Zinc plays a key role in genetic expression, cell division, and cell growth and is essential for the functions of more than 450 metalloenzyme. There are high concentrations of zinc in pigment epithelium in bullfrog eye. Zinc deficiency causes night blindness and abnormal dark adaptation. The purpose of this study was to identify ERG (electroretinogram) b-wave sensitivity during light and dark adaptation in bullfrog retina after zinc and zinc chelators treatment such as histidine and TSQ (N-(6-methoxy-8-qunolyl)-p-toluenesulfon amide). Especially, we focused whether histidine act as a zinc chelator in the Muller cell. The results of our study are summarized as follows: 1) Both zinc and histidine elevated ERG b-wave amplitude and threshold in Muller cells by accelerating rhodopsin regeneration time and increased a-peak absorbance during light adaptation. 2) TSQ reduced those by prolonging rhodopsin regeneration time and decrement of a-peak absorbance during light adaptation. 3) Zinc shortened rhodopsin regeneration time and prolonged a-peak absorbance. These results suggested that histidine may act as a zinc-mediated transporter in presynaptic Muller cell membrane rather than zinc chelator and acts as a GABA-receptor inhibitor which blocks $Cl^-$ influx to the postsynapse.
Kim, Subin;Sung, Jongmin;Yeon, Jungyoon;Choi, Seung Hun;Jin, Mi Sun
Molecules and Cells
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제42권6호
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pp.460-469
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2019
Bacterial ${\alpha}-type$ carbonic anhydrase (${\alpha}-CA$) is a zinc metalloenzyme that catalyzes the reversible and extremely rapid interconversion of carbon dioxide to bicarbonate. In this study, we report the first crystal structure of a hyperthermostable ${\alpha}-CA$ from Persephonella marina EX-H1 (pmCA) in the absence and presence of competitive inhibitor, acetazolamide. The structure reveals a compactly folded pmCA homodimer in which each monomer consists of a 10-stranded ${\beta}-sheet$ in the center. The catalytic zinc ion is coordinated by three highly conserved histidine residues with an exchangeable fourth ligand (a water molecule, a bicarbonate anion, or the sulfonamide group of acetazolamide). Together with an intramolecular disulfide bond, extensive interfacial networks of hydrogen bonds, ionic and hydrophobic interactions stabilize the dimeric structure and are likely responsible for the high thermal stability. We also identified novel binding sites for calcium ions at the crystallographic interface, which serve as molecular glue linking negatively charged and otherwise repulsive surfaces. Furthermore, this large negatively charged patch appears to further increase the thermostability at alkaline pH range via favorable charge-charge interactions between pmCA and solvent molecules. These findings may assist development of novel ${\alpha}-CAs$ with improved thermal and/or alkaline stability for applications such as $CO_2$ capture and sequestration.
The ionization of tyrosine residue is known to be involved in the stabilization of transition-state in catalysis of astacin based upon the astacin-transition state analog structure. Two tyrosine residues, Tyr-216 and Tyr-219, are conserved in all MMPs related with astacin family, We replaced Tyr-216 and Tyr-219 into phenylalanine, respectively and the zinc binding properties, kinetic parameters, and pH dependence of each mutant are determined in order to examine the role of tyrosine residue in matrilysin catalysis. Both mutants contain two zinc atoms per mol of enzyme, indicating that either tyrosime does not affect the zinc binding property of the enzyme. Y216F and Y219F mutants are highly active and the kcat/Km values are only decreased 1.1-1.5-fold compared to the wild-type enzyme. The decrease in the activity of the mutants is essentially due to the increase in Km value. The pH dependencies of the kcat/Km values for both mutants are similar to the corresponding dependencies obtained with the wild type enzyme. The pKa values at the alkaline side of both mutants are not changed. These kinetic and pH dependence results indicate that the ionization of active site tyrosine residue of matrilysin is not reflected in the kinetics of peptide hydrolysin as catalyzed by astacin.
