Фумаратредуктаза (хинол)
| Фумаратредуктаза (хинол) | |||
|---|---|---|---|
 3D-мультфильм кристаллической структуры фумаратредуктазы E. coli . | |||
| Идентификаторы | |||
| Номер ЕС. | 1.3.5.4 | ||
| Базы данных | |||
| ИнтЭнк | вид IntEnz | ||
| БРЕНДА | БРЕНДА запись | ||
| Экспаси | Просмотр NiceZyme | ||
| КЕГГ | КЕГГ запись | ||
| МетаЦик | метаболический путь | ||
| ПРЯМОЙ | профиль | ||
| PDB Структуры | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||
| |||
| Дыхательный комплекс фумаратредуктазы | |||
|---|---|---|---|
 Мультяшная структура субъединицы А флавопротеина фумаратредуктазы. | |||
| Идентификаторы | |||
| Символ | Fum_red_TM | ||
| Пфам | PF01127 | ||
| Пфам Клан | CL0335 | ||
| ИнтерПро | ИПР004224 | ||
| СКОП2 | 1qla / SCOPe / СУПФАМ | ||
| Суперсемейство OPM | 3 | ||
| белок OPM | 2бс3 | ||
| CDD | cd03494 | ||
| |||
| Субъединица C фумаратредуктазы | |||
|---|---|---|---|
 Мультяшная структура субъединиц C и D фумаратредуктазы рядом с двумя молекулами менахинона. | |||
| Идентификаторы | |||
| Символ | Фумарат_red_C | ||
| Пфам | ПФ02300 | ||
| Пфам Клан | CL0335 | ||
| ИнтерПро | ИПР003510 | ||
| СКОП2 | 1фум / СКОПе / СУПФАМ | ||
| CDD | cd00546 | ||
| |||
| Субъединица D фумаратредуктазы | |||
|---|---|---|---|
Мультяшная структура субъединиц C и D фумаратредуктазы рядом с двумя молекулами менахинона. | |||
| Идентификаторы | |||
| Символ | Фумарат_red_D | ||
| Пфам | PF02313 | ||
| Пфам Клан | CL0335 | ||
| ИнтерПро | ИПР003418 | ||
| СКОП2 | 1фум / СКОПе / СУПФАМ | ||
| CDD | cd00547 | ||
| |||
Фумаратредуктаза (хинол) ( EC 1.3.5.4 , QFR, FRD , менахинол-фумаратоксидоредуктаза, хинол:фумаратредуктаза ) представляет собой фермент с систематическим названием сукцинат:хиноноксидоредуктаза . [1] [2] [3] Этот фермент катализирует следующую химическую реакцию :
Фумаратредуктаза (QFR) — ключевой фермент, индуцируемый анаэробным ростом бактерий. [4] Участвуя в фумаратном дыхании, фумаратредуктаза выполняет последний этап микробного анаэробного дыхания. Это мембраносвязанный белок, способный окислять хинон и передавать высвободившиеся электроны ожидающему фумарату для восстановления. Он активируется и синтезируется в условиях низкого содержания кислорода, когда аэробное дыхание не может осуществляться и клетка должна выполнять анаэробное дыхание для роста. [5] Эта реакция противоположна реакции, катализируемой родственным комплексом II дыхательной цепи ( сукцинатдегидрогеназой (SQR)). [6] [7]
Структура фермента
[ редактировать ]ряд ферментов QFR На сегодняшний день кристаллизован , и особенности структуры ферментов различаются у разных организмов; однако общая структура остается одинаковой у разных видов. [1] [7] [8] Комплексы фумаратредуктазы включают четыре субъединицы . [1] Субъединица А содержит участок восстановления фумарата и ковалентно связанную простетическую группу флавинадениндинуклеотида (FAD). Он тесно связан с субъединицей B, которая содержит три железо-серных центра, расположенных рядом друг с другом и близлежащими субстратами. Субъединица C состоит из гидрофобных мембранных сегментов, преимущественно спиральных, и является местом окисления хинолов. В некоторых структурах фумаратредуктазы одна или несколько групп гема дополнительно связаны с субъединицей С и участвуют в переносе электрона. [7] [5] Субъединица D содержит гидрофобные альфа-спирали , охватывающие мембрану, но не участвующие в каталитическом действии фермента. Может потребоваться закрепление каталитических фумаратредуктазы компонентов комплекса на цитоплазматической мембране . [5]
Ферментный механизм
[ редактировать ]Восстановление фумарата в фумаратредуктазе достигается за счет окисления хинола, связанного с субъединицей C, и последующего переноса электронов по цепочке железо-серных кластеров на ожидающую молекулу FAD. Межкраевые расстояния между хинолом, железо-серными кластерами и ФАД в этом ферменте не превышают 12,5 Ангстрем и их можно увидеть на изображении ниже. [3] Эти короткие расстояния между электронными рецепторами позволяют электронам перемещаться по цепи в физиологически разумные сроки. Как только электроны прошли вниз по кластерам железо-сера, они переходят на молекулу ФАД, связанную с каталитическим сайтом фермента. Окончательное восстановление фумарата достигается в активном центре, где асимметричные заряды соседних аминокислот поляризуют фумарат и искажают его форму. [9] Как только фумарат перестает быть плоским, гидрид связанной молекулы FAD в активном центре атакует двойную связь, восстанавливая фумарат. [9] Таким образом, в этой реакции фумарат служит терминальным акцептором электронов .
