מתיונין סינתאז

מתיונין סינתאז (באנגלית: Methionine Synthase או בקיצור MS, MeSe או MTR) הוא אנזים המשמש להפיכת הומוציסטאין למתיונין, ובמקביל להפוך 5-מתיל-טטרא-הידרו-פולאט ל-טטרא-הידרו-פולאט.

אנזים זה משתמש במתילקובלמין (אחד הווריאנטים של ויטמין B12) כקואנזים לפעולתו.

שם נוסף לאנזים זה הוא: 5-מתיל-טטרא-הידרו-פולאט-הומוציסטאין-מתיל-טרנספראז ‎5-Methyltetrahydrofolate-Homocysteine Methyltransferase, ובקיצור: MTR.

מתיונין סינתאז (MS, MeSe, MTR) הוא אנזים האחראי בעיקר להתחדשות של מתיונין מהומוציסטאין בגוף. בבני אדם הוא מקודד על ידי הגן MTR (5-methyltetrahydrofolate-homocysteine methyltransferase).

מתיונין סינטאז מהווה חלק ממחזור הביוסינתזה וההתחדשות של S-אדנוזיל-מתיונין (SAMe), מתיונין סינתאז הוא "החוליה המקשרת" בין מעגל הפולאט (שמספק את קבוצות המתיל) לבין מעגל SAMe (שמשתמש בהן להעברת מתילים), ובכך מחבר בין מטבוליזם של פחמן אחד לבין תהליכים חשובים של מתילציה בגוף. ישנן שתי צורות ראשוניות של אנזים זה, הצורות התלויות בוויטמין B12 (קובלמין) (MetH) והצורות העצמאיות (MetE). נראה ששתי הצורות הדומיננטיות של האנזימים אינן תלויות אבולוציונית ונשענות על מנגנונים כימיים שונים במידה ניכרת. ביונקים ואיקריוטים גבוהים אחרים רק הצורה התלויה בקובלמין פעילה. לעומת זאת, התפוצה של שתי הצורות בצמחים ואצות מורכבת יותר. לצמחים יש באופן בלעדי צורה עצמאית של קובלמין, בעוד שלאצות יש אחת מהשתיים, בהתאם למין. במיקרואורגניזמים רבים ושונים מוצאים את הצורות התלויות בקובלמין וגם את הצורות הלא תלויות בקובלמין.

 מנגנון 
ימין|ממוזער|התגובה מזורזת על ידי מתיונין סינתאז (לחץ להגדלה)
מתיונין סינתאז מזרז את השלב האחרון בהתחדשות של מתיונין (Met) מהומוציסטאין (Hcy). הצורות התלויות בקובלמין וגם הצורות הבלתי תלויות של האנזים מבצעות את אותה תגובה כימית כוללת: העברה של קבוצת מתיל מ-5- מתילטטראהידרופולאט (N5-MeTHF) להומוציסטאין, ויצירת טטרה-הידרופולאט (THF) ומתיונין. מתיונין סינטאז הוא האנזים היחיד הנמצא ביונקים שמאפשר הפיכה של N5-MeTHF לקו-פקטור הפעיל THF. בצורת האנזים התלויה בקובלמין (MetH), התגובה המועדפת ממשיכה בשני שלבים במנגנון רציף. מצב המנוחה הפיזיולוגי של האנזים מכיל את הקופקטור הקשור לאנזים (Cob) בצורת מתילקובלמין, כאשר אטום הקובלט נמצא במצב חמצון +3(Cob(III)-Me). לאחר מכן, הקובלמין עובר דה-מתילציה על ידי הומוציסטאין תיולאט המופעל על ידי אבץ, יוצר מתיונין ומחזר את הקופקטור למצב Cob(I). כאשר הוא בצורת Cob(I), הקופקטור הקשור לאנזים מסוגל כעת לקחת קבוצת מתיל מ-5-מתילטטראהידרופולאט (N5-MeTHF) משופעל, תוך יצירת טטרה-הידרופולאט (THF) וחידוש צורת המתיל-קובאלמין מהאנזים.
ימין|ממוזער|נתיב איסוף של מתיונין סינתאז רדוקטאז כדי לשחזר מתיונין סינתאז לא פעיל
בתנאים פיזיולוגיים, בערך אחת לכל 2000 מחזורים קטליטיים, ה-Co(I) עשוי להתחמצן ל-Co(II) לא פעיל ב-MetH תלוי-קובאלמין. הסבר לכך: החלבון מכיל מנגנון הפעלה מחדש עצמית, תהליך מתילציה רדוקטיבי המשתמש ב-S-אדנוזין-מתיונין כתורם מתיל. בבני אדם, האנזים מחוזר בתהליך זה על ידי מתיונין סינתאז רדוקטאז (MTRR), המכיל מקטעים דמויי פלבודוקסין ודמויי פרוקסין +NADP אוקסירדוקטאז (FNR). בחיידקים רבים, ההפחתה מתבצעת על ידי חלבון פלבודוקסין יחיד. חלבון הרדוקטאז אחראי על העברה של אלקטרון מקופקטור FMN מחוזר ל-Cob(II) הלא פעיל, המאפשר התחדשות של האנזים מתילקובלאמין הפעיל באמצעות העברת מתיל מ-S-אדנוזילמתיונין לתוצר הביניים המחוזר Cob(I). תהליך זה ידוע כמחזור ההפעלה מחדש, ונחשב לתהליך המופרד מהמחזור הקטליטי הרגיל על ידי שינויים מבניים גדולים (שינויים קונפורמציוניים) בתוך האנזים. מכיוון שהחמצון של Cob(I) משבית בהכרח את פעילות מתיונין סינתאז התלויה בקובאלמין, פגמים או חסרים במתיונין סינתאז רדוקטאז מעורבים בחלק ממופעי מחלת חוסר במתיונין סינתאז.

