Метанмонооксигеназа
| Твердая метанмонооксигеназа | |||
|---|---|---|---|
 | |||
| Идентификаторы | |||
| Символ | пММО | ||
| Пфам | PF02461 | ||
| ИнтерПро | ИПР003393 | ||
| Суперсемейство OPM | 23 | ||
| белок OPM | 1 глаз | ||
| |||
Метанмонооксигеназа ( ММО ) – фермент, способный окислять связь CH в метане, а также в других алканах . [1] Метанмонооксигеназа относится к классу ферментов оксидоредуктаз ( КФ 1.14.13.25 ).
Существует две формы ММО: хорошо изученная растворимая форма (sMMO) и дисперсная форма (pMMO) . [2] Активный центр sMMO содержит дижелезный центр, связанный атомом кислорода (Fe-O-Fe), тогда как в активном центре pMMO используется медь. Структуры обоих белков определены методом рентгеновской кристаллографии; однако расположение и механизм активного сайта pMMO все еще плохо изучены и являются областью активных исследований.
Метанмонооксигеназа в виде частиц и родственная ей аммиачная монооксигеназа представляют собой интегральные мембранные белки, встречающиеся у метанотрофов и окислителей аммиака соответственно, которые считаются родственными. [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 мономедных центра. [5] [6]
Субъединица А Mmethylococcus capsulatus (Bath) расположена преимущественно внутри мембраны и состоит из 7 трансмембранных спиралей и бета-шпильки, которая взаимодействует с растворимой областью субъединицы B. Считается, что консервативный остаток глутамата способствует образованию металлического центра. [5]
Метанмонооксигеназы обнаружены у метанотрофных бактерий — класса бактерий, существующих на границе аэробной (кислородсодержащей) и анаэробной (лишённой кислорода) сред. Одной из наиболее широко изученных бактерий этого типа является Mmethylococcus capsulatus (Bath). Эта бактерия была обнаружена в горячих источниках Бата , Англия . [7] Примечательно, что строго анаэробные метанотрофы также могут содержать метанмонооксигеназы, хотя в генах существуют критические несоответствия, которые препятствуют обычных праймеров , ищущих метанотрофы. совпадению [8]
метанмонооксигеназы растворимой Системы
Метанотрофные бактерии играют важную роль в круговороте углерода через анаэробные отложения. Химия, лежащая в основе цикла, берет химически инертный углеводород, метан, и преобразует его в более активную разновидность, метанол . Другие углеводороды окисляются ММО, поэтому новый катализатор гидроксилирования, основанный на понимании систем ММО, возможно, позволит более эффективно использовать мировые запасы природного газа. [9]
Это классическая монооксигеназная реакция, в которой два восстанавливающих эквивалента НАД(Ф)Н используются для расщепления ОО-связи О2. Один атом восстанавливается до воды путем 2-е-восстановления, а второй внедряется в субстрат с образованием метанола: [10]
СН 4 + О 2 + НАД(Ф)Н + Н + -> СН 3 ОН + НАД(Ф) + + Н 2 О
Были обнаружены две формы ММО: растворимая и дисперсная . Наиболее охарактеризованные формы растворимой ММО содержат три белковых компонента: гидроксилазу, β-единицу и редуктазу. Каждый из которых необходим для эффективного гидроксилирования субстрата и окисления НАДН. [10]
Структура [ править ]
Рентгеновская кристаллография ММО показывает, что это димер, состоящий из трех субъединиц α2β2γ2. Кристаллография с разрешением 2,2 А показывает, что ММО представляет собой относительно плоскую молекулу размерами 60 х 100 х 120 А. Кроме того, вдоль границы раздела димера проходит широкий каньон с отверстием в центре молекулы. Большая часть протомеров включает спирали субъединиц α и β без участия субъединицы γ. Кроме того, взаимодействие с протомерами напоминает взаимодействие димера белка рибонуклеотидредуктазы R2, напоминающее сердце. [11] [12] Каждое железо имеет шестикоординатное октаэдрическое окружение. Биядерные центры железа расположены в α-субъединице. Каждый атом железа также координирован с атомом гистидина δN, Fe 1 с His 147 и Fe 2 с His 246, Fe 1 связан с монодентатным карбоксилатом Glu 114, полумостиковым карбоксилатом Glu 144 и молекулой воды. . [9]
Для того чтобы реакция имела место, субстрат должен связываться вблизи активного центра. Рядом с железными центрами имеются 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 не существует. Однако небольшое изменение конформации боковых цепей Phe 188 или The 213 может открыть доступ. [9] Это конформационное изменение может быть вызвано связыванием связывающего белка и активазы.
