氯霉素乙酰转移酶

一种原核酶类

氯霉素乙酰转移酶（Chloramphenicol Acetyltransferase ，CAT）是一种原核酶类，可以将氯霉素乙酰化而使其失活，是细菌产生氯霉素抗性的主要原因。

内容简介

在大肠杆菌中易表达，而且非常稳定，因此，氯霉素乙酰转移酶可被改造成检测氯霉素的理想工具酶。不同种类的抗性细菌可以产生不同种类的氯霉素乙酰转移酶，其中以CATⅠ，Ⅱ，Ⅲ研究的最多，这三者中又以CATⅠ对底物的亲合性为最高。

CAT的功能

细菌的氯霉素抗性和CAT有着直接的关系。当含有CAT的细菌暴露于氯霉素时，可以使氯霉素乙酰化而失活。

CAT的结构

内容信息

最早对CAT结构的研究主要使用的是CATⅠ和CATⅢ的杂聚体，CAⅠ和CA’F1nⅡ亚基的分子量分别是25688和24965道尔顿，而CATⅢ的沉降平衡数据显示其分子量为70500道尔顿，这证明CATⅢ是一个三聚体（αβ2和α2β）的结构。

在CATⅢ三聚体中，每一亚基六条链的β片层结构延伸通过亚基交界面从而把每个亚基联系起来，确切地说是通过相邻亚基地βH片层结构而联系起来的。在许多寡聚蛋白质中都有类似情况的这种延伸，但只通过一条链的延伸是相对不常见的。这种β片层结构延伸产生了总共8个主链氢键，这可能有利于CATⅢ三聚休结构的稳定性。亚基交界面具有与其他寡聚酶相似的其他特性。在三聚体形成的过程中大约亚基单体总面积的20%被掩埋，被掩埋面积的近似一半由疏水氨基酸组成，8个带电的极性侧链位于交界面，尽管只有其中的一个参与形成亚基内的离子偶。所有溶媒分子包括在交界面中被掩埋的5个被认为提供了重要的有利于稳定的交互作用。

CATⅢl结合氯霉素的结构在1.75埃的分辨率下已经被精确描述。六条平行和反平行的β片层结构构成亚基结构的主干。5个α螺旋包裹在一侧和片层结构的末端形成一种类似有馅但无上面一层的三明治结构。另外N末端以及α3螺旋与βE片层结构之间伸出的环形成了一个小的三链的β片层结构。这种二级结构排列方式在蛋白结构中并不多见，还没有发现其他蛋白具有CATⅢ的这种特殊折叠排列的二级结构。

活性位点

1、氯霉素结合位点

氯霉素结合与定位在亚基交界面的一个深深的袋子结构中。尽管形成袋子结构的大多数氨基酸位于形成交界面的其中的一个亚基中，在催化中起关键作用的195位的组氨酸却位于另外的一个亚基。氯霉素的苯环与29位亮氨酸，31位半胱氨酸，160亮氨酸，172位异亮氨酸的侧链结合，其二氯基团和105位的丙氨酸，135位的苯丙氨酸，146位的天冬酞胺发生范德华力相互作用。轻基和乙酞胺与水分子形成氢键，这些氢键位于口袋结构极性的一侧。酶与氯霉素之间只有两个氢键相连，一个位于乙酞胺的氧与25位酪氨酸的经基侧链之间，另一个位于氯霉素C3位的经基和195位组氨酸咪哇基的N3之间。距离氯霉素C3位的羟基3.5埃的范围内存在两个水分子。推测当发生乙酞化反应或者CAT与氯霉素或者氯霉素类似物结合时，这些水分子中的一个或者全部会被替换掉。与C1经基相连的三个或以上水分子在产生1乙酰氯霉素时也能被替换掉。

在所有的CAT种类中形成结合位点的17个氨基酸中仅仅有5个是绝对保守的。一些位点的替换也不是保守的。尽管各种CAT催化效率差别很大，但都具有相似的氯霉素亲和性。

2、辅酶A结合位点

CAT与CoA二元复合物的结构已经在2.4埃分辨率下被描述过。酶的构象与在氯霉素和酶形成的二元复合物中的酶的构象基本相同，也与去辅基酶蛋白的构象基本相同，在去辅基酶蛋白中底物结合的口袋结构就己经有效的形成。CoA用其泛酞琉基乙胺臂结合在一种伸展的构象中，把其极性的磷酸基团放置在酶分子的表面与溶媒分子相接触，但却完全包埋掉其硫醇基团。腺嘌呤环结合在一个疏水口袋结构中，主链原子产生了两个氢键，与水分子产生了第三个氢键，其产生氢键的能力达到了饱和。COA的大多数极性基团都形成了氢键，这些氢键的大多数是与有序的水分子而不是蛋白原子形成的。

3、催化中心

化学修饰研究更进一步确认了195位组氨酸在催化中的核心作用，而且认为其发挥了广义碱的作用，从氯霉素C3的经基上吸收质子，从而促使羟基氧攻击CoA硫酯的羰基。在CAT与氯霉素的二元复合物结构中，195位组氨酸的咪唑基的N3距离氯霉素C3的轻基2.8埃。咪唑基的N1与其自身主链上的羰基氧形成氢键，有利于在高效催化过程中发生的互变异构现象的稳定性。在CAT与CoA二元复合物结构中，CoA的S距离195位咪唑基的N3只有3.3埃。对模型结构的研究结果也提示148位保守丝氨酸在催化中发挥作用，丝氨酸的经基距离氯霉素C3的轻基有4.3埃的距离，因此不太可能在乙酰基转移过程中发挥直接的作用。在四面体中间产物模型中，148位的丝氨酸和氧阴离子的距离只有3.2埃，在一个氢键距离的范围内，推测它可能有利于过渡态稳定性。四面体结构模型中的氧阴离子通过一个溶媒水分子的作用和174位的苏氨酸之间也有一个氢键。尽管这种交互作用不是直接的，但定点突变的研究结果表明174位的苏氨酸在催化中的确发挥作用。

定点突变

为了研究反应中底物识别，催化和特殊侧链交互作用对蛋白结构各方面的影响，包括对其稳定性和反应活性的影响，CATⅢ己经有超过60种的定点突变类型。特殊的点突变类型有助于研究每一个酪氨酸残基在配体结合时荧光发生改变的过程中所起的作用，有助于进一步的阐明CATⅢ和氯霉素交互作用的NMR结果。对cat基因实施随机和定点突变将会对CATⅠ和CATⅢ的比较研究提供有用的实验数据，对CAT结构的认识也会进一步的加深。

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