Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Диоксигеназа
PDB 1eob EBI.jpg
кристаллическая структура acinetobacter sp. adp1 протокатехуат 3,4-диоксигеназа в комплексе с 3,4-дигидроксибензоатом
Идентификаторы
Условное обозначениеДиоксигеназа_C
PfamPF00775
Клан пфамCL0287
ИнтерПроIPR000627
PROSITEPDOC00079
SCOP22шт / СФЕРА / СУПФАМ
Доступные белковые структуры:
Pfam  структуры / ECOD  
PDBRCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumкраткое изложение структуры

Диоксигеназы - это ферменты оксидоредуктазы . Аэробная жизнь , от простых одноклеточных бактерий до сложных эукариотических организмов, эволюционировала и стала зависеть от окислительной способности двуокиси кислорода в различных метаболических путях. От производства энергичного аденозинтрифосфата (АТФ) до разложения ксенобиотиков , использование диоксида в качестве биологического окислителя широко распространено и варьируется по точному механизму его использования. Ферменты используют множество различных схем использования дикислорода, и это во многом зависит от субстрата и реакции.

Сравнение с монооксигеназами [ править ]

В монооксигеназах только один атом дикислорода включается в субстрат, а другой восстанавливается до молекулы воды. Диоксигеназы ( EC 1.13.11 ) катализируют окисление субстрата без восстановления одного атома кислорода из дикислорода в молекулу воды. Однако это определение неоднозначно, поскольку не учитывает, сколько субстратов участвует в реакции. Большинство диоксигеназ полностью включают дикислород в один субстрат, и для этого используются различные схемы кофакторов . Например, в α-кетоглутарате-зависимые ферменты, один атом дикислорода включен в два субстрата, один из которых всегда является α-кетоглутаратом, и эта реакция осуществляется одноядерным железным центром.

Железосодержащие ферменты [ править ]

Наиболее широко наблюдаемым кофактором, участвующим в реакциях диоксигенации, является железо , но каталитическая схема, используемая этими железосодержащими ферментами, весьма разнообразна. Железосодержащие диоксигеназы можно разделить на три класса в зависимости от того, как железо включается в активный центр: те, которые используют мононуклеарный центр железа, те, которые содержат кластер Rieske [2Fe-2S], и те, которые используют простетическую группу гема .

Моноядерные диоксигеназы железа [ править ]

Моноядерные диоксигеназы железа или негемовые железозависимые диоксигеназы, как их еще называют, все используют одно каталитическое железо для включения одного или обоих атомов кислорода в субстрат. Несмотря на это обычное событие оксигенации, одноядерные диоксигеназы железа различаются по способу использования активации диоксигеном для ускорения определенных химических реакций. [1] Например, расщепление углерод-углеродной связи, гидропероксидирование жирных кислот, разрыв связи углерод-сера и окисление тиола - все это реакции, катализируемые одноядерными диоксигеназами железа. [1] [2] [3]

Большинство одноядерных диоксигеназ железа являются членами суперсемейства купинов, в котором общая доменная структура описывается как шестицепочечная β-бочкообразная складка (или мотив желеобразного валика ). В центре этой бочкообразной структуры находится ион металла, чаще всего двухвалентного железа, координационное окружение которого часто обеспечивается остатками в двух частично консервативных структурных мотивах: G (X) 5 HXH (X) 3 - 4 E (X) 6 G и G (X) 5 - 7 PXG (X) 2 H (X) 3 N. [4] [5]

Рисунок 2. Интрадиоловое расщепление кольца.

