Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
монооксиддегидрогеназа (акцептор)
Идентификаторы
ЕС нет.1.2.7.4
№ CAS64972-88-9
Базы данных
IntEnzПросмотр IntEnz
BRENDABRENDA запись
ExPASyПросмотр NiceZyme
КЕГГЗапись в KEGG
MetaCycметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDB RCSB PDB PDBe PDBsum
Генная онтологияAmigo / QuickGO
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

В энзимологии , окись углерода дегидрогеназа (CODH) ( ЕС 1.2.7.4 ) представляет собой фермент , который катализирует в химическую реакцию

CO + H 2 O + A CO 2 + AH 2

Химический процесс, катализируемый дегидрогеназой монооксида углерода, называется реакцией конверсии водяного газа .

Тремя субстратами этого фермента являются CO , H 2 O и A, а двумя его продуктами являются CO 2 и AH 2 .

Множество доноров / приемников электронов (обозначенных как «A» и «AH 2 » в приведенном выше уравнении реакции) наблюдаются у микроорганизмов, которые используют CODH. Несколько примеров кофакторов переноса электрона включают ферредоксин , NADP + / NADPH и флавопротеиновые комплексы, такие как флавинадениндинуклеотид (FAD). [1] [2] [3] Дегидрогеназы монооксида углерода поддерживают метаболизм различных прокариот, включая метаногены , аэробные карбоксидотрофы, ацетогены, сульфатредукторы и гидрогеногенные бактерии. Двунаправленная реакция, катализируемая CODH, играет роль в углеродном цикле.позволяя организмам как использовать CO в качестве источника энергии, так и использовать CO 2 в качестве источника углерода. CODH может образовывать монофункциональный фермент, как в случае Rhodospirillum rubrum , или может образовывать кластер с ацетил-CoA-синтазой, как было показано на M.thermoacetica . При совместном действии либо в качестве структурно независимых ферментов, либо в бифункциональной единице CODH / ACS, два каталитических сайта являются ключевыми для фиксации углерода в восстановительном пути ацетил-CoA. Микробные организмы (как аэробные, так и анаэробные ) кодируют и синтезируют CODH для этой цели. фиксации углерода (окисление CO и CO 2снижение). В зависимости от присоединенных дополнительных белков (A, B, C, D-кластеры) они выполняют множество каталитических функций, включая восстановление кластеров [4Fe-4S] и внедрение никеля. [4]

Этот фермент принадлежит к семейству оксидоредуктаз , особенно тех, которые действуют на альдегидную или оксогруппу донора с другими акцепторами. Систематическое название этого фермента класса представляет собой углерод-окись: акцептор оксидоредуктаза. Другие широко используемые названия включают анаэробную дегидрогеназу монооксида углерода, оксигеназу монооксида углерода, дегидрогеназу монооксида углерода и оксидоредуктазу монооксида углерода: (акцепторную).

Классы [ править ]

Аэробные карбоксидотрофные бактерии используют флавоэнзимы медь-молибден. Анаэробные бактерии используют CODH на основе никеля и железа из-за их чувствительности к кислороду. CODH, содержащий активный центр Mo- [2Fe-2S] -FAD, был обнаружен у аэробных бактерий, в то время как особый класс ферментов Ni- [3Fe-4S] CODH был очищен от анаэробных бактерий. [5] [6] [7] Оба класса CODH катализируют обратимое превращение между диоксидом углерода (CO 2 ) и монооксидом углерода (CO). CODH существует как в монофункциональной, так и в бифункциональной формах. В последнем случае CODH образует бифункциональный кластер с ацетил-CoA-синтазой , что хорошо охарактеризовано у анаэробных бактерий Moorella thermoacetica . [8] [9]

Структура [ править ]

Структура CODH / ACS в M.thermoacetica ». Показаны субъединицы альфа (ACS) и бета (CODH). (1) A-кластер Ni- [4Fe-4S]. (2) C-кластер Ni- [3Fe- 4S]. (3) B-кластер [4Fe-4S]. (4) D-кластер [4Fe-4S]. Разработан из 3I01.