Связь с сукцинатдегидрогеназой
[ редактировать ]Сукцинатдегидрогеназа (SQR) является ключевым ферментом как цикла лимонной кислоты , так и цепи переноса электронов в митохондриях эукариот и одноклеточных организмов. [10] Это ключевой фермент аэробного дыхания, который выполняет реакцию, противоположную QFR, соединяя восстановление хинона с образованием сукцината для использования в цикле лимонной кислоты. [11]
И SQR, и QFR тесно связаны между собой, и было показано, что они имеют некоторое функциональное перекрытие и избыточность у различных организмов. QFR и SQR являются членами семейства консервативных белковых доменов SQR_QFR_TM и имеют очень схожие структуры. [12] Было показано, что субъединицы A и B обоих белков, вероятно, произошли от общего предкового гена. [5] Оба фермента имеют общее расположение субъединиц , содержащее каталитический сайт , субъединицу, содержащую железо-серный кластер , и одну или две трансмембранные субъединицы с сайтами связывания хинона и сайтами связывания гема, если применимо. Кроме того, на основании исследования, проведенного на E. coli , исследователи пришли к выводу, что при некоторых обстоятельствах фумаратредуктаза способна заменять сукцинатдегидрогеназу путем окисления сукцината с образованием фумарата. [13] И было показано, что у Bacillus subtilis SQR способен успешно выполнять функцию фумаратредуктазы. [14]
Биологическая функция
[ редактировать ]Фумаратредуктаза участвует в анаэробном дыхании множества различных организмов. Большая часть информации, собранной о фумаратредуктазе, получена из Escherichia coli фумаратредуктазы ; однако фумаратредуктаза также изучалась на других организмах, включая Wolinella succinogenes, pylori и Helicobacter Bacteroides fragilis . [1] [7] [4] [15] Каждый из этих организмов имеет несколько разную регуляцию генов и функции в дополнение к разным структурам ферментов.
В E. coli фумарат является конечным акцептором электронов в цепи переноса электронов , производящей энергию , а фумаратредуктаза выполняет решающий последний шаг в этом процессе производства энергии, который позволяет E. coli расти, когда аэробное дыхание и / или ферментация невозможны. [16] Из-за своей роли в производстве клеточной энергии, его функция тесно регулируется множеством условий, чтобы обеспечить оптимальное производство энергии на основе текущих потребностей клеток. Помимо условий с низким содержанием кислорода, гены фумаратредуктазы также активируются высокими концентрациями фумарата и подавляются в присутствии других терминальных акцепторов электронов, включая никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и нитрат . [16] [17] Нитрат-супрессия фумаратредуктазы распространена в E.coli и осуществляется двумя генами: narL - геном, который кодирует белки-регуляторы нитратредуктазы , и narX, который кодирует белок-сенсор нитрата. [18] другие искусственные антибиотики , в том числе халконы , успешно ингибируют фумаратредуктазу в дополнение к другим клеточным ферментам, подавляя рост бактерий. Доказано, что [19]
Фумаратредуктаза также имеет особенно высокую продукцию супероксида и перекиси водорода в E. coli . Одноэлектронная реакционная способность FAD, железо-серных кластеров и хинонов в фумаратредуктазе может способствовать переносу электронов на кислород. Однако было показано, что FAD является наиболее значимой причиной образования супероксида и пероксида в фумаратредуктазе из-за более высокой доступности растворителя в активном центре, чем в местах расположения хиноновых и железо-серных кластеров. [20]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж Айверсон Т.М., Луна-Чавес С., Чеккини Дж., Рис, округ Колумбия (июнь 1999 г.). «Строение дыхательного комплекса фумаратредуктазы Escherichia coli». Наука . 284 (5422): 1961–6. дои : 10.1126/science.284.5422.1961 . ПМИД 10373108 .
