Дегидрогеназа окиси углерода - Carbon monoxide dehydrogenase
| угарный газ дегидрогеназа (акцептор) | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Идентификаторы | |||||||||
| ЕС нет. | 1.2.7.4 | ||||||||
| № CAS | 64972-88-9 | ||||||||
| Базы данных | |||||||||
| IntEnz | Просмотр IntEnz | ||||||||
| BRENDA | BRENDA запись | ||||||||
| ExPASy | Просмотр NiceZyme | ||||||||
| КЕГГ | Запись в KEGG | ||||||||
| MetaCyc | метаболический путь | ||||||||
| ПРИАМ | профиль | ||||||||
| Структуры PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
| Генная онтология | Amigo / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
В энзимологии , окись углерода дегидрогеназа (CODH) ( ЕС 1.2.7.4 ) представляет собой фермент , который катализирует в химическую реакцию
- CO + H 2 O + A CO 2 + AH 2
Химический процесс, катализируемый дегидрогеназой монооксида углерода, называется реакцией конверсии водяного газа .
Тремя субстратами этого фермента являются CO , H 2 O и A, а двумя его продуктами являются CO 2 и AH 2 .
Множество доноров / приемников электронов (обозначенных как «A» и «AH 2 » в приведенном выше уравнении реакции) наблюдаются у микроорганизмов, которые используют CODH. Несколько примеров кофакторов переноса электрона включают ферредоксин , NADP + / NADPH и флавопротеиновые комплексы, такие как флавинадениндинуклеотид (FAD). Дегидрогеназы монооксида углерода поддерживают метаболизм различных прокариот, включая метаногены , аэробные карбоксидотрофы, ацетогены, сульфатредукторы и гидрогеногенные бактерии. Двунаправленная реакция, катализируемая CODH, играет роль в углеродном цикле, позволяя организмам использовать CO как источник энергии и CO 2 как источник углерода. CODH может образовывать монофункциональный фермент, как в случае Rhodospirillum rubrum , или может образовывать кластер с ацетил-CoA-синтазой, как было показано на M.thermoacetica . При совместном действии либо в качестве структурно независимых ферментов, либо в бифункциональной единице CODH / ACS, два каталитических сайта являются ключевыми для фиксации углерода в восстановительном пути ацетил-CoA. Микробные организмы (как аэробные, так и анаэробные ) кодируют и синтезируют CODH для этой цели. фиксации углерода (окисление CO и восстановление CO 2 ). В зависимости от присоединенных дополнительных белков (A, B, C, D-кластеры) они выполняют множество каталитических функций, включая восстановление кластеров [4Fe-4S] и внедрение никеля.
Этот фермент принадлежит к семейству оксидоредуктаз , особенно тех, которые действуют на альдегидную или оксогруппу донора с другими акцепторами. Систематическое название этого фермента класса представляет собой углерод-окись: акцептор оксидоредуктаза. Другие широко используемые названия включают анаэробную дегидрогеназу монооксида углерода, оксигеназу монооксида углерода, дегидрогеназу монооксида углерода и оксидоредуктазу монооксида углерода: (акцепторную).
Классы
Аэробные карбоксидотрофные бактерии используют флавоэнзимы медь-молибден. Анаэробные бактерии используют CODH на основе никеля и железа из-за их чувствительности к кислороду. CODH, содержащий активный центр Mo- [2Fe-2S] -FAD, был обнаружен у аэробных бактерий, в то время как особый класс ферментов Ni- [3Fe-4S] CODH был очищен от анаэробных бактерий. Оба класса CODH катализируют обратимое превращение между диоксидом углерода (CO 2 ) и монооксидом углерода (CO). CODH существует как в монофункциональной, так и в бифункциональной формах. В последнем случае CODH образует бифункциональный кластер с ацетил-CoA-синтазой , что хорошо охарактеризовано у анаэробных бактерий Moorella thermoacetica .
