Untersuchungen zum Ursprung der Substratspezifität von Enzymen der Amidohydrolase‐Superfamilie

Zusammenfassung Die Sequenzierung zahlreicher Genome führte zur Identifizierung offener Leserahmen für Millionen von Enzymen, von denen viele unbekannte Substrate verwenden. Daher ist die Untersuchung primärer und auch promiskuitiver Aktivitäten eine bedeutende Aufgabe in der Enzymologie. Dementsprechend untersuchten wir die mechanistischen Grundlagen der Substratspezifität in Enzymen der Amidohydrolase‐Superfamilie (AHS): Analysen von zwei AHS‐Klassen ergaben, dass die Katalyse entweder über eine 1,4‐ oder eine 1,6‐nukleophile konjugierte Addition erfolgt, die durch ein Glutamin vermittelt wird, das sich an zwei verschiedenen Positionen im aktiven Zentrum befindet und dadurch die unterschiedlichen Substratspektren der beiden AHS‐Klassen festlegt. Diese enzymatischen Unterschiede führen zu einer invertierten Enantioselektivität für transiente Intermediate, bei denen es sich um kurzlebige chirale Zwischenprodukte während des Reaktionsverlaufes von einem achiralen Substrat hin zu einem achiralen Produkt handelt. Außerdem zeigten wir, dass sich die Enzymkatalyse auf bestimmte Motive innerhalb eines Substrats ausrichtet und weniger auf alle Bereiche eines Moleküls, was die Promiskuität und Evolvierbarkeit dieser Enzyme erhöht: Zielgerichtete Mutagenese ergab, dass ein Enzym, das auf eine bestimmte nukleophile konjugierte Addition spezialisiert ist, sich durch wenige Aminosäureaustausche sowohl leicht an sekundäre Substrate anpassen als auch neue Substrate umsetzen kann. Unsere Studie deckt somit mechanistische Prinzipien auf, die der Substratspezifität, Promiskuität und Enantioselektivität von Enzymen zugrunde liegen.