大腸桿菌的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)

1、大腸桿菌的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)專業(yè)：計算機科學(xué)與技術(shù)生物信息處理方向姓名：張鋰倩手寫簽名：班級：一班學(xué)號：20107660159大腸桿菌的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)Thephosphotransferasesystem(PTS)ofE.coli摘要:細菌是種非常節(jié)儉又聰明的細胞生物體，他們的體積小，新陳代謝快，許多情況下都生存在惡劣的環(huán)境當(dāng)中，因而在長期進化過程中產(chǎn)生了一套巧妙的方法以適應(yīng)其接觸的環(huán)境，以達到最好的物盡其用。細菌的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)，通常縮寫為PTS,正是這些方法當(dāng)中的一個典型例子。通過PTS的作用機制，即在糖酵解等生化反應(yīng)當(dāng)中的磷酸化和去磷酸化的基團轉(zhuǎn)移過程以達到細菌細胞中糖的轉(zhuǎn)運與分配，對于細菌

2、的物質(zhì)，能量利用，碳水化合物運轉(zhuǎn)代謝，分解物代謝阻遏,碳源儲備與平衡乃至整個新陳代謝系統(tǒng)都起著至關(guān)重要的作用。PTS是運載體家族當(dāng)中的轉(zhuǎn)位分子，在原核生物和古細菌中廣泛存在。此處以大腸桿菌(E.coli)為例，通過對大腸桿菌的PTS的結(jié)構(gòu)，功能和作用機制等各方面的初步分析與研究，進一步了解它的效應(yīng)和生物影響，控制反應(yīng)中產(chǎn)生的消極影響，以便更好地應(yīng)用在工業(yè)等方面的生產(chǎn)當(dāng)中提高效率。1 關(guān)鍵詞：磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)；E.coli;糖酵解；磷酸基團轉(zhuǎn)移；Abstract:Bacteriaisverythriftyandintelligentcellorganisms,theyhavesmallsizean

3、dfastmetabolism.Butinmanycasestheyalwaysliveinharshenvironments,thustheydevelopedasmartwaytoadopttheenvironmenttheymeetduringthelong-termevolutionary,sothattheycanmakemostuseofresources.Phosphotransferasesystemofbacteria,usuallyabbreviatedasPTS,isatypicalexampleofthesemethods.ThroughthePTSofthemecha

4、nism,thephosphorylationanddephosphorylationofthegrouptransferprocessintheglycolyticandotherbiochemicalreactionsinordertoachieveasugartransporterdistributionofthebacterialcells,whichplaysavitalroleinbacterialsubstancesandenergyutilization,metabolismofcarbohydratesoperation,themetabolicrepressordecomp

5、osition,carbonsourcereservesandbalance,eventhewholemetabolicsystem.HeremakeE.Coliasanexample,preliminarilyanalysisandresearchvariousaspectsofthestructure,functionandmechanismofE.coliPTS,thenlearnmoreaboutitsbiologicaleffects,andcontrolnegativereactioninordertobetterapplyinindustrialandotheraspectsof

6、theproductiontoimproveefficiencyKeywords:phosphatetransferaseenzymesystem;E.coli;glycolysis;transferofphosphategroups;摘要I引言1PTS的結(jié)構(gòu)與功能11.1 細菌磷酸轉(zhuǎn)移酶的發(fā)現(xiàn)11.2 E.COLI的PTS三維結(jié)構(gòu)與各蛋白組分功能12 E.COLI的PTS蛋白組分氨基酸序列3PTS的作用機制與研究方法42.1 PTS作用機制43 PTS的研究方法6PTS的生理意義與改進63.1 PTS的生理意義6PTS存在的問題與改進7結(jié)論8參考文獻8引言:蛋白的磷酸化及去磷酸化狀態(tài)在分解物

7、代謝阻遏中起關(guān)鍵作用。PTS系統(tǒng)是運載體家族中的轉(zhuǎn)位分子，這是原核生物與古生菌獨有的系統(tǒng)模式，在動植物體內(nèi)卻不存在這個系統(tǒng)作糖酵解中的物質(zhì)轉(zhuǎn)運。粗略的引入，PTS包括EI,HPr,EIIo前兩者為胞質(zhì)可溶型蛋白，沒有底物識別特異性。分別由pstI,pstH操縱子編碼；后者多為蛋白復(fù)合體，對碳水化合物具有識別特異性，可特異性識別和轉(zhuǎn)運底物分子E.coli編碼約20種EUs,涉及20多種不同碳化物磷酸化轉(zhuǎn)運。大腸桿菌就是主要通過PEP-sugarPTS以集團轉(zhuǎn)移方式進行葡萄糖的攝取。下面將從E.coli的PTS的三維復(fù)合結(jié)構(gòu)域，蛋白相關(guān)組分功能，氨基酸序列，作用機制過程等多方面內(nèi)容整體了解PTS的

8、相關(guān)信息，從而進一步學(xué)習(xí)細菌節(jié)儉使用資源，更好的適應(yīng)不同環(huán)境而產(chǎn)生的巧妙機制過程。1. PTS的結(jié)構(gòu)與功能1.1 細菌磷酸轉(zhuǎn)移酶的發(fā)現(xiàn)早在1964年，Kundig,Ghosh和Roseman就給出了PEP一糖的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)這一發(fā)現(xiàn)的報告。30年后，我們的科學(xué)家發(fā)現(xiàn)PTS的功能不僅體現(xiàn)在糖的磷酸化系統(tǒng)當(dāng)中，同時也作為調(diào)節(jié)大量多變的新陳代謝過程以及控制大量基因表達的復(fù)合蛋白激酶。根據(jù)最近操縱子與基因組序列的工程研究結(jié)果顯示，新的PTS蛋白編碼基因已被發(fā)現(xiàn)，其中的大部分也已經(jīng)被功能性定義。他們之中有一些區(qū)別于先前已經(jīng)識別的編碼基因而言，顯現(xiàn)了出與細胞作用過程相關(guān)的作用。過去以及現(xiàn)在相關(guān)PTS研究的

9、基本因素已簡明被論述，近期的進展也被整合成概念性圖片以便為將來的研究提供指導(dǎo)性依據(jù)。1.2 E.coli的PTS三維結(jié)構(gòu)與各蛋白組分的功能我們已經(jīng)知道，PTS控制著細菌中對糖的利用。在引言當(dāng)中也提到了PTS的蛋白結(jié)構(gòu)組分，粗略的講述了各部分的功能與調(diào)控基因。下面將從三維圖譜，文字解說各方面詳細介紹其中的細節(jié)PTS由可溶性EI、磷酸組氨酸搬運蛋白HPr和EHs構(gòu)成。其中，EI、HPr蛋白都是可溶性、無底物識別特異性的胞內(nèi)蛋白，由ptsHI操縱子編碼。EI有兩個結(jié)構(gòu)域：一個是N-端結(jié)構(gòu)域(EIN),它用于結(jié)合Hpr；另一個是C-端結(jié)構(gòu)域(EIC),它包含了二聚體界面。EI可將來自磷酸烯醇式丙酮酸(

10、PEP)的磷?；鶊F依次傳遞給HPr、Ens和葡萄糖，進而完成葡萄糖磷酸化轉(zhuǎn)運。Hpr是含組氨酸的磷酸載體蛋白，有組氨酸的活性位點。磷酸化的HPr是所有PTS當(dāng)中EII的磷酸通用供體。而EUs則是一系列蛋白，可以特異性識別和轉(zhuǎn)運底物分子，對碳水化合物具有特異性，包括EIIMan、EIIFru、EIIBgl、EHAGlc、EHCBGlc等。E.coli編碼約20種EHs,涉及20多種不同碳化物磷酸化轉(zhuǎn)運，其中crr基因編碼的EHAGlc以及ptsG基因編碼的EnCGlc在葡萄糖磷酸化轉(zhuǎn)運中起主要作用，EnAGlc蛋白的磷酸化及去磷酸化狀態(tài)在分解物代謝阻遏中起關(guān)鍵作用。由EHCBGlc介導(dǎo)的高效葡萄

11、糖磷酸化轉(zhuǎn)運易導(dǎo)致糖酵解循環(huán)和三竣酸循環(huán)的不平衡，會產(chǎn)生大量乙酸。圖1展示了PTS的三維結(jié)構(gòu)形態(tài)與蛋白組成。(圖1摘自DavidS.Goodsell.BacterialPhosphotransferaseSystem.PSI.2012)1.3 E.coli的PTS蛋白組分部分相關(guān)的氨基酸序列在上一小節(jié)的介紹當(dāng)中，對于PTS的三維結(jié)構(gòu)我們已有了進一步的了解。在NCBI的網(wǎng)站上可以搜索到許多相關(guān)PTS的信息。從CN3ES個軟件中也可以更清晰的看到它的立體圖譜與氨基酸序列。下面將做出展示。圖2和圖3分別從不同的角度展示了E.coli中PTSN,N-二乙?；鶜ざ欠种У腅IIA溶液結(jié)構(gòu)模型。（圖2,圖

