Allosteric regulation of substrate channeling and catalysis in the tryptophan synthase bienzyme complex

Resumo

O complexo bi-enzimático triptofano sintase α₂β₂ catalisa as duas últimas etapas da síntese de L-triptofano (L-Trp). A subunidade α catalisa a clivagem do 3-indol-D-glicerol 3′-fosfato (IGP) para produzir indol e D-gliceraldeído 3′-fosfato (G3P). O indol é então transferido (canalizado) através de um túnel interconectado de 25 Å de comprimento, da subunidade α para a subunidade β, onde reage com L-Ser em uma reação dependente de piridoxal 5′-fosfato para produzir L-Trp e uma molécula de água. A utilização eficiente de IGP e L-Ser pela triptofano sintase para sintetizar L-Trp utiliza um sistema de interações alostéricas que (1) funcionam para ligar e desligar o sítio α em diferentes estágios do ciclo catalítico da subunidade β, e (2) impedem o escape do intermediário canalizado, o indol, dos limites dos sítios catalíticos α e β e do túnel interconectado. Esta revisão discute em detalhe as origens químicas das interações alostéricas responsáveis tanto por ligar e desligar o sítio α, quanto por desencadear as mudanças conformacionais entre os estados aberto e fechado que impedem o escape do indol do complexo bi-enzimático.

Abstract

The tryptophan synthase α2β2 bi-enzyme complex catalyzes the last two steps in the synthesis of l-tryptophan (l-Trp). The α-subunit catalyzes cleavage of 3-indole-d-glycerol 3′-phosphate (IGP) to give indole and d-glyceraldehyde 3′-phosphate (G3P). Indole is then transferred (channeled) via an interconnecting 25 Å-long tunnel, from the α-subunit to the β-subunit where it reacts with l-Ser in a pyridoxal 5′-phosphate-dependent reaction to give l-Trp and a water molecule. The efficient utilization of IGP and l-Ser by tryptophan synthase to synthesize l-Trp utilizes a system of allosteric interactions that (1) function to switch the α-site on and off at different stages of the β-subunit catalytic cycle, and (2) prevent the escape of the channeled intermediate, indole, from the confines of the α- and β-catalytic sites and the interconnecting tunnel. This review discusses in detail the chemical origins of the allosteric interactions responsible both for switching the α-site on and off, and for triggering the conformational changes between open and closed states which prevent the escape of indole from the bienzyme complex.