При восстановлении один из карбоксилатных лигандов претерпевает «1,2-карбоксилатный» сдвиг позади терминального монодентатного лиганда к мостиковому лиганду для двух железо, при этом второй кислород координируется с Fe 2 . В восстановленной форме red MMOH Лигандная среда для Fe фактически становится пятикоординированной, формой, которая позволяет кластеру активировать дикислород. [10] Два железа в этот момент окисляются до FeIV и превращаются из низкоспинового ферромагнетика в высокоспиновый антиферромагнетик .
цикл и Предлагаемый механизм каталитический
Из MMOH red центры дижелеза реагируют с O 2 с образованием промежуточного соединения P. Это промежуточное соединение представляет собой разновидность пероксида, в которой атомы кислорода связаны симметрично, как показали спектроскопические исследования. [13] Однако структура неизвестна. Промежуточное соединение P затем превращается в промежуточное соединение Q, которое, как предполагалось, содержит два антиферромагнитно связанных высокоспиновых центра FeIV. [10] Это соединение Q, структура которого является предметом дискуссий, имеет решающее значение для окисляющих частиц ММО. [14] [15] [16]
Предполагается два механизма реакции между соединением Q и 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, протекающий через четырехцентровое переходное состояние и ведущий к соединению «гидридо-алкил-Q». По состоянию на 1999 год исследования показывают, что окисление метана протекает по связанно-радикальному механизму.
Было высказано предположение, что переходное состояние радикального механизма включает торсионное движение гидроксильного ОН-лиганда до того, как метиловый радикал сможет присоединиться к мостиковому гидроксильному лиганду с образованием спирта. По мере приближения радикала атом H алкана покидает копланарное трехкоординатное окружение O и изгибается вверх, образуя тетраэдрическое тетракоординатное окружение O. [10]
Последним этапом этой реакции является удаление спирта и регенерация катализаторов. Это может произойти несколькими способами. Это может быть поэтапный механизм, который начинается с удаления спирта и промежуточного ядра Fe-O-Fe, а последнее может удалить воду и регенерировать фермент посредством восстановления 2e-. С другой стороны, он может начаться с процесса 2e-восстановления мостикового атома O1 с образованием молекулы воды, за которым следует удаление спирта и регенерация фермента. Кроме того, возможно, существует согласованный механизм, при котором отщепление метанола происходит самопроизвольно с 2е-восстановлением мостикового центра О1 и регенерацией катализатора. [10]
См. также [ править ]
Ссылки [ править ]
- ^ Сазинский М.Х., Липпард С.Дж. (2015). «Глава 6 Метанмонооксигеназа: функционализация метана по железу и меди ». В Kroneck PM, Torres ME (ред.). Поддержание жизни на планете Земля: металлоферменты, усваивающие дикислород и другие жевательные газы . Ионы металлов в науках о жизни. Том. 15. Спрингер. стр. 205–256. дои : 10.1007/978-3-319-12415-5_6 . ISBN 978-3-319-12414-8 . ПМИД 25707469 .
- ^ Росс М.О., Розенцвейг AC (апрель 2017 г.). «Повесть о двух метанмонооксигеназах» . Журнал биологической неорганической химии . 22 (2–3): 307–319. дои : 10.1007/s00775-016-1419-y . ПМЦ 5352483 . ПМИД 27878395 .
- ^ Холмс А.Дж., Костелло А., Лидстром М.Е., Мюррел Дж.К. (октябрь 1995 г.). «Доказательства того, что метанмонооксигеназа твердых частиц и монооксигеназа аммиака могут быть эволюционно связаны» . Письма FEMS по микробиологии . 132 (3): 203–208. дои : 10.1111/j.1574-6968.1995.tb07834.x . ПМИД 7590173 .
- ^ Arp DJ, Саяведра-Сото, Лос-Анджелес, Hommes NG (октябрь 2002 г.). «Молекулярная биология и биохимия окисления аммиака Nitrosomonas europaea». Архив микробиологии . 178 (4): 250–255. Бибкод : 2002ArMic.178..250A . дои : 10.1007/s00203-002-0452-0 . ПМИД 12209257 . S2CID 27432735 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Либерман Р.Л., Розенцвейг AC (март 2005 г.). «Кристаллическая структура мембраносвязанного металлофермента, катализирующего биологическое окисление метана». Природа . 434 (7030): 177–182. Бибкод : 2005Natur.434..177L . дои : 10.1038/nature03311 . ПМИД 15674245 . S2CID 30711411 .
- ^ Росс М.О., Макмиллан Ф., Ван Дж., Нистал А., Лоутон Т.Дж., Олафсон Б.Д. и др. (май 2019 г.). «Частичная метанмонооксигеназа содержит только моноядерные медные центры» . Наука . 364 (6440): 566–570. Бибкод : 2019Sci...364..566R . дои : 10.1126/science.aav2572 . ПМК 6664434 . ПМИД 31073062 .