- ^ Чеккини Г., Шредер И., Гунсалус Р.П., Маклашина Е (январь 2002 г.). «Сукцинатдегидрогеназа и фумаратредуктаза Escherichia coli». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1553 (1–2): 140–57. дои : 10.1016/S0005-2728(01)00238-9 . ПМИД 11803023 .
- ^ Jump up to: а б Айверсон Т.М., Луна-Чавес С., Кроал Л.Р., Чеккини Дж., Рис, округ Колумбия (май 2002 г.). «Кристаллографические исследования хинолфумаратредуктазы Escherichia coli с ингибиторами, связанными с хинолсвязывающим сайтом» . Журнал биологической химии . 277 (18): 16124–30. дои : 10.1074/jbc.M200815200 . ПМИД 11850430 .
- ^ Jump up to: а б Ge Z, Feng Y, Dangler CA, Xu S, Taylor NS, Fox JG (ноябрь 2000 г.). «Фумаратредуктаза необходима для колонизации желудка мыши Helicobacter pylori». Микробный патогенез . 29 (5): 279–87. дои : 10.1006/mpat.2000.0391 . ПМИД 11031122 .
- ^ Jump up to: а б с д Чеккини Дж., Акрелл Б.А., Дешлер Дж.О., Гунсалус Р.П. (февраль 1986 г.). «Восстановление хинонового восстановления и характеристика активности фумаратредуктазы Escherichia coli» . Журнал биологической химии . 261 (4): 1808–14. дои : 10.1016/S0021-9258(17)36012-X . ПМИД 3511050 .
- ^ Кук Г.М., Грининг С., Хардс К., Берни М. (2014). «Энергетика патогенных бактерий и возможности разработки лекарств». Достижения микробной физиологии . 65 : 1–62. дои : 10.1016/bs.ampbs.2014.08.001 . ISBN 9780128001424 . ПМИД 25476763 .
- ^ Jump up to: а б с д Ланкастер Ч.Р., Крегер А., Ауэр М., Мишель Х. (ноябрь 1999 г.). «Структура фумаратредуктазы Wolinella succinogenes при разрешении 2,2 А». Природа . 402 (6760): 377–85. Бибкод : 1999Natur.402..377L . дои : 10.1038/46483 . PMID 10586875 . S2CID 4403278 .
- ^ Симидзу Х., Осанаи А., Сакамото К., Инаока Д.К., Сиба Т., Харада С., Кита К. (июнь 2012 г.). «Кристаллическая структура митохондриальной хинолфумаратредуктазы паразитической нематоды Ascaris suum». Журнал биохимии . 151 (6): 589–92. дои : 10.1093/jb/mvs051 . ПМИД 22577165 .
- ^ Jump up to: а б Рид Г.А., Майлз К.С., Мойси Р.К., Панкхерст К.Л., Чепмен С.К. (август 2000 г.). «Катализ фумаратредуктазой». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1459 (2–3): 310–5. дои : 10.1016/s0005-2728(00)00166-3 . ПМИД 11004445 .
- ^ Раттер Дж., Винге Д.Р., Шиффман Дж.Д. (июнь 2010 г.). «Сукцинатдегидрогеназа - Сборка, регуляция и роль в заболеваниях человека» . Митохондрия . 10 (4): 393–401. дои : 10.1016/j.mito.2010.03.001 . ПМЦ 2874626 . ПМИД 20226277 .