Двумя важными группами мононуклеарных негемовых диоксигеназ железа являются катехолдиоксигеназы и 2-оксоглутарат (2OG) -зависимые диоксигеназы . [6] В катехольные диоксигеназ , некоторые из наиболее хорошо изученных диоксигеназой ферментов, использование молекулярный кислород , чтобы расщеплять связь углерод-углерод ароматического катехин кольцевой системы. [4] Катехолдиоксигеназы далее классифицируются как «экстрадиол» или «интрадиол», и это различие основано на механистических различиях в реакциях (рисунки 1 и 2). Интрадиольные ферменты расщепляют углерод-углеродную связь между двумя гидроксильными группами. Активный центр трехвалентного железа координируется четырьмя белковыми лигандами - двумя остатками гистидина и двумя остатками тирозината.- тригонально-бипирамидным образом с молекулой воды, занимающей пятый координационный центр. [3] Как только катехолатный субстрат связывается с металлическим центром бидентатно через депротонированные гидроксильные группы, трехвалентное железо «активирует» субстрат посредством отщепления электрона с образованием радикала на субстрате. Затем это позволяет протекать реакции с диоксидом кислорода и последующему расщеплению внутри диола через промежуточный циклический ангидрид. [2] [4]Члены экстрадиола используют двухвалентное железо в качестве активного окислительно-восстановительного состояния, и этот центр обычно координируется октаэдрически через мотив 2-His-1-Glu с лабильными водными лигандами, занимающими пустые позиции. Как только субстрат связывается с центром железа, это способствует связыванию дикислорода и последующей активации. [2] [4] [7] Затем эта активированная форма кислорода вступает в реакцию с субстратом, в конечном итоге разрывая связь углерод-углерод, прилегающую к гидроксильным группам, посредством образования промежуточного α-кетолактона. [3]

В 2OG-зависимых диоксигеназах двухвалентное железо ( Fe (II) ) также координируется мотивом «лицевой триады» (His) 2 (Glu / Asp) 1. Бидентатная координация 2OG и воды завершает псевдооктаэдрическую координационную сферу. После связывания субстрата водный лиганд высвобождается, образуя открытый координационный сайт для активации кислорода. [6] При связывании кислорода происходит малоизученная трансформация, во время которой 2OG окислительно декарбоксилируется до сукцината, а связь OO разрывается с образованием промежуточного соединения Fe (IV) -оксо ( феррила ). Затем этот мощный окислитель используется для проведения различных реакций, включая гидроксилирование, галогенирование и деметилирование. [8]В наиболее хорошо охарактеризованном случае гидроксилазы, промежуточное феррильное соединение, отрывают атом водорода от целевого положения субстрата, давая субстратный радикал и Fe (III) -OH. Затем этот радикал соединяется с гидроксидным лигандом, образуя гидроксилированный продукт и состояние покоя фермента Fe (II). [8]

Диоксигеназы Риске [ править ]

Диоксигеназы Риске катализируют цис-дигидроксилирование аренов до продуктов цис-дигидродиола. Эти ферменты широко присутствуют в почвенных бактериях, таких как Pseudomonas , [3], и их реакции составляют начальную стадию биоразложения ароматических углеводородов. [2] Диоксигеназы Риске имеют более сложную структуру, чем другие диоксигеназы, из-за необходимости в эффективном пути переноса электронов (рис. 2), который обеспечивает дополнительное одновременное двухэлектронное восстановление ароматического субстрата.

Рис. 2. Механизм электронного переноса диоксигеназ Риске.

Каталитически компетентная диоксигеназа Риске состоит из трех компонентов: НАДН-зависимой FAD-редуктазы , ферредоксина с двумя кластерами [2Fe-2S] Риске и α3β3-оксигеназы, каждая α-субъединица которой содержит одноядерный центр железа и [2Fe-2S] Кластер Риеске. [2] Внутри каждой α-субъединицы железо-серный кластер и одноядерный железный центр разделены расстоянием около 43 Å, что слишком далеко для эффективного переноса электронов.происходить. Вместо этого предполагается, что перенос электронов осуществляется через эти два центра в соседних субъединицах, что кластер железо-сера одной субъединицы передает электроны моноядерному железному центру соседней субъединицы, который удобно разделен на ~ 12 Å. Хотя это расстояние кажется оптимальным для эффективного переноса электронов, замена мостикового остатка аспартата вызывает потерю функции фермента, предполагая, что перенос электронов вместо этого происходит через сеть водородных связей, удерживаемую этим остатком аспартата. [3]

Активный центр диоксигеназы Риске (нафталин-1,2-диоксигеназа из Rhodococcus sp. ) (PDB 2B1X)

