To gain further insight into the relationship between structure and function of glutathione S-transferase (GST), the four cysteine mutants, C14S, C47S, C101S and C169S, of human GST P1-1 were expressed in Escherichia coli and purified to electrophoretic homogeneity by affinity chromatography on immobilized glutathione (GSH). The catalytic activities of the four mutant enzymes were characterized with five different substrates as well as by their binding to four different inhibitors. Cys14 seems to participate in the catalytic reaction of GST by stabilizing the conformation of the active-site loop, not in the GSH binding directly. The substitution of Cys47 with serine significantly reduces the affinity of GSH binding, although it does not prevent GSH binding. On the other hand, the substitution of Cys101 with serine appears to change the binding affinity of electrophilic substrate by inducing a conformational change of the $\alpha-helix$ D. Cys169 seems to be important for maintaining the stable conformation of the enzyme. In addition, all four cysteine residues are not needed for the steroid isomerase activity of human glutathione S-transferase P1-1.
In order to investigate the critical amino acid residues involved in the catalytic activities of $\beta$-cyclodextrin glucanotransferase ($\beta$-CGTase) excreted by Bacillus firmus var. alkalophilus, the amino acid residues in $\beta$-CGTase were modified by various site-specific amino acid modifying reagents. The cyclizing and amylolytic activities of $\beta$-CGTase were all seriously reduced after treatment with Woodward's reagent K (WRK) modifying aspartic/glutamic acid, N-bromosuccinimde (NBS) modifying tryptophan, and diethylpyrocarbonate (DEPC) modifying histidine residues. The roles of tryptophan and histidine residues in $\beta$-CGTase were further investigated by measuring the protection effect of various substrates during chemical modification, comparing protein mobility in native and affinity polyacrylamide gel electrophoresis containing soluble starch, and comparing the $K_m$ and $V_{max}$ values of native and modified enzymes. Tryptophan residues were identified as affecting substrate-binding ability rather than influencing catalytic activities. On the other hand, histidine residues influenced catalytic ability rather than substrate-binding ability, plus histidine modification had an effect on shifting the optimum pH and pH stability.
Human neutrophil elastase (HNElastase, EC 3.4.21.37), a causative factor of inflammatory diseases, was purified by Ultrogel AcA54 gel filtration and CM-Sephadex ion exchange chromatography. HNElastase was inhibited by phenylbutazone in a concentration dependent manner up to 0.4 mM, but as the concentration increased, the inhibitory effect gradually diminished. Binding of phenylbutazone to the human neutrophil elastase caused strong Raman shifts at 200, 440, and 1194 $cm^{-1}$. The peak at 1194 $cm^{-1}$ might be evidence of the presence $of\;-N=N-{\Phi}$ radical. The core area of the elastase, according to the visual molecular model of human neutrophil elastase, was structurally stable. A deeply situated active center was at the core area surrounded by hydrophobic amino acids. Directly neighboring the active site was one positively charged atom and two atoms carrying a negative charge, which enabled the enzyme and the drug to form a strong interaction. Phenylbutazone may form a binding, similar to a key & lock system to the atoms carrying opposite charges near the active site of the enzyme molecule. Furthermore, the hydrophobicity of the surrounding amino acid near the active site seemed to enhance the binding strength of phenylbutazone. Binding of phenylbutazone near the active site may cause masking of the active site, preventing the substrate from approaching the active site and inhibiting elastase activity.
A new alkyldithiocarbonate (xanthate), as sodium salts, C2H5OCS2Na, was synthesized by the reaction between CS2 with ethyl alcohol in the presence of NaOH. The new xanthate was characterized by 1H NMR, IR and elemental analysis. Then, the new synthesized compound was examined for functional study of cresolase activity of Mushroom Tyrosinase (MT) from a commercial source of Agricus bisporus in 10 mM phosphate buffer pH 6.8, at three temperatures of 10, 20 and 33℃ using UV spectrophotemetry. 4-[(4-methylphenyl)- azo]-phenol (MePAPh) was used as a synthetic substrate for the enzyme for cresolase reaction. The results show that ethyl xanthate can activate or inhibit the cresolase activity of mushroom tyrosinase depending to the concentration of ethyl xanthate. It was concluded that the enzyme has two distinct sites for ethyl xanthate. The first one is a high-affinity activation site and the other is a low-affinity inhibition site. Activation of the enzyme in the low concentration of ethyl xanthate arises from increasing the affinity of binding for the substrate as well as increasing the enzyme catalytic constant. The affinity of ligand binding in the activation site is decreased by increasing of the temperature, which is the opposite result for the inhibition site. Hence, the nature of the interaction of ethyl xanthate is different in two distinct sites. The binding process for cresolase inhibition is only entropy driven, meanwhile the binding process for cresolase activation is not only entropy driven but also enthalpy driven means that hydrophobic interaction is more important in the inhibition site.