- ^ Хорсфилд Р., Янковская В., Секстон Г., Уиттингем В., Шиоми К., Омура С., Бирн Б., Чеккини Г., Ивата С. (март 2006 г.). «Структурный и вычислительный анализ хинон-связывающего сайта комплекса II (сукцинат-убихинон оксидоредуктаза): механизм переноса электрона и протонной проводимости при восстановлении убихинона» . Журнал биологической химии . 281 (11): 7309–16. дои : 10.1074/jbc.M508173200 . ПМИД 16407191 .
- ^ НКБИ. «NCBI CDD Консервативный белковый домен SQR_QFR_TM» . www.ncbi.nlm.nih.gov . Проверено 06 марта 2018 г.
- ^ Гость JR (февраль 1981 г.). «Частичная замена функции сукцинатдегидрогеназы фумаратредуктазой, специфичной для фага и плазмиды, в Escherichia coli». Журнал общей микробиологии . 122 (2): 171–9. дои : 10.1099/00221287-122-2-171 . ПМИД 6274999 .
- ^ Лемма Е, Хэгерхалл С, Гейслер В, Брандт У, фон Ягов Г, Крегер А (сентябрь 1991 г.). «Реакционная способность комплекса сукцинатдегидрогеназы Bacillus subtilis с хинонами». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1059 (3): 281–5. дои : 10.1016/s0005-2728(05)80213-0 . ПМИД 1655027 .
- ^ Михан Б.М., Малами М.Х. (февраль 2012 г.). «Фумаратредуктаза вносит основной вклад в образование активных форм кислорода у анаэробов Bacteroides fragilis» . Микробиология . 158 (Часть 2): 539–46. дои : 10.1099/mic.0.054403-0 . ПМЦ 3352283 . ПМИД 22075026 .
- ^ Jump up to: а б Кальман Л.В., Гунсалус Р.П. (июль 1989 г.). «Идентификация второго гена, участвующего в глобальной регуляции фумаратредуктазы и других нитрат-контролируемых генов анаэробного дыхания в Escherichia coli» . Журнал бактериологии . 171 (7): 3810–6. дои : 10.1128/jb.171.7.3810-3816.1989 . ПМК 210129 . ПМИД 2544557 .
- ^ Тран К.Х., Бонгертс Дж., Влад Д., Унден Дж. (февраль 1997 г.). «Потребность в НАДН-дегидрогеназе I, перекачивающей протоны, Escherichia coli при дыхании НАДН до фумарата и ее биоэнергетические последствия» . Европейский журнал биохимии . 244 (1): 155–60. дои : 10.1111/j.1432-1033.1997.00155.x . ПМИД 9063459 .
- ^ Стюарт В., Паралес Дж. (апрель 1988 г.). «Идентификация и экспрессия генов narL и narX локуса nar (нитратредуктазы) в Escherichia coli K-12» . Журнал бактериологии . 170 (4): 1589–97. дои : 10.1128/jb.170.4.1589-1597.1988 . ПМК 211006 . ПМИД 2832370 .
- ^ Чен М., Чжай Л., Кристенсен С.Б., Теандер Т.Г., Харазми А. (июль 2001 г.). «Ингибирование фумаратредуктазы у Leishmania major и L. donovani халконами» . Антимикробные средства и химиотерапия . 45 (7): 2023–9. дои : 10.1128/AAC.45.7.2023-2029.2001 . ПМК 90595 . ПМИД 11408218 .
- ^ Месснер К.Р., Имлай Дж.А. (ноябрь 2002 г.). «Механизм образования супероксида и перекиси водорода с помощью фумаратредуктазы, сукцинатдегидрогеназы и аспартатоксидазы» . Журнал биологической химии . 277 (45): 42563–71. дои : 10.1074/jbc.M204958200 . ПМИД 12200425 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Сайт связывания FAD фумаратредуктазы/сукцинатдегидрогеназы в PROSITE
- Фумарат + редуктаза + (менахинон) в Национальной медицинской библиотеке США по медицинским предметным рубрикам (MeSH)
