Диоксигеназы представляют собой ферменты оксидоредуктазы . Аэробная жизнь , от простых видов одноклеточных бактерий до сложных эукариотических организмов, эволюционировала и стала зависеть от окислительной способности дикислорода в различных метаболических путях. От генерации энергетического аденозинтрифосфата (АТФ) до разложения ксенобиотиков , использование дикислорода 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 проводимой реакции.
В монооксигеназах только один атом дикислорода включается в субстрат, а другой восстанавливается до молекулы воды. Диоксигеназы ( КФ 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 достижения этого используются различные схемы кофакторов . Например, в α-кетоглутарат -зависимых ферментах один атом дикислорода включен в два субстрата, один из которых всегда представляет собой α-кетоглутарат, и эта реакция осуществляется моноядерным центром железа.
Наиболее широко наблюдаемым кофактором, участвующим в реакциях диоксигенирования, 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 моноядерный железный центр, те, которые содержат кластер Риске [2Fe-2S] и те, которые используют простетическую группу гема .
Мононуклеарные диоксигеназы железа или негемовые железозависимые диоксигеназы, как их еще называют, все используют одно каталитическое железо для включения одного или обоих атомов дикислорода в субстрат. Несмотря на это обычное явление оксигенации, мононуклеарные диоксигеназы железа различаются по тому, как активация дикислорода используется для стимулирования определенных химических реакций. [1] Например, разрыв связи углерод-углерод, гидроперекисное окисление жирных кислот, разрыв связи углерод-сера и окисление тиола — все это реакции, катализируемые моноядерными диоксигеназами железа. [1] [2] [3]
Большинство мононуклеарных диоксигеназ железа являются членами суперсемейства купинов , в котором общая структура домена описывается как шестицепочечная β-бочкообразная складка (или мотив желеобразного рулета ). В центре этой бочкообразной структуры находится ион металла, чаще всего двухвалентного железа, координационное окружение которого часто обеспечивается остатками двух частично консервативных структурных мотивов: G(X) 5 HXH(X) 3–4 E(X) 6 G и G(X) 5 - 7 PXG(X) 2 H(X) 3 Н. [4] [5]
Двумя важными группами мононуклеарных негемовых диоксигеназ железа являются катехолдиоксигеназы и 2-оксоглутарат (2OG)-зависимые диоксигеназы . [6] Катехолдиоксигеназы , некоторые из наиболее хорошо изученных ферментов диоксигеназы, используют дикислород для расщепления углерод-углеродной связи в кольцевой системе ароматического катехола . [4] Катехолдиоксигеназы далее классифицируются как «экстрадиол» или «интрадиол», и это различие основано на механистических различиях в реакциях (рис. 1 и 2). Ферменты интрадиола расщепляют углерод-углеродную связь между двумя гидроксильными группами. Активный центр железа координируется четырьмя белковыми лигандами — двумя гистидиновыми и двумя тирозинатными остатками — по тригонально-бипирамидальному принципу, причем пятое координационное место занимает молекула воды. [3] Как только катехолатный субстрат связывается с металлическим центром бидентатным образом через депротонированные гидроксильные группы, трехвалентное железо «активирует» субстрат посредством отрыва электрона для образования радикала на субстрате. Затем это позволяет осуществить реакцию с дикислородом и последующее расщепление итрадиола 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 железистым центром, это способствует связыванию дикислорода и последующей активации. [2] [4] [7] Затем эта активированная форма кислорода вступает в реакцию с субстратом, в конечном итоге расщепляя углерод-углеродную связь, прилегающую к гидроксильным группам, посредством образования промежуточного соединения α-кетолактона. [3]
В 2OG-зависимых диоксигеназах двухвалентное железо ( Fe(II) ) также координируется мотивом (His)2(Glu/Asp)1 «лицевой триады». 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 плохо изученное превращение, во время которого 2OG окислительно декарбоксилируется до сукцината, а связь OO расщепляется с образованием промежуточного соединения Fe(IV)-оксо( феррил ). Этот мощный окислитель затем используется для проведения различных реакций, включая гидроксилирование, галогенирование и деметилирование. [8] В наиболее изученном случае гидроксилазы феррильное промежуточное соединение отрывает атом водорода от целевого положения субстрата, давая радикал субстрата и Fe(III)-OH. Затем этот радикал соединяется с гидроксидным лигандом, образуя гидроксилированный продукт и состояние покоя фермента Fe (II). [8]
Диоксигеназы Риске катализируют цис-дигидроксилирование аренов до продуктов цис-дигидродиолов. Эти ферменты широко распространены в почвенных бактериях, таких как Pseudomonas [ 3] , и их реакции представляют собой начальный этап биодеградации ароматических углеводородов. [2] Диоксигеназы Риске структурно более сложны, чем другие диоксигеназы, из-за необходимости эффективного пути переноса электронов (рис. 2) для обеспечения дополнительного одновременного двухэлектронного восстановления ароматического субстрата.