12、3是作者在CN3E搜到此模型的三維結(jié)構(gòu)圖在兩種不同視角下的圖樣截取。摘自TangC,W川iamsDC,GhirlandoR,CloreGMJ.Biol.Chem.2005）其顯示的氨基酸序列如下：（圖4）IKSjiicHhvveiijIiishyialkqikqgdfuihm9dqsniLilneihlvqtkliMda;qknkrilv|vhqlhtut!aeehevvmjEiinstar51availkqik（|；dfladaodqumahuh!vqtkEieedisejkmkvUvlvhaqlhltnt!/M_CndeevvcngIiinr中川口川IkqakqgdfmhnmdqsimaI

13、fluhIvqt1（IiejdagegkmkvsIvlvhaqlhlmt!圖42. 注：CN3D1動態(tài)的立體三維結(jié)構(gòu)圖，當(dāng)點擊不同的氨基酸序列時會在圖中作出相應(yīng)色彩標(biāo)注，在實際操作中會更清晰地看到。在此處只能展示一部分靜態(tài)效果。因查到的資料有限，此處只能給出以EIIA為例的圖解。其他不再一一給PTS的作用機制與研究方法2.1 PTS作用機制PTS在大腸桿菌可參與多種碳源的磷酸化轉(zhuǎn)運。一些組成性的和可誘導(dǎo)的大腸桿菌葡萄糖轉(zhuǎn)移系統(tǒng)在細胞膜上存在特定的葡萄糖識別蛋白（通透酶），同事會影響同葡萄糖磷酸化相耦連的葡萄糖轉(zhuǎn)移的過程。磷酸基團的來源是細胞內(nèi)的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）。從能量的角度來看，PE

14、P直接磷酸化通透酶的胞質(zhì)組分是可能的。然而，這個過程是非常復(fù)雜的；PTS的復(fù)雜性是由于其的多功能能力：它不僅催化糖基轉(zhuǎn)移，還調(diào)控著其他系統(tǒng)的作用過程。磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）-糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（PTS）穿過膜運輸進外源性己糖以及從PEP緊密耦合方式運輸?shù)教鞘峭ㄟ^幾個磷酸化中間體的磷?；鶎崿F(xiàn)轉(zhuǎn)移的。糖類被運輸隨之而來的就是PTS的磷酸化。磷酸化的糖類進入糖酵解途徑，通常是在葡萄糖-6-P或果糖-6-P的水平上。糖酵解途徑通常會生成兩分子的磷酸烯醇式丙酮酸（PEP）,其中一分子用來驅(qū)動運輸過程以及起始糖類的磷酸化。其結(jié)果是，PTS蛋白的磷酸化狀態(tài)同時依賴于細胞外糖類的濃度以及細胞內(nèi)磷酸烯醇式丙酮

15、酸（PEP）和丙酮酸的比率。具體來看此循環(huán)過程，正如圖5,圖6（立體模擬）所示：首先，EI先與PEP反應(yīng)并從PEP處獲得磷酸基團，將其加載到組氨酸的磷酸載體蛋白HPr上，然后載體蛋白將磷酸基團傳遞給整個系列當(dāng)中相對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)運蛋白。磷酸基團在幾種蛋白當(dāng)中穿梭，從HPr移動到EIIA,再到EIIB、EIIC,與其共同作用（有時會帶上一個額外的鏈EIID）,此時從胞外進入的碳水化合物進過這個反應(yīng)便成磷酸化型碳水化合物（通?？梢允瞧咸烟腔蛘吖牵缓笏麄兙驮龠M入糖酵解途徑，生成的PEP再次循環(huán)此過程。糖類的流動與代謝進行得以推進。EII里的每個轉(zhuǎn)運蛋白由EII自身的各個集成物組成，有時他們會作為隔

16、離蛋白存在，有時又會在一個長鏈蛋白質(zhì)中作為一連串相互連結(jié)的結(jié)構(gòu)區(qū)域。（圖5摘自DavidS.Goodsell.BacterialPhosphotransferaseSystem.PSI.2012(10);圖6摘自JosefDeutscher,ChristorFrancke,PieterW.Postma.HowPhosphotransferaseSystem-RelatedProteinPhosphorylationRegulatesCarbohydrateMetabolisminBacteria.MicrobiologyandMoleculaiBiologyReviews.2006.)Fru-