- ^ Далтон Х., Уиттенбери Р. (август 1976 г.). «Методика восстановления ацетилена как анализ нитрогеназной активности в ванне со штаммом метанокисляющей бактерии Mmethylococcus capsulatus». Архив микробиологии . 109 (1): 147–151. Бибкод : 1976ArMic.109..147D . дои : 10.1007/BF00425127 . S2CID 21926661 .
- ^ Луескен Ф.А., Чжу Б., ван Ален Т.А., Батлер М.К., Диас М.Р., Сонг Б. и др. (июнь 2011 г.). «Праймеры pmoA для обнаружения анаэробных метанотрофов» . Прикладная и экологическая микробиология . 77 (11): 3877–3880. Бибкод : 2011ApEnM..77.3877L . дои : 10.1128/АЕМ.02960-10 . ПМК 3127593 . ПМИД 21460105 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с Розенцвейг AC, Фредерик CA, Липпард С.Дж., Нордлунд П. (декабрь 1993 г.). «Кристаллическая структура бактериальной негемовой гидроксилазы железа, которая катализирует биологическое окисление метана». Природа . 366 (6455): 537–543. Бибкод : 1993Natur.366..537R . дои : 10.1038/366537a0 . ПМИД 8255292 . S2CID 4237249 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д и ж Баш, Гарольд; и др. (1999). «Механизм реакции превращения метана в метанол, катализируемой метанмоноксигеназой: исследование функции плотности». Дж. Ам. хим. Соц . 121 (31): 7249–7256. дои : 10.1021/ja9906296 .
- ^ Нордлунд П., Сьёберг Б.М., Эклунд Х. (июнь 1990 г.). «Трехмерная структура свободнорадикального белка рибонуклеотидредуктазы». Природа . 345 (6276): 593–598. Бибкод : 1990Natur.345..593N . дои : 10.1038/345593a0 . ПМИД 2190093 . S2CID 4233134 .
- ^ Нордлунд П., Эклунд Х. (июль 1993 г.). «Структура и функция белка рибонуклеотидредуктазы R2 Escherichia coli». Журнал молекулярной биологии . 232 (1): 123–164. дои : 10.1006/jmbi.1993.1374 . ПМИД 8331655 .
- ^ Лю К.Е., Валентайн А.М., Цю Д., Эдмондсон Д.Е., Аппельман Э.Х., Спиро Т.Г., Липпард С.Дж. (1995). «Характеристика промежуточного продукта пероксида дижелеза (III) в реакционном цикле гидроксилазы метанмонооксигеназы из Mmethylococcus capsulatus (Bath)». Журнал Американского химического общества . 117 (17): 4997–4998. дои : 10.1021/ja00122a032 .
- ^ Катсейл, Джордж Э.; Банерджи, Рахул; Чжоу, Анг; Que, Лоуренс; Липскомб, Джон Д.; ДеБир, Серена (5 декабря 2018 г.). «Анализ тонкой структуры расширенного рентгеновского поглощения с высоким разрешением подтверждает наличие более длинного расстояния Fe···Fe в промежуточном продукте Q метанмонооксигеназы» . Журнал Американского химического общества . 140 (48): 16807–16820. дои : 10.1021/jacs.8b10313 . ISSN 0002-7863 . ПМК 6470014 . ПМИД 30398343 .
- ^ Джейкобс, Ариэль Бенджамин; Банерджи, Рахул; Дьюиз, Дори Эллен; Браун, Огюстен; Бабич, Джеффри Томас; Ну и дела, Лиланд Брюс; Сазерлин, Кайл Дэвид; Беттгер, Ларс Хендрик; Йода, Ёситака; Сайто, Макина; Китао, Синдзи; Кобаяши, Ясухиро; Сето, Макото; Тамасаку, Кендзи; Липскомб, Джон Д. (06 октября 2021 г.). «Ядерно-резонансная колебательная спектроскопия. Определение промежуточного соединения Q Fe (IV) 2 в метанмонооксигеназе и его реакционной способности» . Журнал Американского химического общества . 143 (39): 16007–16029. дои : 10.1021/jacs.1c05436 . ISSN 0002-7863 . ПМЦ 8631202 . ПМИД 34570980 .
- ^ Кастильо, Ребека Г.; Банерджи, Рахул; Олпресс, Калеб Дж.; Роде, Грегори Т.; Билл, Экхард; Que, Лоуренс; Липскомб, Джон Д.; ДеБир, Серена (13 декабря 2017 г.). «Рентгеновское поглощение Q-промежуточного продукта растворимой метанмонооксигеназы, обнаруженное с помощью флуоресценции высокого разрешения» . Журнал Американского химического общества . 139 (49): 18024–18033. дои : 10.1021/jacs.7b09560 . ISSN 0002-7863 . ПМК 5729100 . ПМИД 29136468 .
Дальнейшее чтение [ править ]
- Фраусто да Силва Джей-Джей, Уильямс Р.Дж. (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 белок/pdbid-1yew
- метан + монооксигеназа в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