Гомодимерный Ni-CODH состоит из пяти комплексов металлов, называемых кластерами. Каждый из них отличается индивидуальной координационной геометрией , присутствием никеля и расположением активного центра либо в субъединице α, либо в β. [10] Несколько исследовательских групп предложили кристаллические структуры для α 2 β 2 тетрамерного фермента CODH / ACS из ацетогенных бактерий M. thermoacetica , включая два недавних примера с 2009 года: 3I01 2Z8Y. Две β-единицы являются участком активности CODH и образуют центральное ядро ​​фермента. Всего фермент 310 кДа содержит семь кластеров железо-сера [4Fe-4S]. Каждая α-единица содержит один металлический кластер. Вместе две β-единицы содержат пять кластеров трех типов. Каталитическая активность CODH проявляется в Ni- [3Fe-4S] C-кластерах, в то время как внутренние [4Fe-4S] B и D кластеры переносят электроны от C-кластера к внешним переносчикам электронов, таким как ферредоксин . Активность ACS происходит в A-кластере, расположенном в двух внешних α единицах. [6] [7]

Примечательной особенностью M. thermoacetica CODH / ACS является внутренний газовый туннель, соединяющий несколько активных центров. [11] Полная роль газового канала в регулировании скорости каталитической активности все еще является предметом исследования, но несколько исследований подтверждают идею о том, что молекулы CO действительно перемещаются непосредственно от C-кластера к активному центру ACS, не покидая его. фермент. Например, на скорость активности ацетил-КоА-синтазы в бифункциональном ферменте не влияет добавление гемоглобина, который будет конкурировать за CO в основном растворе [12], а исследования изотопного мечения показывают, что монооксид углерода, полученный из C-кластера предпочтительно используется в A-кластере по сравнению с немеченым CO в растворе. [13]Белковая инженерия CODH / ACS в M.thermoacetica показала, что мутирующие остатки, функционально блокирующие туннель, останавливают синтез ацето-КоА, когда присутствует только CO 2 . [14] Открытие функционального туннеля CO помещает CODH в растущий список ферментов, которые независимо развили эту стратегию для переноса реактивных промежуточных продуктов с одного активного сайта на другой. [15]

Механизмы реакции [ править ]

Окислительный [ править ]

Каталитический сайт CODH, называемый C-кластером, представляет собой кластер [3Fe-4S], связанный с фрагментом Ni-Fe. Две основные аминокислоты (Lys587 и His 113 в M.thermoacetica ) находятся в непосредственной близости от С-кластера и способствуют химии кислот и оснований, необходимых для активности фермента. [16] Основываясь на ИК-спектрах, предполагающих присутствие комплекса Ni-CO, предлагаемая первая стадия окислительного катализа CO до CO 2 включает связывание CO с Ni 2+ и соответствующее комплексообразование Fe 2+ с молекулой воды. . [17]

Связывание молекулы CO вызывает сдвиг в координации атома Ni от плоско-квадратной до квадратно-пирамидальной геометрии. [18] Доббек и др. далее предполагают, что движение цистеинового лиганда атома никеля приводит CO в непосредственную близость к гидроксильной группе и способствует нуклеофильной атаке, катализируемой основанием, связанной с железом гидроксильной группой. В качестве промежуточного звена был предложен карбоксильный мостик между атомами Ni и Fe. [19] Декарбоксилирование приводит к высвобождению CO 2.и сокращение кластера. Хотя итоговая промежуточная степень окисления Ni и степень, в которой электроны распределены по кластеру Ni- [3Fe-4S], являются предметом некоторых дискуссий, электроны в восстановленном C-кластере переносятся в соседние B и D [4Fe]. -4S], возвращая Ni- [3Fe-4S] C-кластер в окисленное состояние и восстанавливая одноэлектронный носитель ферредоксин . [20] [21]

Редуктивный [ править ]

Учитывая роль CODH в связывании CO 2 , в литературе по биохимии принято считать, что восстановительный механизм является «прямым обратным» окислительному механизму по «принципу микрообратимости». [22] В процессе восстановления диоксида углерода С-кластер фермента должен сначала быть активирован из окисленного в восстановленное состояние, прежде чем образуется связь Ni-CO 2 . [23]

Экологическая значимость [ править ]