לעומת זאת, המנגנון של הצורה הבלתי תלויה בקובלאמין (MetE), נעשה באמצעות העברה ישירה של מתיל מה-N5-MeTHF המופעל להומוציסטאין אבץ תיולט. למרות שהמנגנון פשוט הרבה יותר, תגובת ההעברה הישירה הרבה פחות יעילה מהתגובות המתווכות עם קובלמין וכתוצאה מכך קצב התחלופה של MetE איטי בערך פי 100 מזה של MetH. כיוון שהוא אינו מכיל את קו-פקטור הקובלמין, האנזים הבלתי תלוי-קובלמין אינו נוטה להשבתה חמצונית.

ממוזער|250px|תרשים פעולת האנזים|ימין

 מבנה 
ימין|ממוזער|האזור הקושר הומוציסטאין באנזים מתיונין סינתאז ה-618 שלו, Cys 620 ו-Cys704 קושרים את Zn (סגול) שנקשר להומוציסטאין (אדום)
בעזרת קריסטלוגרפיה של קרני רנטגן נמצאו המבנים הן עבור MetE שלם בהיעדר ובנוכחות מצעים והן עבור שברי MetH, למרות שלא קיים תיאור מבני של אנזים MetH שלם לחלוטין, המבנים הזמינים והניתוח הביואינפורמטי הנלווה מצביעים על דמיון מינימלי במבנה הכללי של שתי הצורות, אם כי יש קווי דמיון בין אתרי הקישור למצע עצמם. MetH תלוי Cob מחולק ל-4 קטעים נפרדים.

המקטעים, מהקצה N ועד הקצה C, מסומנים כמקטע הקשירה להומוציסטאין (Hcy domain), מקטע הקשירה ל-N5-מתיל-THF (MTHF domain), מקטע הקשירה לקובלאמין (Cob domain) ומקטע הקשירה ל-S-אדנוזילמתיונין או מקטע השפעול מחדש. מקטע השפעול מחדש קושר SAM והוא אתר החיבור עם פלאבודוקסין או מתיונין סינתאז רדוקטאז במהלך מחזור ההפעלה מחדש של האנזים. תחום הקובלמין המקשר מכיל שני תתי-מקטעים, כאשר הקופקטור קשור לתת-מקטע של Rossman-fold B12 -binding, אשר בתורו מוגבל על-ידי תת-התחום השני, תת-המקטע של ארבעת סלילי הצרור. חבילת ארבעת הסלילים משמשת להגנה על קו-פקטור הקובלמין מפני תגובתיות לא רצויה, אך יכולה לשנות קונפורמציות באופן משמעותי כדי לחשוף את הקו-פקטור ולאפשר לו גישה למצעים האחרים במהלך התחלופה. גם המקטע Hcy וגם N5-MeTHF הם בעלי ארכיטקטורת TIM barrel; תחום Hcy מכיל את אתר קשירת האבץ, אשר ב-MetH מורכב משלושה שיירי ציסטאין המקושרים ליון אבץ אשר בתורו קושר ומפעיל את Hcy. תחום הקישור N5-MeTHF נקשר ומפעיל את N5-MeTHF באמצעות רשת קשרי מימן עם מספר שיירי אספרגין, ארגינין וחומצה אספרטית . במהלך ההחלפה, האנזים עובר שינויים קונפורמטיביים משמעותיים הכוללים העברה של מקטע Cob הלוך ושוב ממקטע Hcy למקטע N5-MeTHF כדי לאפשר לשתי תגובות העברת המתיל להתבצע.

MetE הבלתי תלוי בקובלמין מורכב משני תחומי TIM-barrel הקושרים הומוציסטאין ו-N5-MeTHF בנפרד. שני התחומים הם בעלי ארכיטקטורת חבית כפולה פנים אל פנים, הדורשת "סגירה" של המבנה עם קשירה של שני המצעים כדי לאפשר העברת מתיל ישירה. אסטרטגיות קשירת מצע דומות ל-MetH, אם כי במקרה של MetE אטום האבץ נקשר במקום זאת לשני ציסטאינים, היסטידין וגלוטמט.

 תפקוד ביוכימי 
ימין|ממוזער|מתיונין סינתאז הוא אנזים 4
בבני אדם המטרה העיקרית של האנזים היא לחדש את Met במחזור S-adenosylmethionine (SAM). מחזור SAM במחזור בודד צורך Met ו-ATP ומייצר Hcy, ויכול לכלול כל אחת ממספר תגובות אנזימטיות קריטיות המשתמשות ב-S-adenosylmethionine כמקור לקבוצת מתיל פעילה למתילציה של חומצות גרעין, היסטונים, פוספוליפידים וחלבונים שונים. ככזה, מתיונין סינתאז משרת תפקיד חיוני בכך שהוא מאפשר למחזור ה-SAM להתקיים ללא זרימה מתמדת של Met. כאפקט משני, מתיונין סינתאז משמש גם לשמירה על רמות נמוכות של Hcy, ומכיוון שמתיונין סינתאז הוא אחד האנזימים הבודדים שמשתמשים ב-N5-MeTHF כמצע, כדי לשמור בעקיפין על רמות THF.

בחיידקים וצמחים, מתיונין סינתאז משרת מטרה כפולה של קיום מחזור ה-SAM וגם לזירוז השלב הסינתטי הסופי בסינתזה ״דה נובו״ של Met, שהיא אחת מ-20 חומצות האמינו. בעוד שהתגובה הכימית זהה לחלוטין לשני התהליכים, התפקוד הכולל שונה מזה של מתיונין סינתאז בבני אדם, מכיוון שמתיונין היא חומצת אמינו חיונית שאינה מסונתזת ״דה נובו״ בגוף.

 משמעות קלינית 
מוטציות בגן MTR זוהו כגורם הבסיסי למחסור במתילקובלמין. מחסור או ביטול ויסות של האנזים עקב מחסור במתיונין סינתאז רדוקטאז עלול לגרום ישירות לרמות גבוהות של הומוציסטאין (היפר-הומוציסטינמיה), הקשור לעיוורון, תסמינים נוירולוגיים ומומים מולדים. רוב המקרים של מחסור במתיונין סינתאז הם סימפטומטיים תוך שנתיים מהלידה, כאשר חולים רבים מפתחים במהירות אנצפלופתיה חמורה. אחת ההשלכות של פעילות מופחתת של מתיונין סינתאז הניתנת למדידה על ידי בדיקות דם קליניות שגרתיות היא אנמיה מגלובלסטית.

 גנטיקה 
זוהו מספר פולימורפיזמים הקשורים ל-cblG בגן MTR.

 2756D→G (Asp 919 Gly)
 3804C→T (Pro 1137 Leu)
 Δ2926A-2928T (ΔIle 881)

ראו גם

 מתילטרנספראז
 תסמונת ארקאווה II
 Betaine-homocysteine S-methyltransferase

קישורים חיצוניים

הערות שוליים

קטגוריה:אנזימים