СО-метилирование ацетил-КоА-синтазы
СО-метилирование ацетил-КоА-синтазы | |||
---|---|---|---|
Идентификаторы | |||
Номер ЕС. | 2.3.1.169 | ||
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 | ||
Генная онтология | АмиГО / QuickGO | ||
|
Ацетил-КоА-синтаза (АКС), не путать с ацетил-КоА-синтетазой или ацетат-КоА-лигазой (образующей АДФ), представляет собой никельсодержащий фермент, участвующий в метаболических процессах клеток. Вместе с дегидрогеназой монооксида углерода (CODH) он образует бифункциональный фермент ацетил-КоА-синтаза/дегидрогеназа монооксида углерода (ACS/CODH), обнаруженный в анаэробных микроорганизмах, таких как археи и бактерии . [1] Фермент ACS/CODH работает в основном по пути Вуда-Люнгдала , который превращает углекислый газ в ацетил-КоА . Рекомендуемое название этого фермента — CO-метилирующая ацетил-КоА-синтаза . [2]
Химия
[ редактировать ]В природе существует шесть различных путей CO 2 фиксации . Из них путь Вуда-Люнгдала является преобладающим стоком в анаэробных условиях. Ацетил-КоА-синтаза (ACS) и дегидрогеназа монооксида углерода (CODH) являются неотъемлемыми ферментами этого единого пути и могут выполнять различные реакции в углеродном цикле в результате . Из-за этого точная активность этих молекул в последнее десятилетие стала объектом пристального внимания. [3]
Путь Вуд-Люнгдал
[ редактировать ]Путь Вуда-Люнгдала состоит из двух разных реакций расщепления углекислого газа. Первый путь включает в себя преобразование CODH диоксида углерода в монооксид углерода посредством двухэлектронного переноса, а второй путь включает ACS, синтезирующий ацетил-КоА с использованием монооксида углерода из CODH вместе с коферментом-A (CoA) и метильной группой корриноидного железа. -серный белок CFeSP. [4] Две основные общие реакции заключаются в следующем:
( 1 ) |
( 2 ) |
Полученный ацетил -КоА можно использовать различными способами в зависимости от потребностей организма. Например, ацетат-образующие бактерии используют ацетил-КоА для процессов автотрофного роста, а метаногенные археи, такие как Methanocarcina barkeri, преобразуют ацетил-КоА в ацетат и используют его в качестве альтернативного источника углерода вместо CO 2 . [5]
Ацетогенные бактерии используют этот метод для получения ацетата и уксусной кислоты . Поскольку две вышеупомянутые реакции обратимы, это открывает широкий спектр реакций в углеродном цикле. Помимо производства ацетил-КоА, может произойти обратный процесс, когда ACS производит CO и возвращает метильную часть обратно в корриноидный белок.
Наряду с процессом метаногенеза организмы могут впоследствии превращать ацетат в метан. Кроме того, путь Вуда-Люнгдала допускает анаэробное окисление ацетата, при котором АТФ используется для превращения ацетата в ацетил-КоА, который затем расщепляется ACS с образованием углекислого газа, который выбрасывается в атмосферу. [6]
Другие реакции
[ редактировать ]Было обнаружено, что фермент CODH/ACS бактерий M. theroaceticum может производить диазот (N 2 ) из закиси азота в присутствии электронодонорных видов . Он также может катализировать восстановление загрязняющего вещества 2,4,6-тринитротолуола ) и катализировать окисление бутилизоцианида н - ( ТНТ . [3]
Структура
[ редактировать ]История
[ редактировать ]Первая и одна из наиболее полных кристаллических структур ACS/CODH из бактерий M. thermoacetica была представлена в 2002 году Дреннаном и его коллегами. [7] В этой статье они сконструировали гетеротетрамер, в котором активный сайт «А-кластер» находится в субъединице ACS, а активный сайт «С-кластер» — в субъединице CODH. Кроме того, они разрешили структуру активного центра А-кластера и обнаружили центр [Fe 4 S 4 ]-X-Cu-X-Ni, что весьма необычно для биологии. Это структурное представление состояло из звена [Fe 4 S 4 ], соединенного мостиком с биядерным центром, где Ni(II) находился в дистальном положении (обозначаемом Ni d ) в плоскоквадратной конформации, а ион Cu(I) находился в проксимальное . положение в искаженном тетраэдрическом положении с лигандами неизвестной идентичности [7]
Споры об абсолютной структуре и идентичности металлов в активном центре A-кластера ACS продолжились, и была представлена конкурирующая модель. Авторы предложили две разные формы фермента ACS: «открытую» форму и «закрытую» форму, при этом разные металлы занимают проксимальный металлический участок (обозначенный как M p ) для каждой формы. Общая схема фермента во многом соответствовала результатам первого исследования, но эта новая структура предполагала наличие иона никеля в «открытой» форме и иона цинка в «закрытой» форме. [4]
В более поздней обзорной статье была предпринята попытка согласовать различные наблюдения за M p и указано, что это проксимальное положение в активном сайте ACS склонно к замещению и может содержать любое из Cu , Zn и Ni . Три формы этого A-кластера, скорее всего, содержат небольшое количество Ni и относительно большее количество Cu. [8]
Настоящее время (с 2014 г.)