Состав
Гомодимерный Ni-CODH состоит из пяти комплексов металлов, называемых кластерами. Каждый из них отличается индивидуальной координационной геометрией , присутствием никеля и расположением активного центра либо в субъединице α, либо в β. Несколько исследовательских групп предложили кристаллические структуры для α 2 β 2 тетрамерного фермента CODH / ACS из ацетогенных бактерий M. thermoacetica , включая два недавних примера с 2009 года: 3I01 2Z8Y . Две β-единицы являются участком активности CODH и образуют центральное ядро фермента. Всего фермент 310 кДа содержит семь кластеров железо-сера [4Fe-4S]. Каждая α-единица содержит один металлический кластер. Вместе две β-единицы содержат пять кластеров трех типов. Каталитическая активность CODH проявляется в Ni- [3Fe-4S] C-кластерах, в то время как внутренние [4Fe-4S] B и D кластеры переносят электроны от C-кластера к внешним переносчикам электронов, таким как ферредоксин . Активность ACS происходит в A-кластере, расположенном в двух внешних α единицах.
Примечательной особенностью M. thermoacetica CODH / ACS является внутренний газовый туннель, соединяющий несколько активных центров. Полная роль газового канала в регулировании скорости каталитической активности все еще является предметом исследования, но несколько исследований подтверждают мнение о том, что молекулы CO действительно перемещаются непосредственно от C-кластера к активному центру ACS, не покидая фермента. Например, на скорость активности ацетил-КоА-синтазы в бифункциональном ферменте не влияет добавление гемоглобина, который будет конкурировать за CO в нерасфасованном растворе, а исследования изотопного мечения показывают, что предпочтительно используется монооксид углерода, полученный из C-кластера. в A-кластере над немеченым CO в растворе. Белковая инженерия CODH / ACS в M.thermoacetica показала, что мутирующие остатки, функционально блокирующие туннель, останавливают синтез ацето-КоА, когда присутствует только CO 2 . Открытие функционального туннеля CO помещает CODH в растущий список ферментов, которые независимо развили эту стратегию для переноса реактивных промежуточных продуктов с одного активного сайта на другой.
Механизмы реакции
Окислительный
Каталитический сайт CODH, называемый C-кластером, представляет собой кластер [3Fe-4S], связанный с фрагментом Ni-Fe. Две основные аминокислоты (Lys587 и His 113 в M.thermoacetica ) находятся в непосредственной близости от С-кластера и способствуют химии кислотно-основных соединений, необходимой для активности фермента. Основываясь на ИК-спектрах, предполагающих присутствие комплекса Ni-CO, предлагаемая первая стадия окислительного катализа CO до CO 2 включает связывание CO с Ni 2+ и соответствующее комплексообразование Fe 2+ с молекулой воды.
Связывание молекулы CO вызывает сдвиг в координации атома Ni от плоско-квадратной до квадратно-пирамидальной геометрии. Доббек и др. далее предполагают, что перемещение цистеинового лиганда атома никеля приводит CO в непосредственную близость к гидроксильной группе и способствует нуклеофильной атаке, катализируемой основанием, связанной с железом гидроксильной группой. Карбоксильный мостик между атомами Ni и Fe был предложен в качестве промежуточного соединения. Декарбоксилирование приводит к высвобождению CO 2 и восстановлению кластера. Хотя итоговая промежуточная степень окисления Ni и степень, в которой электроны распределены по кластеру Ni- [3Fe-4S], являются предметом некоторых дискуссий, электроны в восстановленном C-кластере переносятся в соседние B и D [4Fe]. -4S], возвращая Ni- [3Fe-4S] C-кластер в окисленное состояние и восстанавливая одноэлектронный носитель ферредоксин .
Восстановительный
Учитывая роль CODH в связывании CO 2 , в литературе по биохимии принято считать, что восстановительный механизм является «прямым обратным» окислительному механизму по «принципу микрообратимости». В процессе восстановления диоксида углерода С-кластер фермента должен сначала быть активирован из окисленного в восстановленное состояние, прежде чем образуется связь Ni-CO 2 .