Механистическая картина для этого класса диоксигеназ еще не ясна, но есть доказательства, подтверждающие наличие промежуточного соединения гидроперокси железа (III) в пути реакции. [7] Этот вид может представлять собой активный окислитель, или он может подвергаться гемолитическому разрыву связи OO с образованием промежуточного соединения железа (V) -оксо в качестве рабочего окислителя. [3] [7] Диоксигеназа Риеске представляет собой мощный класс окислительно-восстановительных ферментов, и в дополнение к диоксигенации сообщалось о таких реакциях, как сульфоксидирование, десатурация и бензильное окисление. [2]

Гемсодержащие диоксигеназы [ править ]

В то время как большинство железозависимых диоксигеназ используют негемовый кофактор железа, окисление L- (и D-) триптофана до N-формилкинуренина катализируется либо триптофан-2,3-диоксигеназой (TDO), либо индоламин-2,3-диоксигеназой ( IDO), которые представляют собой гем-диоксигеназы, использующие железо, координируемое простетической группой гема B. [9] [10] Хотя эти диоксигеназы представляют интерес отчасти потому, что они уникально используют гем для катализа, они также представляют интерес из-за их важности в регуляции триптофана в клетке, что имеет многочисленные физиологические последствия. [11]Считается, что начальная ассоциация субстрата с дикислородом-железом в активном центре фермента происходит либо посредством радикального, либо электрофильного присоединения, требующего либо двухвалентного железа, либо трехвалентного железа соответственно. [9] Хотя точный механизм реакции гем-зависимых диоксигеназ все еще обсуждается, предполагается, что реакция протекает либо по диоксетановому механизму, либо по механизму Криджи ( рис. 4, 5). [9] [11]

Рисунок 4. Возможный механизм реорганизации Criegee со стороны TDO / IDO
Рисунок 5. Возможный диоксетановый механизм по TDO / IDO.

Камбиалистические диоксигеназы [ править ]

Хотя железо является наиболее распространенным кофактором, используемым для ферментативной диоксигенации, оно не требуется для всех диоксигеназ для катализа. Кверцетин-2,3-диоксигеназа (кверцетиназа, QueD) катализирует диоксигенолитическое расщепление кверцетина до 2-протокатехуоилфлороглюцинолкарбоновой кислоты и монооксида углерода . [12] Наиболее отличающийся фермент из Aspergillus аротсиза, требует присутствий меди , [4] и бактериальные quercetinases были обнаружены , что весьма разнородный (cambialistic) [13] в своих требованиях металлического центра, с различной степенью активности сообщается с заменой двухвалентного марганец , кобальт , железо, никель и медь. [12] (Кверцетин, роль в обмене веществ). Ациредуктон (1,2-дигидрокси-5- (метилтио) пент-1-ен-3-он) диоксигеназа (ARD) обнаруживается как у прокариот, так и у эукариот . [4] [12] [14] Ферменты ARD из большинства видов связывают двухвалентное железо и катализируют окисление ациредуктона до 4- (метилтио) -2-оксобутаноата, α-кетокислоты метионина и муравьиной кислоты . Однако ОРЗ от Klebsiella oxytocaкатализирует дополнительную реакцию, когда никель (II) связан: вместо этого он производит 3- (метилтио) пропионат, формиат и монооксид углерода в результате реакции ациредуктона с кислородом. Активность Fe-ARD тесно переплетена с путем восстановления метионина, в котором метилтиоаденозиновый продукт клеточных реакций S-аденозилметионина (SAM) в конечном итоге превращается в ациредуктон.