Zinc is one of the essential trace elements in the living organism for growth and health. The first identified metalloenzyme, carbonic anhydrase, is a zinc compound and several others have been described since. Among zinc deficiency syndromes in animals porcine parakeratosis has been successfully treated with zinc supplements, and in man a syndrome of anemia, hypogonadism, hepatosplenomegaly, and dwarfism, prevalent in parts of Iran and Egypt, has been ascribed to lack of zinc in the diet. Dietary zinc excess in the rat is manifested by a hypochromic, microcytic anemia, poor growth, reduction in liver catalase and cytochrome oxidase. The present study is an attempt to delineate the changes of tissue contents of trace elements, especially of iron, copper and zinc in liver and kidneys of the rats. Weanling albino rats, weighing 60 to 80gm. were used in this experiments. The rats were housed in cages with aluminum floors and received feed and distilled water ad libitum. Animals were divided into three groups, control, low zinc diet and high zinc diet groups. The high zinc diet group was subdivided into 0.5% Zn and 0.7%Zn groups. The supplementary copper or iron was added to the high dietary zinc groups. The animals were sacrificed and the tissues were washed several times with deionized water. The wet digested samples were analyzed by Hitachi Model 207 atomic absorption spectro-photometer for the determination of iron, copper and zinc in the liver and kidney. Hemoglobin level in the blood was measured by cyanmethemoglobin method. The results of this study are as follows: 1) All rats fed high zinc diets and low zinc diets gained less weight than control. Weight gain was not improved by the supplementary copper or iron and both. 2) Hemoglobin concentration was decreased significantly in the rats fed high zinc diets and less in the low zinc diet. Supplementary copper and iron to the higher zinc diet appeared to give some improvement of anemia. 3) The iron contents of the liver and kidneys were significantly decreased in the high zinc groups and the reduction was more significantly in the rats receiving higher zinc diet (0.7%). The supplementary copper caused a further depression of liver iron. On the other hand, the iron, added to the high zinc diet lessoned the severity of the decrease in liver iron and caused kidney iron to be maintained almost at the level found in the rats fed by zinc and supplementary copper diet. 4) High zinc diets did not change copper content of the liver and kidney. Supplementary copper elevated the concentration in the liver and kidney and added iron had no effect on the accumulation of copper in the liver and kidneys. 5) The high zinc diets caused marked increases of zinc content in the liver and kidney. Supplementary iron to the high zinc diet caused increases of zinc contents of liver and kidneys.
Kim, Subin;Yeon, Jungyoon;Sung, Jongmin;Jin, Mi Sun
Molecules and Cells
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제43권9호
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pp.831-840
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2020
The β-class of carbonic anhydrases (β-CAs) are zinc metalloenzymes widely distributed in the fungal kingdom that play essential roles in growth, survival, differentiation, and virulence by catalyzing the reversible interconversion of carbon dioxide (CO2) and bicarbonate (HCO3-). Herein, we report the biochemical and crystallographic characterization of the β-CA CafA from the fungal pathogen Aspergillus fumigatus, the main causative agent of invasive aspergillosis. CafA exhibited apparent in vitro CO2 hydration activity in neutral to weak alkaline conditions, but little activity at acidic pH. The high-resolution crystal structure of CafA revealed a tetramer comprising a dimer of dimers, in which the catalytic zinc ion is tetrahedrally coordinated by three conserved residues (C119, H175, C178) and an acetate anion presumably acquired from the crystallization solution, indicating a freely accessible "open" conformation. Furthermore, knowledge of the structure of CafA in complex with the potent inhibitor acetazolamide, together with its functional intolerance of nitrate (NO3-) ions, could be exploited to develop new antifungal agents for the treatment of invasive aspergillosis.
Carbonic anhydrase (CA)는 생물체 내에 널리 존재하는 아연(Zinc)을 함유한 금속성효소(metalloenzyme)이다. 이는 생리학적 조건에서 주로 $CO_2$의 hydration과 bicarbonate의 dehydration의 반응을 촉매하는 기능을 한다. 이러한 CA는 거의 모든 생물체 내에서 발견되고 16개 이상의 동질효소들이 포유류에서 분리되었다. 반면 포유류와 달리 포유류가 아닌 생물체, 특히 어류와 해양생물에 대한 CA와 그에 대한 동질효소에 관한 자료는 매우 제한적이다. 어류 내에서 CA는 삼투압과 산-염기 평형을 조절하는 매우 중요한 효소로 알려져 있으며, 또한 어류 내 조직 중의 하나인 아가미는 산-염기 조절, 이온 교환, 생체 내 pH 조절 등을 수행하는 부위로 알려져 있다. 실험생물인 무지개송어는 국내 해양 양식 산업 분야에 있어서 매년마다 그 생산량이 증가하는 매우 중요한 해양자원이다. 게다가 환경 독성 연구 분야에 있어서 그 실험적인 가치가 인정되어 국내 외에서 실험동물로 널리 이용되고 있는 어류이다. 아가미 조직에서 분리한 단백질에서 분자량 30 kDa, 등전점 7.0의 위치에 해당하는 특이적인 band 가 형성된 모습을 관찰할 수 있었고 이는 확인 결과 CA인 것으로 판명되었다. 또한 CA의 존재여부가 확인된 아가미 조직 내에서 세부적인 발현 위치를 파악하기 위해 진행한 면역조직화학 실험 결과 CA가 아가미의 상피세포내에 존재하는 것을 파악 할 수 있었다.