In order to study the role of residue in the active site of glutathione S-transferase (GST), Tyr 108 residue in human GST P1-1 was replaced with alanine, phenylalanine and tryptophan by site-directed mutagenesis to obtain mutants Y108A, Y108F and Y108W. These three mutant enzymes were expressed in Escherichia coli and purified to electrophoretic homogeneity by affinity chromatography on immobilized GSH. The substitutions of Tyr108 significantly affected $K_m^{CDNB}$ and $K_m^{ETA}$, whereas scarcely affected $K_m^{GSH}$. The substitutions of Tyr108 also significantly affected $I_{50}$ of ETA, an electrophilic substrate-like compound. The effect of these substitutions on kinetic parameters and the response to inhibition suggests that tyrosine 108 in hGST P1-1 contributes to the binding of the electrophilic substrate and a major determinant in the binding of CDNB is the aromatic ring of Tyr108, not its hydroxyl group.
Diketoreductase (DKR) from Acinetobacter baylyi contains two tryptophan residues at positions 149 and 222. Trp-149 and Trp-222 are located along the entry path of substrate into active site and at the dimer interface of DKR, respectively. Single and double substitutions of these positions were generated to probe the roles of tryptophan residues. After replacing Trp with Ala and Phe, biochemical and biophysical characteristics of the mutants were thoroughly investigated. Enzyme activity and substrate binding affinity of W149A and W149F were remarkably decreased, suggesting that Trp-149 regulates the position of substrate at the binding site. Meanwhile, enzyme activity of W222F was increased by 1.7-fold while W222A was completely inactive. In addition to lower thermostability of Trp-222 mutants, molecular modeling of the mutants revealed that Trp-222 is vital to protein folding and dimerization of the enzyme.
In order to gain further insight on the relationship between structure and function of glutathione S-transferase (GST), the six active-site mutants, R13T, K44T, Q51A, Q64A, S65A, and D98A, of human GST P1-1 were expressed in Escherichia coli and purified to electrophoretic homogeneity by affinity chromatography on immobilized GSH. The active-site mutants showed marked differences in substrate specificity. The substitution of Gln51 with threonine resulted in a drastic decrease in the specific activities to <10% of the wild-type value. The substitution of Arg13 with threonine resulted in more decreased specific activity toward cumene hydroperoxide and in the $I_{50}$ values of S-(2,4-dinitrophenyl) glutathione and benanstatin A. These results suggest that the substitution of Arg13 with threonine changes the conformation of the active site to increase the affinity for the product or electrophilic substrate. Lys44 seems to be in the vicinity of the H-site of hGST P1-1 or may contribute to some extents to the electrophile binding.
Jo, Hyun-Joo;Lee, Ju-Won;Noh, Jin-Seok;Kong, Kwang-Hoon
Bulletin of the Korean Chemical Society
/
v.33
no.12
/
pp.4169-4172
/
2012
To elucidate the roles of cysteine residues in rice Phi-class GST F3, in this study, all three cysteine residues were replaced with alanine by site-directed mutagenesis in order to obtain mutants C22A, C73A and C77A. Three mutant enzymes were expressed in Escherichia coli and purified to electrophoretic homogeneity by affinity chromatography on immobilized GSH. The substitutions of Cys73 and Cys77 residues in OsGSTF3 with alanine did not affect the glutathione conjugation activities, showing non-essentiality of these residues. On the other hand, the substitution of Cys22 residue with alanine resulted in approximately a 60% loss of specific activity toward ethacrynic acid. Moreover, the ${K_m}^{CDNB}$ value of the mutant C22A was approximately 2.2 fold larger than that of the wild type. From these results, the evolutionally conserved cysteine 22 residue seems to participate rather in the structural stability of the active site in OsGSTF3 by stabilizing the electrophilic substrates-binding site's conformation than in the substrate binding directly.
Dihydrodipicolinate reductase is an enzyme that converts dihydrodipicolinate to tetrahydrodipicolinate using an NAD(P)H cofactor in L-lysine biosynthesis. To increase the understanding of the molecular mechanisms of lysine biosynthesis, we determined the crystal structure of dihydrodipicolinate reductase from Corynebacterium glutamicum (CgDapB). CgDapB functions as a tetramer, and each protomer is composed of two domains, an Nterminal domain and a C-terminal domain. The N-terminal domain mainly contributes to nucleotide binding, whereas the C-terminal domain is involved in substrate binding. We elucidated the mode of cofactor binding to CgDapB by determining the crystal structure of the enzyme in complex with NADP+ and found that CgDapB utilizes both NADH and NADPH as cofactors. Moreover, we determined the substrate binding mode of the enzyme based on the coordination mode of two sulfate ions in our structure. Compared with Mycobacterium tuberculosis DapB in complex with its cofactor and inhibitor, we propose that the domain movement for active site constitution occurs when both cofactor and substrate bind to the enzyme.
To find the substrate interacting site of the MCAT1, charged amino acid residues in the transmembrane domain were changed to opposite charged amino acids and studied the arginine uptake, gp70 binding, efflux and protein expression using the Xenopus oocyte expression method. Among the five mutants of MCAT1, the D403K showed the most interesting characteristics, which had normal gp70 binding but low arginine uptake function, that means the normal expression on the membrane but decreased transport function. All mutants except K211E showed decreased arginine efflux, and kinetic study showed decreased Vmax. Together, Clu(403) residue of MCAT1 may show the possible substrate interacting site in the transmembrane domain of MCAT1.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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