Хотя точная роль Ni-ARD неизвестна, предполагается, что он помогает регулировать уровень метионина, действуя как шунт в пути восстановления. Этот фермент K. oxytoca представляет собой уникальный пример, в котором присутствующий ион металла определяет, какая реакция катализируется. Кверцетиназы и ферменты ARD являются членами суперсемейства купинов , к которому также принадлежат мононуклеарные ферменты железа. [15] Металлическая координационная схема для ферментов QueD представляет собой 3-His или 3-His-1-Glu, точное расположение которых зависит от организма. [4] Все ферменты ARD хелатируют каталитический металл (Ni или Fe) через мотив 3-His-1-Glu. [15] В этих диоксигеназах координирующие лигандыпредставлены обоими типичными купиновыми мотивами. В ферментах ARD металл существует в октаэдрическом расположении с тремя остатками гистидина, составляющими лицевую триаду. [14] Металлические центры бактериальной кверцетиназы обычно имеют тригонально-бипирамидную или октаэдрическую координационную среду, когда имеется четыре белковых лиганда; Металлические центры медьзависимых ферментов QueD обладают искаженной тетраэдрической геометрией, в которой только три консервативных остатка гистидина обеспечивают координационные лиганды. [4] [12] Пустые координационные центры во всех металлических центрах заняты аквалигандами до тех пор, пока они не будут вытеснены поступающим субстратом.

Способность этих диоксигеназ сохранять активность в присутствии кофакторов других металлов с широким диапазоном окислительно-восстановительных потенциалов предполагает, что металлический центр не играет активной роли в активации двуокиси кислорода. Скорее, считается, что металлический центр функционирует, чтобы удерживать подложку в правильной геометрии, чтобы она могла реагировать с кислородом. В связи с этим, эти ферменты напоминают intradiol катехола диоксигеназ в результате чего металлические центры активируют субстрат для последующей реакции с молекулярным кислородом.

Кофакторнезависимые диоксигеназы [ править ]

Рисунок 5. Каталитический механизм QDO.

Диоксигеназы, которые катализируют реакции без необходимости в кофакторе, встречаются в природе гораздо реже, чем те, которые действительно нуждаются в них. Две диоксигеназы, 1H-3-гидрокси-4- оксохинолин 2,4-диоксигеназа (QDO) и 1H-3-гидрокси-4-оксохинальдин 2,4-диоксигеназа (HDO), не требуют ни органических, ни металлический кофактор. [16] Эти ферменты катализируют разложение хинолоновых гетероциклов аналогично кверцетиндиоксигеназе , но, как полагают, опосредуют радикальную реакцию молекулы диоксигена с карбанионом на субстрате (рис. 5). [17] И HDO, и QDO принадлежат к α / β гидролазе.суперсемейство ферментов, хотя каталитические остатки в HDO и QDO, по-видимому, не выполняют ту же функцию, что и в остальных ферментах суперсемейства α / β гидролаз. [16]

Клиническое значение [ править ]

Из-за разнообразия семейства диоксигеназ диоксигеназы имеют широкий спектр влияний в биологии:

