتائق والبكتيريا والطلائعيات والنباتات والفطريات والديدان الأسطوانية . [ ^{18 ]} على الرغم من وجود الجين في جينومات الديدان الأسطوانية واللاسعات، إلا أنه لم يُعثر عليه في جينومات الثدييات ^{المشيمية} . ^{[ 18 ]}

عن طريق تحويل الإيزوسيترات من دورة حمض الستريك، تؤدي أنشطة إنزيمي إيزوسيترات لياز (ICL) ومالات سينثاز في دورة الجليوكسيلات إلى استيعاب صافٍ للكربون من مركبات ثنائية الكربون. ^{[ 19 ]} وبالتالي، فبينما لا تُنتج دورة حمض الستريك أي استيعاب صافٍ للكربون، تُولّد دورة الجليوكسيلات مركبات وسيطة يمكن استخدامها لتخليق الجلوكوز (عبر استحداث الجلوكوز )، بالإضافة إلى منتجات حيوية أخرى. ونتيجةً لذلك، تستطيع الكائنات الحية التي تستخدم إنزيمي إيزوسيترات لياز ومالات سينثاز تخليق الجلوكوز ومركباته الوسيطة الأيضية من أسيتيل مرافق الإنزيم-أ المُشتق من الأسيتات أو من تحلل الإيثانول أو الأحماض الدهنية أو بولي-β-هيدروكسي بوتيرات. ^{[ 4 ]} وتُعد هذه الوظيفة بالغة الأهمية للنباتات الراقية عند استخدام زيوت البذور. ففي البذور النابتة، يُولّد تحلل الزيوت أسيتيل مرافق الإنزيم-أ. يعمل هذا كركيزة لدورة الجليوكسيلات، التي تولد وسائط تعمل كمصدر أساسي للمغذيات قبل بدء إنتاج السكريات عن طريق عملية التمثيل الضوئي . ^{[ 8 ]}

في بكتيريا السل (M. tuberculosis) ، يؤدي كل من الشكلين 1 و2 من إنزيم ICL دور إنزيم ميثيل أيزوسيترات لياز ، حيث يحولان ميثيل أيزوسيترات إلى سكسينات وبيروفات. ^{[ 9 ] [ 20 ]} وهذا مهم لأن دورة ميثيل السترات أساسية لبقاء البكتيريا على الأحماض الدهنية ذات السلسلة الفردية . ^{[ 21 ]}

ثبتت أهمية إنزيم ICL في إمراضية الإنسان والحيوان والنبات. ^{[ 4 ]} بالنسبة للعديد من المحاصيل الزراعية، بما في ذلك الحبوب والخيار والبطيخ، يُعدّ ازدياد التعبير عن الجين المُشفّر لإنزيم ICL عاملاً مهماً في ضراوة الفطريات. ^{[ 4 ]} على سبيل المثال، لوحظ ازدياد التعبير الجيني لـ icl1 في فطر Leptosphaeria maculans عند إصابة الكانولا . يؤدي تعطيل جين icl1 إلى انخفاض ضراوة الفطر، ويُعتقد أن ذلك ناتج عن عدم قدرة الفطر على استخدام مصادر الكربون التي يوفرها النبات. ^{[ 22 ]}

بالإضافة إلى ذلك، لوحظ ارتفاع في نشاط دورة الجليوكسيلات لدى مسببات الأمراض التي تصيب الإنسان. وينطبق هذا على الفطريات مثل المبيضات البيضاء ، التي تعيش على جلد وفم وجهاز هضمي وأمعاء ومهبل الثدييات، ويمكن أن تؤدي إلى عدوى جهازية لدى المرضى الذين يعانون من نقص المناعة؛ وكذلك على بكتيريا المتفطرة السلية ، المسبب الرئيسي لمرض السل . ^{[ 23 ] [ 24 ]} في هذه الحالة الأخيرة، وُجد أن إنزيم ICL ضروري لبقاء البكتيريا في جسم المضيف. ^{[ 25 ]} لذا، يُعد إنزيم ICL هدفًا علاجيًا حاليًا لتثبيطه في علاجات السل. ^{[ 26 ]}

نظراً لاستخدام الفطريات والبكتيريا الممرضة لمركب إيكوساميداز (ICL) ومركب مالات سينثاز، يجري البحث عن مثبطات نوعية لهما. ^{[ 4 ]} على الرغم من تحديد بعض المثبطات بالفعل، بما في ذلك الإيتاكونات ، ^{[ 27 ] [ 28 ]} والبروموبيروفات ، ^{[ 29 ]} و3-نيتروبروبيونات، ^{[ 30 ]} والأكسالات ، ^{[ 31 ]} والمالات . ^{[ 16 ]} ولأن هذه المثبطات جزيئات صغيرة قطبية، فقد تثبط أيضاً إنزيمات أخرى ضرورية لوظائف الخلية المضيفة. ^{[ 4 ] [ 32 ] [ 33 ]} هناك حاجة إلى مزيد من البحث لتحديد مثبطات تستهدف بشكل انتقائي الإنزيمات في دورة الجليوكسيلات.

• دورة الجليوكسيلات
• عائلة إيزوسيترات لياز