Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Монооксигеназа в виде частиц
1yew opm.png
Идентификаторы
СимволpMMO
PfamPF02461
ИнтерПроIPR003393
OPM суперсемейство23
Белок OPM1 год
Доступные белковые структуры:
Pfam  структуры / ECOD  
PDBRCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumкраткое изложение структуры
PDB1ъев Ф: 2-246

Метанмонооксигеназа ( MMO ) - это фермент, способный окислять связь CH в метане, а также в других алканах . [1] Метанмонооксигеназа относится к классу ферментов оксидоредуктазы ( EC 1.14.13.25 ).

Существует две формы MMO: хорошо изученная растворимая форма (sMMO) и форма твердых частиц (pMMO) . [2] Активный центр в sMMO содержит дихелезный центр, соединенный атомом кислорода (Fe-O-Fe), тогда как в активном центре в pMMO используется медь. Структуры обоих белков были определены с помощью рентгеновской кристаллографии; однако расположение и механизм активного сайта в pMMO все еще плохо изучены и являются областью активных исследований.

Монооксигеназные частицы метана и связанный с монооксигеназным аммиаком являются интегральными мембранными белками, происходящим в метанотрофах и окислителях аммиака, соответственно, которые , как полагают, связаны. [3] Эти ферменты обладают относительно широкой субстратной специфичностью и могут катализировать окисление ряда субстратов, включая аммиак, метан, галогенированные углеводороды и ароматические молекулы. [4] Эти ферменты представляют собой гомотримеры, состоящие из 3 субъединиц - A ( InterPro :  IPR003393 ), B ( InterPro :  IPR006833 ) и C ( InterPro :  IPR006980 ), и большинство из них содержат два центра монокоппера. [5] [6]

Субъединица A из Methylococcus capsulatus (Bath) находится в основном внутри мембраны и состоит из 7 трансмембранных спиралей и бета-шпильки, которая взаимодействует с растворимой областью субъединицы B. Считается, что консервативный остаток глутамата вносит вклад в металлический центр. [5]

Метанмонооксигеназы обнаружены у метанотрофных бактерий , класса бактерий, которые существуют на границе аэробной (кислородсодержащей) и анаэробной (бескислородной) сред. Одной из наиболее широко изученных бактерий этого типа является Methylococcus capsulatus (Bath). Эта бактерия была обнаружена в горячих источниках в Бате, Англия . [7]

Системы растворимой метанмонооксигеназы (MMO) [ править ]

Метанотрофные бактерии играют важную роль в круговороте углерода через анаэробные отложения. Химия, лежащая в основе цикла, берет химически инертный углеводород, метан, и превращает его в более активную разновидность, метанол . Другие углеводороды окисляются MMO, поэтому новый катализатор гидроксилирования, основанный на понимании MMO-систем, возможно, мог бы более эффективно использовать мировые поставки природного газа. [8]

Это классическая монооксигеназная реакция, в которой два восстанавливающих эквивалента NAD (P) H используются для расщепления связи OO в O2. Один атом восстанавливается до воды путем восстановления 2 е, а второй включается в субстрат с образованием метанола: [9]

CH 4 + O 2 + NAD (P) H + H + -> CH 3 OH + NAD (P) + + H 2 O

Были обнаружены две формы MMO: растворимые и твердые . Наиболее охарактеризованные формы растворимых ММО содержат три белковых компонента: гидроксилазу, β-звено и редуктазу. Каждый из них необходим для эффективного гидроксилирования субстрата и окисления НАДН. [9]

Структура [ править ]

Состояние покоя, окисление и восстановленное состояние ядра дижелеза.

Рентгеновская кристаллография MMO показывает, что это димер, состоящий из трех субъединиц, α2β2γ2. Кристаллография с разрешением 2,2 A показывает, что MMO представляет собой относительно плоскую молекулу с размерами 60 x 100 x 120 A. Кроме того, вдоль границы раздела димеров проходит широкий каньон с отверстием в центре молекулы. Большинство протомеров включает спирали из субъединиц α и β без участия субъединицы γ. Кроме того, взаимодействия с протомерами напоминают взаимодействие димера белка рибонуклеотидредуктазы R2, напоминающего сердце. [10] [11]Каждое железо имеет шестикоординатную октаэдрическую среду. Центры биядерного железа расположены в субъединице α. Каждый атом железа также координирован с атомом гистидина δN, Fe 1 с His 147 и Fe 2 с His 246, Fe 1 лигирован с монодентатным карбоксилатом, Glu 114, полумостиковым кабоксилатом, Glu 144 и молекулой воды. . [8]

Субстрат должен связываться рядом с активным центром, чтобы реакция прошла. Рядом с центрами железа есть гидрофобные карманы. Считается, что здесь метан связывается и удерживается до тех пор, пока он не понадобится. По данным рентгеновской кристаллографии, прямого пути к этим пакетам нет. Однако небольшое изменение конформации в боковых цепях Phe 188 или The 213 может позволить доступ. [8] Это конформационное изменение может быть вызвано связыванием связывающего белка и активазы.

При уменьшении, один из лигандов карбоксилатов подвергает «1,2 карбоксилата» сдвиг сзади терминал монодентатного лиганда к мостиковому лиганду для двух утюгов, со вторым кислорода координированного Fe 2. В восстановленной форме MMOH красного , то лигандное окружение для Fe становится пятикоординированным, форма, которая позволяет кластеру активировать дикислород. [9] В этот момент два железа окислены до FeIV и изменились с низкоспинового ферромагнетика на высокоспиновый антиферромагнетик.

Предлагаемый каталитический цикл и механизм [ править ]

Предлагаемый каталитический цикл для MMO.

Из красного MMOH центры дижелеза реагируют с O 2 с образованием промежуточного соединения P. Это промежуточное соединение представляет собой разновидность перекиси, в которой атомы кислорода связаны симметрично, как показывают спектроскопические исследования. [12] Однако структура неизвестна. Промежуточный P затем превращается в промежуточный Q, который, как предполагалось, содержит два антиферромагнитно связанных высокоспиновых центра FeIV. [9] Это соединение Q с его алмазным ядром имеет решающее значение для окислителей MMO.

Предлагается два механизма взаимодействия соединения Q с алканом: радикальный и нерадикальный. Радикальный механизм начинается с отрыва атома водорода от субстрата с образованием QH (стадия, определяющая скорость), соединения Q с гидроксильным мостиком и свободного алкильного радикала. Нерадикальный механизм подразумевает согласованный путь, происходящий через переходное состояние с четырьмя центрами и ведущий к соединению «гидридо-алкил-Q». Начиная с 1999 г., исследования показывают, что окисление метана происходит по механизму связанных радикалов.

Было высказано предположение, что переходное состояние для радикального механизма включает торсионное движение гидроксильного ОН-лиганда до того, как метильный радикал сможет присоединиться к мостиковому гидроксильному лиганду с образованием спирта. По мере приближения радикала атом H алкана покидает компланарное трехкоординатное окружение O и изгибается вверх, создавая тетраэдрическое четырехкоординатное окружение O. [9]

Заключительный этап этой реакции - удаление спирта и регенерация катализаторов. Это может произойти несколькими способами. Это может быть ступенчатый механизм, который начинается с удаления спирта и промежуточного ядра Fe-O-Fe, а последнее может удалить воду и регенерировать фермент посредством 2e-восстановления. С другой стороны, он может начаться с 2e-восстановительного процесса соединения атома O1 с образованием молекулы воды с последующим удалением спирта и регенерацией фермента. Кроме того, возможно, что существует согласованный механизм, посредством которого удаление метанола происходит спонтанно с 2e- восстановлением мостикового центра O1 и регенерацией катализатора. [9]

См. Также [ править ]

  • Биоинорганическая химия
  • Оксигеназа
  • Система Шилова

Ссылки [ править ]