  • Триптофан-2,3-диоксигеназа (TDO) важна для регулирования уровней триптофана в организме и экспрессируется в большом количестве опухолей человека. [18] Другая гемовая железозависимая диоксигеназа, IDO, также имеет отношение к здоровью человека, поскольку она участвует в воспалительных реакциях в контексте определенных заболеваний. [19] Поскольку он влияет на уровни как триптофана, так и кинуренина , IDO также участвует во влиянии на системы, связанные с депрессией у людей. [20]
  • Алкаптонурия - это генетическое заболевание, которое приводит к дефициту гомогентизат-1,2-диоксигеназы , которая отвечает за катализирование образования 4-малеилацетоацетата из гомогентизата . [21] Накопление гомогентизиновой кислоты может привести к повреждению сердечного клапана, образованию камней в почках и повреждению хрящей в организме. [22]
  • Нейродегенерация, связанная с пантотенаткиназой (PKAN), представляет собой аутосомно-рецессивное заболевание, которое может приводить к развитию гранул железа и телец Леви в нейронах . Исследование показало , что были обнаружены у пациентов с диагнозом PKAN иметь повышенные цистеина уровни в бледном шаре , как следствие цистеин диоксигеназы дефицита. [23] У пациентов с PKAN часто развиваются симптомы деменции, и они часто умирают в раннем возрасте во взрослом возрасте.
  • При репарации ДНК Fe (II) / 2-оксоглутарат-зависимая диоксигеназа AlkB участвует в окислительном удалении повреждений ДНК, вызванных алкилированием. Неспособность удалить повреждение алкилирования ДНК может привести к цитотоксичности или мутагенезу во время репликации ДНК.
  • Циклооксигеназы (ЦОГ), которые отвечают за образование простаноидов в организме человека, являются мишенью для многих НПВП болеутоляющих средств. [10] Ингибирование ЦОГ приводит к уменьшению воспаления и имеет обезболивающий эффект из-за пониженного уровня синтеза простагландина и тромбоксана.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b Leitgeb S, Nidetzky B (декабрь 2008 г.). «Структурное и функциональное сравнение 2-His-1-карбоксилата и 3-His металлоцентров в негемных железо (II) -зависимых ферментах». Труды биохимического общества . 36 (Pt 6): 1180–6. DOI : 10.1042 / BST0361180 . PMID  19021520 .
  2. ^ Б с д е е Абу-Омар MM, Лоэза A, Hontzeas N (июнь 2005 г.). «Механизмы реакций моноядерных негемовых железооксигеназ». Химические обзоры . 105 (6): 2227–52. DOI : 10.1021 / cr040653o . PMID 15941213 . 
  3. ^ a b c d e f Самуэль де Виссер; Девеш Кумар (2011). Железосодержащие ферменты - универсальные катализаторы реакций гидроксилирования в природе . Королевское химическое общество. ISBN 978-1-84973-298-7.
  4. ^ a b c d e f g h Fetzner S (апрель 2012 г.). «Расщепляющие кольца диоксигеназы с купиновой складкой» . Прикладная и экологическая микробиология . 78 (8): 2505–14. DOI : 10,1128 / AEM.07651-11 . PMC 3318818 . PMID 22287012 .  
  5. ^ Stipanuk MH Симмонс CR, Карплуса PA, Домини JE (июнь 2011). «Тиолдиоксигеназы: уникальные семейства купиновых белков» . Аминокислоты . 41 (1): 91–102. DOI : 10.1007 / s00726-010-0518-2 . PMC 3136866 . PMID 20195658 .  
  6. ^ a b Соломон Э.И., Брунольд Т.К., Дэвис М.И., Кемсли Дж. Н., Ли С. К., Ленерт Н. и др. (Январь 2000 г.). «Геометрическая и электронная структура / взаимосвязь функций в негемовых ферментах железа». Химические обзоры . 100 (1): 235–350. DOI : 10.1021 / cr9900275 . PMID 11749238 . 
  7. ^ a b c Багг Т.Д., Рамасвами S (апрель 2008 г.). «Негемовые железозависимые диоксигеназы: раскрытие каталитических механизмов сложного ферментативного окисления». Текущее мнение в химической биологии . 12 (2): 134–40. DOI : 10.1016 / j.cbpa.2007.12.007 . PMID 18249197 . 