17、lt6-bisPFbaTPGlyceraldehyde-3-PEIIApEHADh并PHPrHPrpPi+NAD憶NADH*4IaPElPElPykPyruvatPhosphoenolpynivale*ATPADPEno13-bisP-glycerleADPtatp*41Pglc3-P-glycerate2-P-glycerateH2O圖6圖6中黑體的各個蛋白酶縮寫如下:Pgi:phosphoglucoseisomerase;Pfk:phosphofructokinase;Fba:fructose-1,6-bisphosphatealdolase;Tpi：triose-phosphateiso

18、merase;Gap:glyceraldehyde-3-phosphatedehydrogenase；Pgk:phosphoglyceratekinase;Pyk:pyruvatekinase;Eno:enolase；Pgm:phosphoglyceratemutase;2.2 PTS的研究方法我們已經(jīng)知道，大腸桿菌的PEP-PTS包括一系列負責(zé)在轉(zhuǎn)移過程中從磷酸烯醇式丙酮酸（PEP向葡萄糖轉(zhuǎn)移磷酸基團的蛋白質(zhì)。對于包含在通過PTS進行磷酸轉(zhuǎn)移的過程以及PTS蛋白參與調(diào)控過程的機制的理解在很大程度上是通過蛋白組分的相互作用的種類的三維結(jié)構(gòu)的可視化來實現(xiàn)的。人們已經(jīng)利用X衍射晶體學(xué)和NMR（核磁

19、共振）對PTS的單個的蛋白（酶I、HPr、IIA）進行了廣泛的特征分析。磷酸載體蛋白之間以及與調(diào)節(jié)目標(biāo)之間相互作用的機制同樣適合用核磁共振光譜的方法研究。EIN-HPr復(fù)合體是到現(xiàn)在為止被NMRB析的最大的結(jié)構(gòu)之一。這個結(jié)構(gòu)測定采用了為了指定的目的以及為了特異地觀察EIN和HPr之間的分子間核Overhauser增強（NOE接觸而利用的多種同位素標(biāo)記（15N,13C和/或2H）的蛋白質(zhì)的組合去簡化光譜的多維異核NM班譜技術(shù)。止匕外，殘基兩極的耦連技術(shù)也被用來提供對于決定復(fù)合體中兩個蛋白的方向極為有用的長程定向信息。NMRF究使得揭示包括PTS蛋白的蛋白一蛋白之間相互作用成為可能。目前酶I和HP

20、r之間以及HPr和IIAG1c之間的氨基末端結(jié)構(gòu)域的三維結(jié)構(gòu)也已成功獲取。3. PTS的生理意義與改進3.1 PTS的生理意義：碳水化合物運轉(zhuǎn)和代謝；分解物代謝阻遏；碳源儲備；協(xié)調(diào)碳氮代謝平衡等。3.2 PTS存在的問題與改進功能型PTS介導(dǎo)的葡萄糖磷酸化轉(zhuǎn)運以如下化學(xué)反應(yīng)進行：Glucose+PEP-Glucese-6-P+Pyruvate這一反應(yīng)減小了以PEP為前體的化合物的產(chǎn)量，積累的丙酮酸進而會轉(zhuǎn)化為乙酸，這樣就增加了代謝副產(chǎn)物大量積累，產(chǎn)生的乙酸鹽會進一步抑制菌體生長。從而有了利在代謝工程中對PTS的分子改造進展。代謝工程就是利用重組DNA及其他技術(shù)，有目的地改變生物中已有的代謝和表

21、達調(diào)控網(wǎng)絡(luò)，以更好地理解細胞的代謝途徑，并用于化學(xué)轉(zhuǎn)化、能量轉(zhuǎn)移及大分子裝配過程目前，PTS分子改造主要有兩種策略：一是敲除葡萄糖特異性轉(zhuǎn)運蛋EIICBGlc（ptsG編碼）；另一策略是敲除ptsHIcrr操縱子，使葡萄糖轉(zhuǎn)運依賴于GalP和Glk途徑（由葡萄糖特異性轉(zhuǎn)運蛋白EnCBGlc（ptsG基因編碼）葡萄糖通過GalP、Glk協(xié)同作用途徑進入細胞的途徑，是以ATP為磷酸基團供體而非消耗PEP,此途徑可增加胞內(nèi)PEP含量，具有減小過流代謝和解除葡萄糖效應(yīng)等優(yōu)勢。G/ucoseGaiactoseTHTDP-Gic丁一GlycolysisUDPGIgnAgGalE2EnergyUDp，GaJ