Каталитически компетентная диоксигеназа Риске состоит из трех компонентов: НАДН-зависимой FAD-редуктазы , ферредоксина с двумя [2Fe-2S] кластерами Риске и α3β3-оксигеназы, каждая α-субъединица которой содержит моноядерный центр железа и [2Fe-2S] Риске. кластер. [2] Внутри каждой α-субъединицы железо-серный кластер и моноядерный железный центр разделены расстоянием примерно 43 Å, что слишком далеко для эффективного переноса электронов . Вместо этого предполагается, что перенос электронов осуществляется через эти два центра в соседних субъединицах, при этом железо-серный кластер одной субъединицы переносит электроны в моноядерный центр железа соседней субъединицы, который удобно разделен на ~ 12 Å. Хотя это расстояние кажется оптимальным для эффективного переноса электронов, замена мостикового остатка аспартата приводит к потере функции фермента, что позволяет предположить, что перенос электронов вместо этого происходит через сеть водородных связей, удерживаемых этим остатком аспартата. [3]
Механистическая картина этого класса диоксигеназ еще не ясна, но есть доказательства, подтверждающие наличие гидроперокси-промежуточного соединения железа (III) в пути реакции. [7] Этот вид может представлять собой активный окислитель или может подвергаться гемолитическому разрыву связи OO с образованием промежуточного соединения железа (V)-оксо в качестве рабочего окислителя. [3] [7] Диоксигеназы Риске представляют собой мощный класс окислительно-восстановительных ферментов, и в дополнение к диоксигенированию сообщалось о таких реакциях, как сульфоксидирование, десатурация и бензильное окисление. [2]
Хотя большинство железозависимых диоксигеназ используют негемовый кофактор железа, окисление L-(и D-)триптофана до N-формилкинуренина катализируется либо триптофан-2,3-диоксигеназой (ТДО), либо индоламин-2,3-диоксигеназой . IDO), которые представляют собой гемодиоксигеназы, которые используют железо, координированное простетической группой гема B. [9] [10] Хотя эти диоксигеназы представляют интерес отчасти потому, что они уникальным образом 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 первоначальная ассоциация субстрата с дикислородом-железом в активном центре фермента происходит либо посредством радикального, либо электрофильного присоединения, требуя 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 Криги (рис. 4, 5). [9] [11]
Хотя железо на сегодняшний день является наиболее распространенным кофактором, используемым для ферментативного диоксигенирования, оно не требуется всем диоксигеназам для катализа. Кверцетин-2,3-диоксигеназа (кверцетиназа, QueD) катализирует диоксигенолитическое расщепление кверцетина до 2-протокатехоилфлороглюцинкарбоновой кислоты и монооксида углерода . [12] Наиболее охарактеризованный фермент из Aspergillus japonicus требует присутствия меди , [4] и были обнаружены бактериальные кверцетиназы, которые довольно беспорядочны (камбиалистичны) [13] в своих потребностях в металлическом центре с различной степенью активности. сообщалось о замещении двухвалентного марганца , кобальта , железа, никеля и меди. [12] (Кверцетин, роль в обмене веществ).Ациредуктон (1,2-дигидрокси-5-(метилтио)пент-1-ен-3-он)диоксигеназа (ARD) обнаружена как у прокариот , так и у эукариот . [4] [12] [14] Ферменты ARD большинства видов связывают двухвалентное железо и катализируют окисление ациредуктона до 4-(метилтио)-2-оксобутаноата, α-кетокислоты метионина и муравьиной кислоты . Однако ARD из Klebsiella oxytoca катализирует дополнительную реакцию при связывании никеля (II): вместо этого он образует 3-(метилтио) пропионат, формиат и окись углерода в результате реакции ациредуктона с дикислородом. Активность Fe-ARD тесно переплетена с путем утилизации 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 на пути спасения. Этот фермент K. oxytoca представляет собой уникальный пример того, как присутствующий ион металла определяет, какая реакция катализируется. Кверцетиназы и ферменты ARD являются членами суперсемейства купинов , к которому также принадлежат ферменты мононуклеарного железа. [15] Схема координации металлов для ферментов QueD представляет собой либо 3-His, либо 3-His-1-Glu, причем точное расположение зависит от организма. [4] Все ферменты ARD хелатируют каталитический металл (Ni или Fe) посредством мотива 3-His-1-Glu. [15] В этих диоксигеназах координирующие лиганды представлены обоими типичными купиновыми мотивами. В ферментах ARD металл существует в октаэдрическом расположении с тремя гистидиновыми остатками, образующими лицевую триаду. [14] Металлоцентры бактериальной кверцетиназы обычно имеют тригонально-бипирамидальную или октаэдрическую координационную среду, когда имеется четыре белковых лиганда; Металлические центры медь-зависимых ферментов QueD обладают искаженной тетраэдрической геометрией, в которой только три консервативных остатка гистидина обеспечивают координационные лиганды. [4] [12] Пустые координационные места во всех металлоцентрах заняты аквалигандами до тех пор, пока они не будут вытеснены поступающим субстратом.
Способность этих диоксигеназ сохранять активность в присутствии других металлов-кофакторов с широким диапазоном окислительно-восстановительных потенциалов позволяет предположить, что металлцентр не играет активной роли в активации дикислорода. Скорее, считается, что функция металлического центра заключается в удержании субстрата в правильной геометрии для его реакции с дикислородом. В этом отношении эти ферменты напоминают итрадиолкатехиндиоксигеназы , при которых металлоцентры активируют субстрат для последующей реакции с дикислородом.
Диоксигеназы, которые катализируют реакции без необходимости в кофакторе, встречаются в природе гораздо реже, чем те, которые в них нуждаются. Было показано , что 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 расщепление хинолоновых гетероциклов аналогично кверцетиндиоксигеназе , но, как полагают, опосредуют радикальную реакцию молекулы дикислорода с карбанионом на субстрате (рисунок 5). [17] И HDO, и QDO принадлежат к суперсемейству ферментов α/β-гидролаз , хотя каталитические остатки в HDO и QDO, по-видимому, не выполняют ту же функцию, что и в остальных ферментах суперсемейства α/β-гидролаз. . [16]
Разнообразие в семействе диоксигеназ означает широкий спектр биологических ролей: