stringtranslate.com

Пероксидаза марганца

В энзимологии пероксидаза марганца ( КФ 1.11.1.13 ) — это фермент , катализирующий химическую реакцию

2 Mn(II) + 2 H + + H 2 O 2 2 Mn(III) + 2 H 2 O

Тремя субстратами этого фермента являются Mn(II), H + и H2O2 , тогда как его двумя продуктами являются Mn (III) и H2O .

Этот фермент принадлежит к семейству оксидоредуктаз , а точнее, к тем, которые действуют на пероксид в качестве акцептора (пероксидазы). Систематическое название этого класса ферментов — Mn(II): оксидоредуктаза перекиси водорода . Другие общеупотребительные названия включают пероксидазу-M2 и Mn-зависимую (NADH-окисляющую) пероксидазу . Он использует один кофактор , гем . Для активности этому ферменту необходим Ca 2+ .

Грибы белой гнили выделяют этот фермент, способствующий разложению лигнина .

Открытие и характеристика

Пероксидаза марганца (обычно называемая MnP) была открыта в 1985 году одновременно исследовательскими группами Майкла Х. Голда [1] и Рональда Кроуфорда [2] в грибке Phanerochaete chrysosporium . Белок был генетически секвенирован в P. chrysoporium в 1989 году. [3] Считается, что этот фермент уникален для Basidiomycota , поскольку до сих пор не найдено ни одного вида бактерий , дрожжей или плесени , который бы его естественным образом производил.

Механизм реакции

Эскиз механизма пероксидазы марганца, показывающий начальное состояние, комплекс пероксида железа и соединения I и II. Здесь кофактор гема представлен через комплекс железа с азотом. Радикал оксопорфирина Fe(IV) резонирует по всему гему.

MnP катализ происходит в серии необратимых окислительно-восстановительных ( редокс ) реакций, которые следуют механизму пинг-понга с кинетикой второго порядка . [4] На первом этапе каталитического цикла H 2 O 2 или органический пероксид попадает в активный центр MnP. Там кислород в H 2 O 2 связывается с ионом Fe(III) в кофакторе гема, образуя комплекс пероксида железа. Два электрона переносятся от Fe 3+ к пероксиду, разрывая связь кислород-пероксид с образованием H 2 O и оксопорфиринового радикального комплекса Fe(IV) . Этот окисленный промежуточный продукт известен как соединение MnP I. Затем соединение MnP I связывается с монохелатированным ионом Mn(II), который отдает электрон для гашения радикала и образования соединения Mn(III) и MnP II, оксопорфиринового комплекса Fe(IV). Соединение MnP II окисляет другой ион Mn(II) до Mn(III) и восстанавливается в результате реакции двух ионов H+ и связанного с железом кислорода. Это преобразует ион Fe(III) в гем и высвобождает вторую молекулу воды. [5] Существует много отклонений от этого традиционного каталитического цикла. Соединение MnP I может быть использовано для окисления свободного Mn(II), ферроцианида , а также фенолов и других ароматических соединений . [6]

Хелаторы

Mn(III) нестабилен в водной среде, поэтому MnP высвобождает его в виде хелата Mn(III) -карбоновой кислоты . Существует множество хелаторов карбоновых кислот, включая оксалат , малонат , тартрат и лактат , однако оксалат является наиболее распространенным. Структура пероксидазы благоприятствует хелатам Mn(III) по сравнению со свободными ионами Mn(III). Хелат Mn(III) взаимодействует с активным центром, облегчая высвобождение продукта из фермента. [7] Хелатор может оказывать влияние на кинетическую скорость и даже на катализируемую реакцию. Если субстрат Mn(II) хелатирован с лактатом, MnP вместо этого катализирует выделение O 2 . Однако эта побочная реакция мало влияет на ферментативную активность, поскольку она следует более медленной кинетике третьего порядка. [4]

Структурные исследования

Структура марганцевой пероксидазы. Связанные ионы марганца и кальция выделены фиолетовым и розовым цветом соответственно.

По состоянию на конец 2007 года было решено 6 структур этого класса ферментов с кодами доступа PDB 1MN1, 1MN2, 1YYD, 1YYG, 1YZP и 1YZR.

Хотя MnP, как и другие лигнинпероксидазы , является пероксидазой II класса , она имеет третичную структуру, похожую на прокариотические пероксидазы I класса, но содержит дисульфидные мостики , как пероксидазы III класса в растениях. [8] MnP имеет глобулярную структуру, содержащую 11-12 α-спиралей, в зависимости от вида, в котором она производится. Она стабилизирована 10 остатками аминокислот цистина , которые образуют 5 дисульфидных мостиков, один из которых находится вблизи С-концевой области. Активный центр содержит кофактор гема, который связан двумя ионами Ca2 + , одним выше и одним ниже гема. Рядом с внутренним пропионатом гема находятся три кислотных остатка, которые используются для стабилизации Mn(II) или Mn(III), когда он связан с ферментом. Конкретные остатки различаются между видами, но их количество и относительное расположение в свернутом белке сохраняются. В MnP P. chrysosoporium содержится в общей сложности 357 аминокислотных остатков , и аналогичное количество в ферментах, продуцируемых другими базидиомицетами. [9]

Биохимическое значение

Основная функция ионов Mn(III), продуцируемых MnP, заключается в окислении и деградации лигнина. [10] Для этой цели базидиомицеты секретируют MnP, а не Mn(III), и фермент функционирует вне клетки гриба. Ионы Mn(III) из MnP могут напрямую окислять фенольные соединения в лигнине, но они также могут окислять некоторые органические соединения серы и ненасыщенные жирные кислоты . Это окисление образует тиильные и пероксильные радикалы, которые в присутствии O 2 могут окислять лигнин или реагировать с водой с образованием H 2 O 2 . [11] [12] Сам ион Mn 3+ может деградировать лигнин, катализируя алкил - арильные расщепления и окисление α-углерода в фенолах. [13]

Регулирование

Активность MnP контролируется посредством транскрипционной регуляции . MnP повышается за счет увеличения внеклеточной концентрации Mn(II) [14] и H 2 O 2. Было обнаружено, что повышенная концентрация O 2 и тепловой стресс также активируют MnP. [15]