Экологическая значимость
Дегидрогеназа монооксида углерода тесно связана с регулированием уровней CO и CO 2 в атмосфере , поддерживая оптимальные уровни CO, подходящие для других форм жизни. Микробные организмы полагаются на эти ферменты как для сохранения энергии, так и для фиксации CO 2 . Часто кодирование и синтез нескольких уникальных форм CODH для использования по назначению. Дальнейшие исследования конкретных типов CODH показывают, что CO используется и конденсируется с CH 3 ( метиловыми группами ) с образованием ацетил-CoA. Анаэробные микроорганизмы, такие как ацетогены, проходят путь Вуда-Люнгдаля , полагаясь на CODH для производства CO путем восстановления CO 2, необходимого для синтеза ацетил-CoA из метила, кофермента a (CoA) и корриноидного железо-серного белка . Другие типы показывают, что CODH используется для создания движущей силы протона с целью выработки энергии. CODH используется для окисления CO, в результате чего образуются два протона, которые впоследствии восстанавливаются с образованием дигидрогена (H 2 , в просторечии известного как молекулярный водород ), обеспечивающего необходимую свободную энергию для генерации АТФ.
использованная литература
дальнейшее чтение
- Дреннан С.Л., Хео Дж., Синчак, доктор медицины, Шрайтер Э., Лудден П.В. (октябрь 2001 г.). «Жизнь на окиси углерода: рентгеновская структура дегидрогеназы окиси углерода Rhodospirillum rubrum Ni-Fe-S» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 98 (21): 11973–8. Bibcode : 2001PNAS ... 9811973D . DOI : 10.1073 / pnas.211429998 . PMC 59822 . PMID 11593006 .
- Чжон Дж. Х., Мартинс Б. М., Доббек Х (2019). «Дегидрогеназы окиси углерода». В Ху Y (ред.). Металлопротеины . Методы молекулярной биологии. +1876 . Нью-Йорк: Спрингер. С. 37–54. DOI : 10.1007 / 978-1-4939-8864-8_3 . ISBN 9781493988631. PMID 30317473 .
- Чжон Дж. Х., Доббек Х (ноябрь 2007 г.). «Активация углекислого газа на Ni, Fe-кластере анаэробной дегидрогеназы монооксида углерода». Наука . Американская ассоциация развития науки. 318 (5855): 1461–4. Bibcode : 2007Sci ... 318.1461J . DOI : 10.1126 / science.1148481 . JSTOR 20051712 . PMID 18048691 . S2CID 41063549 .
- Доббек Х., Светличный В., Гремер Л., Хубер Р., Мейер О. (август 2001 г.). «Кристаллическая структура дегидрогеназы монооксида углерода выявляет кластер [Ni-4Fe-5S]». Наука . 293 (5533): 1281–5. Bibcode : 2001Sci ... 293.1281D . DOI : 10.1126 / science.1061500 . PMID 11509720 . S2CID 21633407 .* Hegg EL (октябрь 2004 г.). «Раскрытие структуры и механизма ацетил-кофермент А-синтазы». Счета химических исследований . 37 (10): 775–83. DOI : 10.1021 / ar040002e . PMID 15491124 . S2CID 29401674 .*
- Ху З., Спанглер Нью-Джерси, Андерсон М.Э., Ся Дж., Лудден П.В., Линдаль П.А., Мюнк Э. (01.01.1996). «Природа С-кластера в никель-содержащих дегидрогеназах окиси углерода». Журнал Американского химического общества . 118 (4): 830–845. DOI : 10.1021 / ja9528386 . ISSN 0002-7863 .
- Варфоломей GW, Александр М (май 1979). «Микробный метаболизм окиси углерода в культуре и почве» . Прикладная и экологическая микробиология . 37 (5): 932–7. Bibcode : 1979ApEnM..37..932B . DOI : 10,1128 / AEM.37.5.932-937.1979 . PMC 243327 . PMID 485139 .
