New strain development strategy using kinetic models and metabolic control analysis was investigated. In this study, previously reported mathematical models describing the enzyme kinetics of intracellular threonine synthesis were modified for mutant threonine producer Escherichia coli TF5015. Using the modified models, metabolic control analysis was carried out to identify the rate limiting step by evaluating the flux control coefficient on the overall threonine synthesis flux exerted by individual enzymatic reactions. The result suggested the production of threonine could be enhanced most efficiently by increasing aspartate semialdehyde dehydrogenase (asd) activity of this strain. Amplification of asd gene in recombinant strain TF5015 (pCL-$P_{aroF}$-asd) increased the threonine production up to 23%, which is much higher than 14% obtained by amplifying aspartate kinse (thrA), other gene in threonine biosynthesis pathway.
A membrane-bound phosphatidylinositol 4-kinase (PI 4-kinase) was separated in a sucrose gradient and solubilized with 1% Triton X-100 from mouse brain. The enzyme was purified 2,952-fold by various chromatographic techniques including DEAE-cellulose, PI-Sepharose and Sephacryl S-200 gel filtration. The molecular weight of PI 4-kinase was approximately 76 kDa by gel filtration and 70.8 kDa by SDS-polyacrylamide gel electrophoresis. The purified enzyme exhibited specific activity of 11.2 nmol/min/mg protein and pi value of 4.7. Kinetic analysis of the PI 4-kinase indicated apparent $K_m$, values of 190 ${\mu}M$ and 120 ${\mu}M$ for phosphatidylinositol and ATP, respectively. The maximal activity of this purified enzyme was observed at pH 7.4 at an incubation temperature of $37^{\circ}C$. The enzyme activity was significantly activated by $Mg^{2+}$, $Mn^{2+}$ and $Fe^{2+}$, and inhibited severely by $Ca^{2+}$. PI 4-kinase was proved to be pure in its immunoblot test by polyclonal antibody prepared from immunized rabbit sera. By this test, we were able to detect the existence of the same type of PI 4-kinase from other mouse organ tissues, such as liver, heart, kidney and spleen. Furthermore, similar immunoblot analysis with the same antisera recognized the different epitopes of PI 4-kinase proteins from various organs of rabbit, chinese hamster and rat.
Kim, Seheon;Koh, Seri;Kang, Wonchull;Yang, Jin Kuk
Molecules and Cells
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v.45
no.7
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pp.495-501
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2022
Leucine dehydrogenase (LDH, EC 1.4.1.9) catalyzes the reversible deamination of branched-chain L-amino acids to their corresponding keto acids using NAD+ as a cofactor. LDH generally adopts an octameric structure with D4 symmetry, generating a molecular mass of approximately 400 kDa. Here, the crystal structure of the LDH from Pseudomonas aeruginosa (Pa-LDH) was determined at 2.5 Å resolution. Interestingly, the crystal structure shows that the enzyme exists as a dimer with C2 symmetry in a crystal lattice. The dimeric structure was also observed in solution using multiangle light scattering coupled with size-exclusion chromatography. The enzyme assay revealed that the specific activity was maximal at 60℃ and pH 8.5. The kinetic parameters for three different amino acid and the cofactor (NAD+) were determined. The crystal structure represents that the subunit has more compact structure than homologs' structure. In addition, the crystal structure along with sequence alignments indicates a set of non-conserved arginine residues which are important in stability. Subsequent mutation analysis for those residues revealed that the enzyme activity reduced to one third of the wild type. These results provide structural and biochemical insights for its future studies on its application for industrial purposes.
Kinetic analysis was done to elucidate the reaction mechanism of purine nucleoside phosphorylase (PNP) in Saccharomyces cerevisiae. The binary complexes of PNP${\cdot}$phosphate and PNP${\cdot}$ribose 1-phosphate were involved in the reaction mechanism. The initial velocity and product inhibition studies demonstrated were consistent with the predominant mechanism of the reaction being an ordered bi, bi reaction. The phosphate bound to the enzyme first, followed by nucleoside and base were the first product to leave, followed by ribose 1-phosphate. The kinetically suggested mechanism of PNP in S. cerevisiae was in agreement with the results of protection studies against the inactivation of the enzyme by sulfhydryl reagents, p-chloromercuribenzoate (PCMB) and 5,5'-dithiobisnitrobenzoate (DTNB). PNP was protected by ribose 1-phosphate and phosphate, but not by nucleoside or base, supporting the reaction order of ordered bi, bi mechanism. PCMB or DTNB-inactivated PNP was totally reactivated by dithiothreitol (DTT) and the activity was returned to the level of 77% by 2-mercaptoethanol, indicating that inactivation was reversible. The kinetic behavior of the PCMB-inactivated enzyme had been changed with higher $K_m$ value of inosine and lower $V_m$, and was restored by DTT. Inactivation of enzyme by DTNB showed similar pattern of K sub(m) value with that by PCMB, but had not changed the $V_m$ value, significantly. Negative cooperativity was not found with PCMB or DTNB treated PNP at high concentration of phosphate.
Proceedings of the Korean Society for Applied Microbiology Conference
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2000.04a
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pp.157-167
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2000
A thermostable chitosanase gene from the isolated strain, Bacillus sp. CK4, was cloned, and its complete DNA sequence was determined. The thermostable chitosanase gene was composed of an 822-bp open reading frame which encodes a protein of 242 amino acids and a signal peptide corresponding to a 30 kDa enzyme in size. The deduced amino acid sequence of the chitosanase from Bacillus sp. CK4 exhibits 76.6%, 15.3%, and 14.2% similarities to those from Bacillus subtilis, Bacillus ehemensis, and Bacillus circulans, respectively. C-terminal homology analysis shows that Bacillus sp. CK4 belongs to the Cluster III group with Bacillus subtilis. The size of the gene was similar to that of a mesophile, Bacillus subtilis showing a higher preference for codons ending in G or C. The functional importance of a conserved region in a novel chitosanase from Bacillus sp. CK4 was investigated. Each of the three carboxylic amino acid residues were changed to E50D/Q, E62D/Q, and D66N/E by site-directed mutagenesis. The D66N/E mutants enzymes had remarkably decreased kinetic parameters such as $V_{max}$ and k$\sub$cat/, indicating that the Asp-66 residue was essential for catalysis. The thermostable chitosanase contains three cysteine residues at position 49, 72, and 211. Titration of the Cys residues with DTNB showed that none of them were involved in disulfide bond. The C49S and C72S mutant enzymes were as stable to thermal inactivation and denaturating agents as the wild-type enzyme. However the half-life of the C211S mutant enzyme was less than 60 min at 80$^{\circ}C$, while that of the wild type enzyme was about 90 min. Moreover, the residual activity of C211S was substantially decreased by 8 M urea, and fully lost catalytic activity by 40% ethanol. These results show that the substitution of Cys with Ser at position 211 seems to affect the conformational stability of the chitosanase.
Kinetic parameters of purine nucleoside phosphorylase (PNP) from Saccharomyces cerevisiae were measured. The Michaelis constants determined for substrates of the enzyme were $ 2.0 * 10^{-4}$ M for inosine, $2.0 *10^{-3}$ M for deoxyinosine, $ 2.0 * 10^{-5}$ M for guanosine and $2.0 10 ^{-5}$ M for deoxyguanosine. According to the ratio of relative $K_{cat}$Km, substrate specificity of each nucleoside was in the order of guanosine or deoxyguanosine, inosine and deoxyinosine. Cosubstrate, phosphate, revealed downward curvature in Lineweaver-Burk plot at high concentrations, indicating a negative cooperativity between subunits. The inhibition constants for purine analogs were measured to be $ 6 * 10^{-4}$ M for formycin B as the competitive inhibitor of inosine, $ 9 * 10^{-6}$ M for guanine as the competitive inhibitor of guanosine, $2 * 10^{-4}$ M for hypoxanthine as the non competitive inhibitor of guanosine and $4.5 * 10 ^{-4}$ M for 6-mercaptopurine as the non competitive inhibitor of guanosine. Alternative substrates, guanosine, deoxyguanosine and adenosine were found to act as competitive inhibitors with Ki values o $f^ 2.0 * 10 {-5}$ M, $2.6 * 10^{-5}$ M and $8.5 * 10 ^{-4}$ M, respectively, when inosine was the variable substrate. Guanosine and deoxyguanosine were also observed as competitive inhibitors with the Ki values of $1.8 * 10^{-5}$ M and $ 3.0 * 10^{-5}$ M, respectively, when deoxyinesine was the variable substrate. The results of alternative substrate sstudies suggested that a single enzyme acted on different nucleosides, inosine, deoxyinosine, adenosine, guanosine and deoxyguanosine.e.
The nonstructural protein 5B (NS5B) of hepatitis C virus (HCV) is the viral RNA-dependent RNA polymerase (RdRp), which is the essential catalytic enzyme for the viral replication and is an appealing target for the development of new therapeutic agents against HCV infection. A small amount of serum from a single patient with hepatitis C was used to get the genome of a Korean HCV isolate. Sequence analysis of NS5B 1701 nucleotides showed the genotype of a Korean isolate to be subtype 1b. The soluble recombinant HCV NS5B polymerase lacking the C-terminal 24 amino acids was expressed and purified to homogeneity. With the highly purified NS5B protein, we established in vitro systems for RdRp activity to identify potential polymerase inhibitors. The rhodanine family compounds were found to be potent and specific inhibitors of NS5B from high throughput screening (HTS) assay utilizing the scintillation proximity assay (SPA) system. The binding mode of an inhibitor was analyzed by measuring various kinetic parameters. Lineweaver-Burk plots of the inhibitor suggested it binds not to the active site of NS5B polymerase, but to an allosteric site of the enzyme. The activity of NS5B in in vitro polymerase reactions with homopolymeric RNA requires interaction with multiple substrates that include a template/primer and ribonucleotide triphosphate. Steady-state kinetic parameter, such as Km, was determined for the ribonucleotide triphosphate. One of compounds found interacts directly with the viral polymerase and inhibits RNA synthesis in a manner noncompetitively with respect to UTP. Furthermore, we also investigated the ability of the compound to inhibit NS5B-directed viral RNA replication using the Huh7 cell-based HCV replicon system. The investigation is potentially very useful for the utility of such compounds as anti-hepatitic agents.
Sang-A Lee;Vitchan Kim;Byoungyun Choi;Hyein Lee;Young-Jin Chun;Kyoung Sang Cho;Donghak Kim
Biomolecules & Therapeutics
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v.31
no.1
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pp.82-88
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2023
Genomic analysis indicated that the genome of Drosophila melanogaster contains more than 80 cytochrome P450 genes. To date, the enzymatic activity of these P450s has not been extensively studied. Here, the biochemical properties of CYP6A8 were characterized. CYP6A8 was cloned into the pCW vector, and its recombinant enzyme was expressed in Escherichia coli and purified using Ni2+-nitrilotriacetate affinity chromatography. Its expression level was approximately 130 nmol per liter of culture. Purified CYP6A8 exhibited a low-spin state in the absolute spectra of the ferric forms. Binding titration analysis indicated that lauric acid and capric acid produced type I spectral changes, with Kd values 28 ± 4 and 144 ± 20 µM, respectively. Ultra-performance liquid chromatography-mass spectrometry analysis showed that the oxidation reaction of lauric acid produced (ω-1)-hydroxylated lauric acid as a major product and ω-hydroxy-lauric acid as a minor product. Steady-state kinetic analysis of lauric acid hydroxylation yielded a kcat value of 0.038 ± 0.002 min-1 and a Km value of 10 ± 2 µM. In addition, capric acid hydroxylation of CYP6A8 yielded kinetic parameters with a kcat value of 0.135 ± 0.007 min-1 and a Km value of 21 ± 4 µM. Because of the importance of various lipids as carbon sources, the metabolic analysis of fatty acids using CYP6A8 in this study can provide an understanding of the biochemical roles of P450 enzymes in many insects, including Drosophila melanogaster.
The bacterium Sphingomonas chungbukensis DJ77 produces the extracellular polysaccharide gellan in high yield. Gellan produced by this bacterium is widely used as a gelling agent, and the enzyme UDP-glucose pyrophosphorylase (UGP) is thought to play a key role in the gellan biosynthetic pathway. The UGP gene has been successfully cloned and over-expressed in E. coli. The expressed enzyme was purified with a molecular weight of approximately 32 kDa, as determined by a SDS-polyacrylamide gel, but the enzyme appears as ca. 63 kDa on a native gel, suggesting that the enzyme is present in a homodimer. Kinetic analysis of UDP-glucose for UGP indicates $K_m$ = 1.14 mM and $V_{max}$ = 10.09 mM/min/mg at pH 8.0, which was determined to be the optimal pH for UGP catalytic activity. Amino acid sequence alignment against other bacteria suggests that the UGP contains two conserved domains: An activator binding site and a glucose-1-phosphate binding site. Site-directed mutagenesis of Lys194, located within the glucose-1-phosphate binding site, indicates that substitution of the charge-reversible residue Asp for Lys194 dramatically impairs the UGP activity, supporting the hypothesis that Lys194 plays a critical role in the catalysis.
To make a distinction between the influence of the dielectric constant and of methanol concentration on trypsin-catalyzed hydrolysis and methanolysis at $0^{\circ}C$, a model reaction of $N^u$-benzyloxycarbonyl-L-lysine p-nitrophenyl ester with water-methanol mixtures was chosen and a kinetic study done. The $k_{cat}$ values increased with methanol concentration, in a linear manner whereas $K_{M}$ values increased in a log-linear fashion. However, the $k_{cat},$_{M}$ ratio increased at lower methanol concentrations than 30% and then began to decrease at higher concentrations. The decrease in $k_{catK_M}$observed at higher than 30% methanol concentrations is attributed to the hydrophobic partitioning effect on substrate binding. On the other hand, the increase in $k_{catK_M}$ in the 0~30% methanol concentration range seems to be due to the effect of nucleophilic cosolvent on $k_{cat}$ and of the dielectric constant on $k_m$. This explanation was verified by measuring the effect of varying the dielectric constant of the medium on kinetic constants with isopropyl alcohol chemically unrelated to the enzyme reaction as the methanol concentration is maintained at a constant level. Therefore, we conclude that the effect of increasing the methanol concentration in the model reaction on the kinetic parameters $k_{cat \;and\;{K_M}}$ is caused by changes in both the nucleophilicity and the dielectric constant of the medium. Based on product analysis, the increase in $k_4, k_3$by decreasing the temperature can be accounted for by the suppression of hydrolytic reactions. This observation indicates that the nucleophile is favored by low temperatures. There was no loss of trypsin activity over a 10 h period in 60% methanol concentration at $pH^*\; 5.5,\; 0^{\circ}C$.EX>.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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