ДМСО-редуктаза — это содержащий молибден фермент, который катализирует восстановление диметилсульфоксида (ДМСО) до диметилсульфида (ДМС). Этот фермент служит терминальной редуктазой в анаэробных условиях у некоторых бактерий, при этом ДМСО является терминальным акцептором электронов. В ходе реакции атом кислорода в ДМСО переносится на молибден, а затем восстанавливается до воды.
ДМСО-редуктаза (ДМСОР) и другие члены семейства ДМСО-редуктаз уникальны для бактерий и архей . Ферменты этого семейства в анаэробном окислительном фосфорилировании и литотрофном дыхании на основе неорганических доноров . Эти ферменты были разработаны для разложения оксоанионов. [1] [2] [3] ДМСОР катализирует перенос двух электронов и одного атома кислорода в реакции: Активный центр ДМСОР содержит молибден, который в остальном редко встречается в биологии. [2]
Как и для других членов семейства ДМСО-редуктаз, третичная структура DMSOR состоит из Mo-окружающих доменов I-IV, причем домен IV активно взаимодействует с пираноптериндитиоленовыми Mo-кофакторами (P- и Q-птерин) активного центра. [2] [3] Члены семейства ДМСО-редуктаз различаются по своим активным центрам. [3] В случае DMSOR центр Mo обнаружен в двух дитиоленах, предоставленных двумя пираноптериновыми кофакторами. Эти органические кофакторы, называемые молибдоптеринами , связаны с GMP для создания динуклеотидной формы. Дополнительным пятым колпачковым лигандом является боковая цепь O остатка серина-147, что дополнительно классифицирует фермент как ДМСО-редуктазу типа III. В типах I и II серин заменяется остатками цистеина и аспартата соответственно. В зависимости от окислительно-восстановительного состояния Mo, которое колеблется между IV, V или VI по мере протекания реакции, ядро Mo активного центра также может быть лигировано к атому кислорода аква-, гидроксо- или оксогруппы соответственно. Исследования показали, что конкретная идентичность аминокислоты, используемой для координации ядра Mo, значительно влияет на потенциал средней точки окислительно-восстановительного состояния Mo и состояние протонирования лигирования кислородной группы, которые являются ключевыми детерминантами в механизме фермента для катализа. [2]
Первоначальные изотопные исследования DMSO 18 установили механизм двойной оксотрансферазы для DMSOR R. sphaeroides . В этом механизме меченый O 18 переносится с субстрата на Mo, который затем переносит O 18 в 1,3,5-триаза-7-фосфаадамантан (PTA) с получением PTAO 18. [6] В аналогичном механизме DMSO переносит O в Mo, и полученный центр Mo(VI)O восстанавливается, давая воду. [7]
Исследования синтетических комплексов Mo бис- дитиолен предполагают, что перенос кислорода, перенос электронов. Используя S K-край XAS и DFT, эти модельные исследования указывают на согласованный разрыв SO и перенос электронов. Скорости пропорциональны уменьшению прочности связи субстрата XO и увеличению сродства протона субстрата. [8]
Рентгеновская кристаллография установила, что общая третичная структура фермента остается постоянной в ходе реакции. Однако несколько различных экспериментов, проведенных на DMSOR R. sphaeroides, сообщили о различных результатах для координационной активности четырех потенциальных дитиоленовых лигандов. В то время как одно исследование рентгеновской кристаллографии пришло к выводу об эквидистантной координации всех четырех лигандов Mo-S в окисленной форме, что подтверждается многочисленными исследованиями рентгеновской абсорбционной спектроскопии (XAS), другое исследование характеризовало асимметричные расстояния Mo-S. Оба исследования, а также исследования электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) предсказали, что активный центр Mo является очень гибким с точки зрения положения и степени потенциальных координаций лигандов. [7] [9]
Данные, предполагающие два значительно асимметричных кофактора пираноптерина, были использованы для предложения механизма реакции. В полностью окисленной форме Mo VI активного центра оксогруппа и сериновые лиганды были координированы на расстоянии 1,7 А от центра Mo. S1 и S2 P-птерина и S1 Q-птерина были расположены на расстоянии 2,4 А от Mo, а S2 Q-птерина была расположена на расстоянии 3,1 А. Эта асимметрия птерина может быть результатом транс-эффекта оксогруппы, ослабляющей связь S2-Mo, которая расположена прямо напротив оксогруппы. [7]
Напротив, структура полностью восстановленной формы Mo IV активного центра показала, что S1 и S2 P-птерин и S1 Q-птерин сохранили полную координацию, однако S2 Q-птерина сместился от металлического центра, что указывает на сниженную координацию. Этот сдвиг в длине связи лиганд-Mo согласуется с предложенным механизмом прямого переноса кислорода от субстрата DMSO к Mo. Более слабая координация дитиолена в восстановленной форме фермента может способствовать прямому связыванию S=O. При восстановлении Mo и протонировании оксогруппы предполагается, что источник электронов цитохрома может связываться с углублением над активным центром и напрямую восстанавливать центр Mo, или, в качестве альтернативы, этот цитохром может связываться с хорошо сольватированной полипептидной петлей вблизи Q-птерина, а Q-птерин может опосредовать этот перенос электронов. [7]
В R. sphaeroides DMSOR представляет собой односубъединичный водорастворимый белок, которому не требуются дополнительные кофакторы, кроме птерина. В E. coli DMSOR встроен в мембрану и имеет три уникальные субъединицы, одна из которых включает характерный кофактор птерина, другая содержит четыре кластера 4Fe:4S и конечную трансмембранную субъединицу, которая связывает и окисляет менахинол. Перенос e- из менахинола в кластеры 4Fe:4S и, наконец, в активный центр птерина-Mo создает протонный градиент, используемый для генерации АТФ. [7]
DMSOR регулируется преимущественно на уровне транскрипции. Он кодируется геном dor и экспрессируется при активации сигнальным каскадом, который находится под регуляцией белков DorS, DorR и DorC. Исследование слияний lacZ (репортерных генов) с соответствующими промоторами dorS, dorR и dorC пришло к выводу, что экспрессия DorR и DorC увеличивается в средах с пониженным содержанием кислорода, но экспрессия DorS не зависит от концентрации кислорода. Экспрессия DorC также увеличивается с увеличением концентрации ДМСО. [10]
DMS, продукт DMSOR, является компонентом цикла серы . DMS окисляется до метансульфонатов , которые вызывают конденсацию облаков над открытыми океанами, где альтернативный источник зародышеобразования, пыль, отсутствует. Образование облаков является ключевым компонентом в увеличении альбедо Земли и регулировании температуры атмосферы, поэтому этот фермент и реакция, которую он катализирует, могут оказаться полезными на переднем крае управления климатом. [11]