  1. ^ Сазинский, Мэтью Х .; Липпард, Стивен Дж. (2015). «Глава 6 Метанмонооксигеназа: функционализация метана в железе и меди ». В Питере М. Х. Кронеке и Марте Э. Соса Торрес (ред.). Поддержание жизни на планете Земля: металлоферменты, усваивающие кислород и другие жевательные газы . Ионы металлов в науках о жизни. 15 . Springer. С. 205–256. DOI : 10.1007 / 978-3-319-12415-5_6 . ISBN 978-3-319-12414-8. PMID  25707469 .
  2. ^ Росс, Мэтью O .; Розенцвейг, Эми К. (2017). «Сказка о двух монооксигеназах метана» . Джбич Журнал биологической неорганической химии . 22 (2–3): 307–319. DOI : 10.1007 / s00775-016-1419-у . PMC 5352483 . PMID 27878395 .  
  3. ^ Holmes AJ, Костелло A, Лидстрём ME, Мюррелл JC (1995). «Доказательства того, что твердые частицы метанмонооксигеназы и аммиачной монооксигеназы могут быть эволюционно связаны» . FEMS Microbiol. Lett . 132 (3): 203–208. DOI : 10.1111 / j.1574-6968.1995.tb07834.x . PMID 7590173 . 
  4. ^ Arp DJ, Sayavedra-Soto Л.А., Hommes Н.Г. (2002). «Молекулярная биология и биохимия окисления аммиака Nitrosomonas europaea». Arch. Microbiol . 178 (4): 250–255. DOI : 10.1007 / s00203-002-0452-0 . PMID 12209257 . S2CID 27432735 .  
  5. ^ a b Либерман RL, Розенцвейг AC (2005). «Кристаллическая структура мембраносвязанного металлофермента, который катализирует биологическое окисление метана». Природа . 434 (7030): 177–182. Bibcode : 2005Natur.434..177L . DOI : 10,1038 / природа03311 . PMID 15674245 . S2CID 30711411 .  
  6. ^ Росс, Мэтью O .; Макмиллан, Фрейзер; Ван, Цзинчжоу; Нисталь, Алекс; Лоутон, Томас Дж .; Олафсон, Барри Д.; Мэйо, Стивен Л .; Розенцвейг, Эми С.; Хоффман, Брайан М. (10 мая 2019 г.). «Частичная метанмонооксигеназа содержит только одноядерные центры меди» . Наука . 364 (6440): 566–570. DOI : 10.1126 / science.aav2572 . ISSN 0036-8075 . PMC 6664434 . PMID 31073062 .   
  7. ^ Далтон, Ховард; Уиттенбери, Роджер (август 1976 г.). «Метод восстановления ацетилена как анализ активности нитрогеназы в ванне штамма метанокисляющей бактерии Methylococcus capsulatus». Архив микробиологии . 109 (1): 147–151. DOI : 10.1007 / BF00425127 . S2CID 21926661 . 
  8. ^ a b c Розенцвейг AC, Фредерик CA, Lippard SJ, Nordlund P (1993). «Кристаллическая структура бактериальной негемной гидроксилазы железа, которая катализирует биологическое окисление метана». Природа . 366 (6455): 537–543. Bibcode : 1993Natur.366..537R . DOI : 10.1038 / 366537a0 . PMID 8255292 . S2CID 4237249 .  
  9. ^ a b c d e f Basch, Гарольд; и другие. (1999). «Механизм реакции превращения метана в метанол, катализируемой метанмоноксигеназой: исследование функции плотности». Варенье. Chem. Soc . 121 (31): 7249–7256. DOI : 10.1021 / ja9906296 .
  10. ^ Нордлунд Р, Шеберг БМ, Эклунд Н (1990). «Трехмерная структура свободнорадикального белка рибонуклеотидредуктазы». Природа . 345 (6276): 593–598. Bibcode : 1990Natur.345..593N . DOI : 10.1038 / 345593a0 . PMID 2190093 . S2CID 4233134 .  
  11. ^ Нордлунд Р, Эклунд Н (1993). «Структура и функция белка R2 рибонуклеотидредуктазы Escherichia coli». J. Mol. Биол . 232 (1): 123–164. DOI : 10.1006 / jmbi.1993.1374 . PMID 8331655 . 
  12. ^ Лю К.Е., Валентайн А.М., Цю Д., Эдмондсон Д.Е., Аппельман Э.Х., Спиро Т.Г., Липпард С.Дж. (1995). «Характеристика промежуточного соединения пероксида диирона (III) в реакционном цикле метанмонооксигеназы гидроксилазы из Methylococcus capsulatus (Bath)». Журнал Американского химического общества . 117 (17): 4997–4998. DOI : 10.1021 / ja00122a032 .

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Фраусто да Силва JJ, Уильямс RJ (2008). Биологическая химия элементов: неорганическая химия жизни (2-е изд.). Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN 978-0-19-850848-9.

Внешние ссылки [ править ]

  • UMich Ориентация белков в мембранах protein / pdbid-1yew
  • метан + монооксигеназа в предметных рубриках по медицинским предметам Национальной медицинской библиотеки США (MeSH)
Эта статья включает текст из общественного достояния Pfam и InterPro : IPR003393