Ссылки

  1. ^ Glenn JK, Gold MH (ноябрь 1985 г.). «Очистка и характеристика внеклеточной Mn(II)-зависимой пероксидазы из базидиомицета, разрушающего лигнин, Phanerochaete chrysosporium». Arch. Biochem. Biophys . 242 (2): 329–41. doi :10.1016/0003-9861(85)90217-6. PMID  4062285.
  2. ^ Paszcynski A, Huynh VB, Crawford R (август 1985 г.). «Ферментативная активность внеклеточной марганцево-зависимой пероксидазы из Phanerochaete chrysosporium». FEMS Microbiol. Lett . 29 (1–2): 37–41. doi : 10.1111/j.1574-6968.1985.tb00831.x .
  3. ^ Pribnow D, Mayfield MB, Nipper VJ, Brown JA, Gold MH (март 1989). «Характеристика кДНК, кодирующей пероксидазу марганца, из базидиомицета, разрушающего лигнин Phanerochaete chrysosporium». J. Biol. Chem . 264 (9): 5036–40. doi : 10.1016/S0021-9258(18)83695-X . PMID  2925681.
  4. ^ ab Wariishi H, Valli K, Gold MH (ноябрь 1992 г.). «Окисление марганца(II) пероксидазой марганца из базидиомицета Phanerochaete chrysosporium. Кинетический механизм и роль хелаторов». J. Biol. Chem . 267 (33): 23688–95. doi : 10.1016/S0021-9258(18)35893-9 . PMID  1429709.
  5. ^ Хофрихтер М (апрель 2002 г.). " Обзор: преобразование лигнина пероксидазой марганца (MnP). ". Ферментативная и микробная технология . 30 (4): 454–66. doi :10.1016/S0141-0229(01)00528-2.
  6. ^ Heinfling A, Ruiz-Dueñas FJ, Martínez MJ, Bergbauer M, Szewzyk U, Martínez AT (май 1998). "Исследование восстанавливающих субстратов пероксидаз, окисляющих марганец, из Pleurotus eryngii и Bjerkandera adusta". FEBS Lett . 428 (3): 141–6. Bibcode : 1998FEBSL.428..141H. doi : 10.1016/s0014-5793(98)00512-2 . PMID  9654123. S2CID  39842460.
  7. ^ Банки Л., Бертини I, Даль Поццо Л., Дель Конте Р., Тьен М. (июнь 1998 г.). «Мониторинг роли оксалатов в пероксидазе марганца». Биохимия . 37 (25): 9009–15. дои : 10.1021/bi972879+. ПМИД  9636044.
  8. ^ Welinder KG (июнь 1992 г.). " Суперсемейство растительных, грибковых и бактериальных пероксидаз ". Current Opinion in Structural Biology . 2 (3): 388–93. doi :10.1016/0959-440X(92)90230-5.
  9. ^ Мартинес А. (апрель 2002 г.). « Молекулярная биология и структура-функция лигнин-разрушающих гемовых пероксидаз ». Ферментная и микробная технология . 30 (4): 425–444. doi :10.1016/S0141-0229(01)00521-X.
  10. ^ Forrester IT, Grabski AC, Burgess RR, Leatham GF (декабрь 1988 г.). «Марганец, Mn-зависимые пероксидазы и биодеградация лигнина». Biochem. Biophys. Res. Commun . 157 (3): 992–9. doi :10.1016/S0006-291X(88)80972-0. PMID  3207431.
  11. ^ Wariishi H, Valli K, Renganathan V, Gold MH (август 1989). "Тиол-опосредованное окисление нефенольных модельных лигниновых соединений пероксидазой марганца Phanerochaete chrysosporium". J. Biol. Chem . 264 (24): 14185–91. doi : 10.1016/S0021-9258(18)71660-8 . PMID  2760063.
  12. ^ Капич AN, Йенсен KA, Хаммель KE (ноябрь 1999 г.). «Пероксильные радикалы — потенциальные агенты биодеградации лигнина». FEBS Lett . 461 (1–2): 115–9. Bibcode : 1999FEBSL.461..115K. doi : 10.1016/s0014-5793(99)01432-5 . PMID  10561507. S2CID  25335594.
  13. ^ Tuor U, Wariishi H, Schoemaker HE, Gold MH (июнь 1992 г.). «Окисление модельных соединений фенольного арилглицеринового бета-арилового эфира лигнина пероксидазой марганца из Phanerochaete chrysosporium : окислительное расщепление модельного соединения альфа-карбонила». Биохимия . 31 (21): 4986–95. doi :10.1021/bi00136a011. PMID  1599925.
  14. ^ Brown JA, Alic M, Gold MH (июль 1991 г.). «Транскрипция гена пероксидазы марганца у Phanerochaete chrysosporium: активация марганцем». J. Bacteriol . 173 (13): 4101–6. doi :10.1128/jb.173.13.4101-4106.1991. PMC 208059. PMID  2061289 . 
  15. ^ Li D, Alic M, Brown JA, Gold MH (январь 1995). «Регуляция транскрипции гена пероксидазы марганца перекисью водорода, химическим стрессом и молекулярным кислородом». Appl. Environ. Microbiol . 61 (1): 341–5. Bibcode :1995ApEnM..61..341L. doi :10.1128/AEM.61.1.341-345.1995. PMC 167287 . PMID  7887613. 

Дальнейшее чтение