Дегидрогеназа монооксида углерода тесно связана с регулированием уровней CO и CO 2 в атмосфере , поддерживая оптимальные уровни CO, подходящие для других форм жизни. Микробные организмы полагаются на эти ферменты как для сохранения энергии, так и для фиксации CO 2 . Часто кодирование и синтез нескольких уникальных форм CODH для использования по назначению. Дальнейшие исследования конкретных типов CODH показывают, что CO используется и конденсируется с CH 3 ( метиловыми группами ) с образованием ацетил-CoA. [24] Анаэробные микроорганизмы, такие как ацетогены, проходят путь Вуда-Люнгдаля , полагаясь на CODH для производства CO за счет сокращения CO 2.необходим для синтеза ацетил-КоА из метила, кофермента А (КоА) и корриноидного железо-серного белка . [25] Другие типы показывают, что CODH используется для генерации движущей силы протона с целью генерации энергии. CODH используется для окисления CO, образуя два протона, которые впоследствии восстанавливаются с образованием дигидрогена (H 2 , в просторечии известного как молекулярный водород ), обеспечивая необходимую свободную энергию для генерации АТФ. [26]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Buckel W, Thauer РК (2018). «+ (Rnf) как акцепторы электронов: исторический обзор» . Границы микробиологии . 9 : 401. DOI : 10,3389 / fmicb.2018.00401 . PMC  5861303 . PMID  29593673 .
  2. ^ Kracke F, Virdis B, Бернхард П.В., Rabaey K, Кромера JO (декабрь 2016). «Clostridium autoethanogenum путем внеклеточной доставки электронов» . Биотехнология для биотоплива . 9 (1): 249. DOI : 10,1186 / s13068-016-0663-2 . PMC 5112729 . PMID 27882076 .  
  3. ↑ van den Berg WA, Hagen WR, van Dongen WM (февраль 2000 г.). «Белок гибридного кластера (« присманский белок ») из Escherichia coli. Характеристика белка гибридного кластера, окислительно-восстановительные свойства кластеров [2Fe-2S] и [4Fe-2S-2O] и идентификация ассоциированной NADH-оксидоредуктазы, содержащей ФАД и [2Fe-2S] » . Европейский журнал биохимии . 267 (3): 666–76. DOI : 10.1046 / j.1432-1327.2000.01032.x . PMID 10651802 . 
  4. ^ Хадж-Саид J, Pandelia ME, Léger C, Fourmond V, Dementin S (декабрь 2015 г.). «Дегидрогеназа окиси углерода из Desulfovibrio vulgaris» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1847 (12): 1574–83. DOI : 10.1016 / j.bbabio.2015.08.002 . PMID 26255854 . 
  5. ^ Jeoung J, J Fesseler, Goetzl S, Dobbek H (2014). «Глава 3. Окись углерода. Токсичный газ и топливо для анаэробов и аэробов: дегидрогеназы окиси углерода ». В Kroneck PM, Torres ME (ред.). Металлическая биогеохимия газообразных соединений окружающей среды . Ионы металлов в науках о жизни. 14 . Springer. С. 37–69. DOI : 10.1007 / 978-94-017-9269-1_3 . PMID 25416390 . 
  6. ^ a b Доббек Х, Светличный В., Гремер Л., Хубер Р., Мейер О. (август 2001 г.). «Кристаллическая структура дегидрогеназы монооксида углерода выявляет кластер [Ni-4Fe-5S]». Наука . 293 (5533): 1281–5. Bibcode : 2001Sci ... 293.1281D . DOI : 10.1126 / science.1061500 . PMID 11509720 . S2CID 21633407 .  
  7. ^ a b Ragsdale S (сентябрь 2010 г.). Сигель Х, Сигель А (ред.). «Металлоуглеродные связи в ферментах и ​​кофакторах» . Обзоры координационной химии . Ионы металлов в науках о жизни. Королевское химическое общество. 254 (17–18): 1948–1949. DOI : 10,1039 / 9781847559333 . ISBN 978-1-84755-915-9. PMC  2923820 . PMID  20729977 .
  8. ^ Doukov TI, Blasiak LC, Seravalli J, Ragsdale SW, Дреннан CL (март 2008). «Ксенон в и в конце туннеля бифункциональной дегидрогеназы монооксида углерода / ацетил-КоА-синтазы» . Биохимия . 47 (11): 3474–83. DOI : 10.1021 / bi702386t . PMC 3040099 . PMID 18293927 .  
  9. ^ Tan X, Volbeda A, Fontecilla-Camps JC, Линдаль PA (апрель 2006). «Функция туннеля в ацетилкофермент А-синтаза / дегидрогеназа монооксида углерода». Журнал биологической неорганической химии . 11 (3): 371–8. DOI : 10.1007 / s00775-006-0086-9 . PMID 16502006 . S2CID 25285535 .  
  10. ^ Wittenborn EC, Merrouch M, Ueda C, Fradale L, Léger C, Fourmond V и др. (Октябрь 2018 г.). «Редокс-зависимые перестройки кластера NiFeS дегидрогеназы монооксида углерода» . eLife . 7 : e39451. DOI : 10.7554 / eLife.39451 . PMC 6168284 . PMID 30277213 .  
  11. ^ Doukov TI, Blasiak LC, Seravalli J, Ragsdale SW, Дреннан CL (март 2008). «Ксенон в и в конце туннеля бифункциональной дегидрогеназы монооксида углерода / ацетил-КоА-синтазы» . Биохимия . 47 (11): 3474–83. DOI : 10.1021 / bi702386t . PMC 3040099 . PMID 18293927 .  [ постоянная мертвая ссылка ]
  12. ^ Doukov TI, Айверсон TM, Seravalli J, Ragsdale SW, Дреннан CL (октябрь 2002). «Центр Ni-Fe-Cu в бифункциональной дегидрогеназе монооксида углерода / ацетил-КоА-синтазе» (PDF) . Наука . 298 (5593): 567–72. Bibcode : 2002Sci ... 298..567D . DOI : 10.1126 / science.1075843 . PMID 12386327 . S2CID 39880131 .   [ постоянная мертвая ссылка ]
  13. ^ Seravalli J, Ragsdale SW (февраль 2000). «Канализация монооксида углерода при анаэробной фиксации диоксида углерода». Биохимия . 39 (6): 1274–7. DOI : 10.1021 / bi991812e . PMID 10684606 . 
  14. ↑ Tan X, Loke HK, Fitch S, Lindahl PA (апрель 2005 г.). «Туннель ацетил-кофермент-синтаза / дегидрогеназа монооксида углерода регулирует доставку СО к активному центру». Журнал Американского химического общества . 127 (16): 5833–9. DOI : 10.1021 / ja043701v . PMID 15839681 . 
  15. ^ Недель, Lund L, Raushel FM (октябрь 2006). «Туннелирование промежуточных продуктов в ферментативно-катализируемых реакциях». Текущее мнение в химической биологии . 10 (5): 465–72. DOI : 10.1016 / j.cbpa.2006.08.008 . PMID 16931112 . 
  16. ^ Ragsdale SW (август 2006). «Металлы и их каркасы, способствующие сложным ферментативным реакциям». Химические обзоры . 106 (8): 3317–37. DOI : 10.1021 / cr0503153 . PMID 16895330 . 
  17. ^ Chen J, Huang S, Seravalli J, H Gutzman, Сварц DJ, Ragsdale SW, Бэгли KA (декабрь 2003). «Инфракрасные исследования связывания окиси углерода с дегидрогеназой окиси углерода / ацетил-КоА-синтазой из Moorella thermoacetica». Биохимия . 42 (50): 14822–30. DOI : 10.1021 / bi0349470 . PMID 14674756 . 
  18. ^ Dobbek Н, Svetlitchnyi В, Gremer л, Huber R, Мейер O (август 2001 г.). «Кристаллическая структура дегидрогеназы монооксида углерода выявляет кластер [Ni-4Fe-5S]». Наука . 293 (5533): 1281–5. Bibcode : 2001Sci ... 293.1281D . DOI : 10.1126 / science.1061500 . PMID 11509720 . S2CID 21633407 .  
  19. ^ Ха СВ, Korbas М, Klepsch М, Майер-Klaucke Вт, Майер О, Svetlitchnyi В (апрель 2007 г.). «Взаимодействие цианида калия с кластером активного центра [Ni-4Fe-5S] CO дегидрогеназы из Carboxydothermus Hydroformans» . Журнал биологической химии . 282 (14): 10639–46. DOI : 10.1074 / jbc.M610641200 . PMID 17277357 . 
  20. ^ Ван VC, Ragsdale SW, Armstrong FA (2014). «Исследование эффективных электрокаталитических взаимопревращений диоксида углерода и оксида углерода никельсодержащими дегидрогеназами оксида углерода». В Peter MH Kroneck, Martha E. Sosa Torres (ред.). Металлическая биогеохимия газообразных соединений окружающей среды . Ионы металлов в науках о жизни. 14 . Springer. С. 71–97. DOI : 10.1007 / 978-94-017-9269-1_4 . ISBN 978-94-017-9268-4. PMC  4261625 . PMID  25416391 .