  8. ^ a b Кребс C, Галонич Фухимори D, Уолш CT, Bollinger JM (июль 2007 г.). «Негемовые промежуточные соединения Fe (IV) -оксо» . Счета химических исследований . 40 (7): 484–92. DOI : 10.1021 / ar700066p . PMC 3870002 . PMID 17542550 .  
  9. ^ a b c Ефимов И., Басран Дж, Текрей С.Дж., Ханда С., Моват К.Г., Рэйвен Е.Л. (апрель 2011 г.). «Строение и механизм реакции в гем-диоксигеназах» . Биохимия . 50 (14): 2717–24. DOI : 10.1021 / bi101732n . PMC 3092302 . PMID 21361337 .  
  10. ^ a b Sono M, Roach MP, Coulter ED, Dawson JH (ноябрь 1996 г.). «Гемсодержащие оксигеназы». Химические обзоры . 96 (7): 2841–2888. DOI : 10.1021 / cr9500500 . PMID 11848843 . 
  11. ^ a b Thackray SJ, Mowat CG, Chapman SK (декабрь 2008 г.). «Изучение механизма триптофан-2,3-диоксигеназы» . Труды биохимического общества . 36 (Pt 6): 1120–3. DOI : 10.1042 / BST0361120 . PMC 2652831 . PMID 19021508 .  
  12. ^ a b c d Schaab MR, Barney BM, Francisco WA (январь 2006 г.). «Кинетические и спектроскопические исследования кверцетин-2,3-диоксигеназы из Bacillus subtilis». Биохимия . 45 (3): 1009–16. DOI : 10.1021 / bi051571c . PMID 16411777 . 
  13. ^ «Единственная супероксиддисмутаза Rhodobacter capsulatus - это камбиалистический марганецсодержащий фермент» . Jb.asm.org . Проверено 11 марта 2014 .
  14. ^ a b Марони MJ, Ciurli S (апрель 2014 г.). «Никелевые ферменты, не обладающие редоксом» . Химические обзоры . 114 (8): 4206–28. DOI : 10.1021 / cr4004488 . PMC 5675112 . PMID 24369791 .  
  15. ^ a b Бур Дж. Л., Малруни С. Б., Хаусингер Р. П. (февраль 2014 г.). «Никельзависимые металлоферменты» . Архивы биохимии и биофизики . 544 : 142–52. DOI : 10.1016 / j.abb.2013.09.002 . PMC 3946514 . PMID 24036122 .  
  16. ^ a b Fetzner S (ноябрь 2002 г.). «Оксигеназы без потребности в кофакторах или ионах металлов». Прикладная микробиология и биотехнология . 60 (3): 243–57. DOI : 10.1007 / s00253-002-1123-4 . PMID 12436305 . 
  17. ^ Bugg TD (сентябрь 2003). «Ферменты диоксигеназы: каталитические механизмы и химические модели». Тетраэдр . 59 (36): 7075–7101. DOI : 10.1016 / S0040-4020 (03) 00944-X .
  18. ^ Pilotte л, Larrieu Р, Stroobant В, D Colau, Dolusic Е, Frederick R, Де Plaen Е, Uyttenhove С, Вутерс Дж, Masereel В, ван ден Eynde BJ (февраль 2012). «Обращение противоопухолевой иммунной резистентности путем ингибирования триптофан-2,3-диоксигеназы» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 109 (7): 2497–502. DOI : 10.1073 / pnas.1113873109 . PMC 3289319 . PMID 22308364 .  
  19. ^ Мураками Y, Хоши М, Имамура Y, Arioka Y, Y Ямамото, Саито К (2013). «Замечательная роль индоламин-2,3-диоксигеназы и метаболитов триптофана в инфекционных заболеваниях: потенциальная роль в опосредованных макрофагами воспалительных заболеваниях» . Медиаторы воспаления . 2013 : 391984. дои : 10,1155 / 2013/391984 . PMC 3588179 . PMID 23476103 .  
  20. ^ Sublette ME, Postolache TT (сентябрь 2012 г.). «Нейровоспаление и депрессия: роль индоламин-2,3-диоксигеназы (IDO) как молекулярный путь». Психосоматическая медицина . 74 (7): 668–72. DOI : 10.1097 / PSY.0b013e318268de9f . PMID 22923699 . 
  21. ^ Voet D, Voet JG (2011). Биохимия (4-е изд.). Хобокен, Нью-Джерси: Джон Уайли и сыновья. п. 1045. ISBN 0470917458.
  22. ^ Форнпхуткул C, Introne WJ, Перри МБ, Бернардини I, Мерфи MD, Фитцпатрик Д.Л., Андерсон П.Д., Хейзинг М., Аникстер Y, Гербер LH, Гал WA (декабрь 2002 г.). «Естественная история алкаптонурии». Медицинский журнал Новой Англии . 347 (26): 2111–21. DOI : 10.1056 / NEJMoa021736 . PMID 12501223 . 
  23. ↑ Perry TL, Norman MG, Yong VW, Whiting S, Crichton JU, Hansen S, Kish SJ (октябрь 1985 г.). «Болезнь Халлервордена-Шпатца: накопление цистеина и дефицит цистеиндиоксигеназы в бледном шаре». Анналы неврологии . 18 (4): 482–9. DOI : 10.1002 / ana.410180411 . PMID 4073841 .