A kinetic profile of the catalytic domain of stromelysin-1 (SCD) using the fluorescent peptide substrate has been determined by the stopped-flow technique. The pH profile has a pH optimum of about 5.5 with an extended shoulder above pH 7. Three pKa values, 5.0, 5.7, and 9.8 are found for the free enzyme state and two pH independent Kcat/Km values of 4.1$\times$104 M-1 s-1 and 1.4$\times$104 M-1 s-1 at low and high pH, respectively. The profile is quite different in shape with other MMP family which has been reported, having broad pH optimum with two pKa values. The substrate specificity of SCD towards fluorescent heptapeptide substrates has been also examined by thin layer chromatography. The cleavage sites of the substrates have been identified using reverse-phase HPLC method.SCD cleaves Dns-PLA↓L↓WAR and Dns-PLA↓L↓FAR at two positions. However, the Dns-PLA↓LRAR, Dns-PLE↓LFAR, adn Dns-PLSar↓LFAR are cleaved exclusively at one bond. The double cleavages of Dns-PLALWAR and Dns-PLALFAR by SCD are in marked contrast to the close structurally related matrilysin. A notable feature of SCD catalysis agrees with the structural data that the S1' pocket of SCD is deeper than that of matriysin. The differences observed between SCD and matrilysin may form the basis of understanding the structural relationships and substrate specificities of the MMP family in vivo.
Bone morphogenetic protein 1 (BMP-1) is part of a complex capable of inducing ectopic bone formation in mammals. Studies on TGF-β1 processing and Drosophila dorsal-ventral patterning have focused attention on BMP-1 as important in mediating the biological activity of this bone inducing complex. Herein, the bacterial expression, refolding, purification, and initial characterization of the BMP-1 proteolytic domain (BPD) are described. A semi-quantitative fluorescence-based thin layer chromatography assay was developed to assist in rapidly screening for optimal renaturation conditions. According to a preliminary screen for optimal conditions for the refolding of BPD , a detectable proteolytic activity against a high turnover substrate for astacin, a homologous protease from crayfish was observed. The conditions identified have allowed the expression of sufficient amounts of BPD for the characterization of the protein. Its proteolytic activity exhibits the same cleavage specificity as astacin against seven substrates that were previously synthesized for studying astacin. Furthermore, this activity is inhibited by the metal chelator 1,10-phenanthroline but not by its analogue 1,7-phenanthroline. The collagenase inhibitor Pro-Leu-Gly hydroxamate was found to inhibit both astacin and BPD activity. The results presented in this paper argue that BMP-1 does in fact possess an intrinsic proteolytic activity.
본 논문에서는 삼세기(Shaggy sea raven, Hemitripterus villosus)를 실험 재료로 선택하여 Carbonic Anhydrase Isozymes (CAs) 중의 하나인 CA III에 대한 연구를 SDS-PAGE, Isoelectric Focusing (IEF), Western blot analysis의 방법을 통하여 진행하였다. SDS-PAGE와 Western blot 결과 삼세기 아가미, 혈액, 장, 간, 신당, 근육, 심장조직에서 CA III의 분자량인 30 kDa의 band가 확인되었다. 삼세기의 근육과 아가미에 대한 등전점 전기영동(IEF)과 Western blot analysis 결과 pI 7.0 부근에서 band가 형성되는 것을 확인할 수 있었다. 특히 SDS-PAGE와 IEF 실험결과 삼세기의 아가미 조직에서 CA III의 발현량이 다른 조직들에 비하여 우세하게 나타났다. 이는 아가미가 다른 조직들과 달리 어류의 생체기관 중 유일하게 외부와 직접 접촉이 가능한 조직으로서 활성산소에 대한 손상을 최소화하기 위한 것으로 사료된다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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