  21. ^ Ragsdale SW (ноябрь 2007). «Никель и углеродный цикл» . Журнал неорганической биохимии . 101 (11–12): 1657–66. DOI : 10.1016 / j.jinorgbio.2007.07.014 . PMC 2100024 . PMID 17716738 .  
  22. ^ Ragsdale SW, Пирс E (декабрь 2008). «Ацетогенез и путь Вуда-Люнгдаля фиксации CO (2)» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1784 (12): 1873–98. DOI : 10.1016 / j.bbapap.2008.08.012 . PMC 2646786 . PMID 18801467 .  
  23. ↑ Feng J, Lindahl PA (февраль 2004 г.). «Дегидрогеназа монооксида углерода из Rhodospirillum rubrum: влияние окислительно-восстановительного потенциала на катализ». Биохимия . 43 (6): 1552–9. DOI : 10.1021 / bi0357199 . PMID 14769031 . 
  24. ^ Хадж-Саид J, Pandelia ME, Léger C, Fourmond V, Dementin S (декабрь 2015 г.). «Дегидрогеназа окиси углерода из Desulfovibrio vulgaris» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика . 1847 (12): 1574–83. DOI : 10.1016 / j.bbabio.2015.08.002 . PMID 26255854 . 
  25. ^ Ragsdale SW, Пирс E (декабрь 2008). «Ацетогенез и путь Вуда-Люнгдаля фиксации CO (2)» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Белки и протеомика . 1784 (12): 1873–98. DOI : 10.1016 / j.bbapap.2008.08.012 . PMC 2646786 . PMID 18801467 .  
  26. ↑ Ensign SA, Ludden PW (сентябрь 1991 г.). «Характеристика системы окисления CO / выделения H2 Rhodospirillum rubrum. Роль железо-серного белка массой 22 кДа в опосредовании переноса электронов между дегидрогеназой монооксида углерода и гидрогеназой». Журнал биологической химии . 266 (27): 18395–403. PMID 1917963 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Дреннан К.Л., Хео Дж., Синчак, доктор медицины, Шрайтер Э., Лудден П.В. (октябрь 2001 г.). «Жизнь на окиси углерода: рентгеновская структура дегидрогеназы окиси углерода Rhodospirillum rubrum Ni-Fe-S» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (21): 11973–8. Bibcode : 2001PNAS ... 9811973D . DOI : 10.1073 / pnas.211429998 . PMC  59822 . PMID  11593006 .
  • Чжон Дж. Х., Мартинс Б. М., Доббек Х (2019). «Дегидрогеназы окиси углерода». В Ху Y (ред.). Металлопротеины . Методы молекулярной биологии. +1876 . Нью-Йорк: Спрингер. С. 37–54. DOI : 10.1007 / 978-1-4939-8864-8_3 . ISBN 9781493988631. PMID  30317473 .
  • Чжон Дж. Х., Доббек Х (ноябрь 2007 г.). «Активация углекислого газа на Ni, Fe-кластере анаэробной дегидрогеназы монооксида углерода». Наука . Американская ассоциация развития науки. 318 (5855): 1461–4. Bibcode : 2007Sci ... 318.1461J . DOI : 10.1126 / science.1148481 . JSTOR  20051712 . PMID  18048691 . S2CID  41063549 .
  • Доббек Х., Светличный В., Гремер Л., Хубер Р., Мейер О. (август 2001 г.). «Кристаллическая структура дегидрогеназы монооксида углерода выявляет кластер [Ni-4Fe-5S]». Наука . 293 (5533): 1281–5. Bibcode : 2001Sci ... 293.1281D . DOI : 10.1126 / science.1061500 . PMID  11509720 . S2CID  21633407 .* Hegg EL (октябрь 2004 г.). «Раскрытие структуры и механизма ацетил-кофермент А-синтазы». Счета химических исследований . 37 (10): 775–83. DOI : 10.1021 / ar040002e . PMID 15491124 . S2CID 29401674 .  *
  • Ху З., Спанглер Нью-Джерси, Андерсон М.Э., Ся Дж., Лудден П.В., Линдаль П.А., Мюнк Э. (01.01.1996). «Природа C-кластера в Ni-содержащих дегидрогеназах окиси углерода». Журнал Американского химического общества . 118 (4): 830–845. DOI : 10.1021 / ja9528386 . ISSN  0002-7863 .
  • Варфоломей GW, Александр М (май 1979). «Микробный метаболизм окиси углерода в культуре и почве» . Прикладная и экологическая микробиология . 37 (5): 932–7. DOI : 10,1128 / AEM.37.5.932-937.1979 . PMC  243327 . PMID  485139 .