22、NAcdTDP-4keto-6-deoxy-GicRmIB4(fTDP-4-ketQ-L-Rhe1RmID4dTDPRha圖7展示了在大腸桿菌當(dāng)中，葡萄糖G轉(zhuǎn)化成6-磷酸葡萄糖G-6-P具有兩種途徑：PTS途徑和Glk途徑。可以配合于對PTS分子改造中的的第二種方法來看更易于理解。（圖7摘自KarenL.Visick,ThereseM.OShea,AdamH.Klein,KatiGeszvain,AlanJ.Wolfe.TheSugarPhosphotransferaseSystemofVibriofischeriInhibitsbothMotilityandBioluminescence.N

23、CBI.2007.）結(jié)論：此論文用三章的內(nèi)容系統(tǒng)的講述了以大腸桿菌為例的原核生物的磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)PTS。從中我們可以了解到，PTS的蛋白質(zhì)結(jié)構(gòu)組成與作用過程十分復(fù)雜，卻相當(dāng)有效。這是細菌利用自身巧妙的生化作用機制以達到最大程度利用有限資源的方法之一。這樣他們可以更好地適應(yīng)環(huán)境。所以細菌是非常聰明的。在網(wǎng)上各種不同的學(xué)術(shù)科研網(wǎng)站（尤其以英文為主）如非常熟悉的NCBI,EMBL,PDB,PIB,等中都可以查到相關(guān)的期刊文獻及對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。通過查到的資料再加上自己的理解，對PTS這方面的知識有了更全面的認識，有些國外文獻內(nèi)容需要翻譯理解，這對英語水平也是一個考察。整理好后就形成了PTS蛋白組分結(jié)構(gòu)功

24、能，部分在CN3D三維結(jié)構(gòu)中顯示的氨基酸序列，以及PTS的作用機制與研究方法，生物學(xué)意義改進方法的進展等這些內(nèi)容。我想通過對PTS的研究進展在工業(yè)應(yīng)用當(dāng)中誠然非常重要。因為大腸桿菌是常用的工程菌種，對它實行這種代謝途徑上的控制和改造可以很好地提高細菌的利用率與工業(yè)生產(chǎn)。第一篇論文的完成實屬不易，從沒有任何經(jīng)驗到自己翻閱上網(wǎng)查資料能寫出來東西并真正學(xué)到心里，這個學(xué)習(xí)的過程比只考一張無趣的卷子有意義得多。所以感謝老師能讓我們有此機會，以這種方式學(xué)習(xí)到一些有用的東西。參考文獻：1周軍智.大腸桿菌磷酸烯醇式丙酮酸一糖磷酸轉(zhuǎn)移酶系統(tǒng)（PTS系統(tǒng)）分子改造及敲除菌性能測定.中國知網(wǎng).2012.2韓聰，張惟

25、材，游松，黃留玉.大腸桿菌ptsG基因敲除及其缺陷株生長特性研究J.生物工程學(xué)報.2004.3李寅，曹竹安.微生物代謝工程：繪制細胞工廠的藍圖J.化工學(xué)報.2004.4張惟材，朱厚礎(chǔ).重組大腸桿菌的發(fā)酵與代謝工程J.微生物學(xué)通報.1999.5Cao,Y.,etal.Crystalstructureofaphosphorylation-coupledsaccharidetransporter.Nature473,50-55.2011.6Deutscher,J.,Francke,C.&Postma,P.W.Howphosphotransferasesystem-relatedproteinphos

26、phorylationregulatescarbohydratemetabolisminbacteria.Microbiol.Mol.Biol.Rev.2006.7FloresS,GossetG,FloresN,etal.AnalysisofcarbonmetabolisminEscherichiacolistrainswithaninactivephosphotransferasesystemby13ClabelingandNMRspectroscopy.MetabolicEngineering.2002.8Gutknecht.R;Manni.M;Mao.Q;Erni.B.TheJournalofBiologicalChemistry.1998.9Hu,J.,etal.SolutionNMRstructuresofproductiveandnon-productivecomplexesbet-weentheAandBdomainsofthecytoplasmicsubunitofthemannosetransporteroftheEscherichiacoliphosphotransferasesystem.J.Biol.Chem.283,2008.10Kotrba,P.Inui,M.&Yukawa,H.Bacterialphosphotr