[ редактировать ]В настоящее время общепринято, что активный центр ACS (A-кластер) представляет собой металлический центр Ni-Ni, причем оба никеля имеют степень окисления +2 . [Fe 4 S 4 ] Кластер связан мостиком с более близким никелем, N p , который соединен тиолатным мостиком с более дальним никелем, Ni d . Ni d координирован с двумя цистеина молекулами и двумя амидными соединениями основной цепи и находится в плоско-квадратной координации. Пространство рядом с металлом позволяет разместить подложки и изделия. Ni p находится в Т-образном окружении, связанном с тремя атомами серы, причем неизвестный лиганд, возможно, создает искаженное тетраэдрическое окружение. Предполагается, что этот лиганд представляет собой молекулу воды или ацетильную группу в окружающей области клетки. Хотя проксимальный никель лабилен и может быть заменен центром Cu или Zn, экспериментальные данные свидетельствуют о том, что активность ACS ограничивается только присутствием никеля. Кроме того, некоторые исследования показали, что медь при определенных условиях может даже ингибировать фермент. [9]
Общая структура фермента CODH/ACS состоит из фермента CODH в виде димера в центре с двумя субъединицами ACS на каждой стороне. Ядро CODH состоит из двух кластеров Ni-Fe-S (C-кластер), двух кластеров [Fe 4 S 4 ] (B-кластер) и одного [Fe 4 S 4 ] D-кластера. D-кластер соединяет две субъединицы с одним кластером C и одним кластером B в каждом мономере, обеспечивая быстрый перенос электрона . A-кластер ACS находится в постоянной связи с C-кластером CODH. Этот активный центр также отвечает за образование связей CC и CS в продукте ацетил-КоА (и его обратную реакцию). [8]
Кроме того, кристаллические структуры комплекса CODH/ACS Carboxydothermus Hydrogenoformans [10] и Clostridium autoethanogenum [11] были решены. Хотя последний демонстрирует более расширенное расположение субъединиц ACS, комплекс C. Hydrogenoformans очень похож на комплекс M. thermoacetica .
Фермент ACS содержит три основные субъединицы. Первый — это сам активный сайт с центром NiFeS. Вторая — это часть, которая напрямую взаимодействует с CODH в пути Вуда-Люнгдала. Эта часть состоит из α-спиралей , образующих складку Россмана . Он также, по-видимому, взаимодействует с соединением ферредоксина , которое может активировать субъединицу во время процесса переноса CO от CODH к ACS. Последний домен связывает КоА и состоит из шести остатков аргинина с молекулой триптофана . [3] [12]
Эксперименты между C-кластером CODH и A-кластером ACS выявили длинный гидрофобный канал, соединяющий два домена, позволяющий переносить окись углерода из CODH в ACS. Этот канал, скорее всего, защищает молекулы монооксида углерода от внешней среды фермента и повышает эффективность производства ацетил-КоА. [13]
Конформационные изменения
[ редактировать ]Исследования в литературе позволили выделить фермент CODH/ACS в «открытой» и «закрытой» конфигурации. Это привело к гипотезе, что он претерпевает четыре конформационных изменения в зависимости от своей активности. В «открытом» положении активный центр вращается, чтобы взаимодействовать с белком CFeSP на этапе переноса метила пути Вуда-Люнгдала . «Закрытое» положение открывает канал между CODH и ACS, обеспечивая перенос CO. Эти две конфигурации противоположны друг другу в том, что доступ к CO блокирует взаимодействие с CFeSP, а когда происходит метилирование, активный сайт заглубляется и не допускает перенос CO. Второе «закрытое» положение необходимо для блокировки попадания воды в реакцию. Наконец, А-кластер необходимо еще раз повернуть, чтобы обеспечить связывание КоА и высвобождение продукта. Точная причина этих структурных изменений и детали механизма еще предстоит выяснить. [3] [6] [9]
Активность
[ редактировать ]Механизм
[ редактировать ]Были предложены два конкурирующих механизма образования ацетил-КоА: « парамагнитный механизм» и « диамагнитный механизм». [3] Оба похожи с точки зрения связывания субстратов и общих стадий, но различаются степенью окисления металлоцентра. Считается, что Ni p является центром связывания субстрата, который подвергается окислительно-восстановительному процессу . Считается , что дальний никелевый центр и [Fe 4 S 4 ] кластер в этом процессе не участвуют. [13]
В парамагнитном механизме какой-либо комплекс ( ферродоксин , например) активирует p- атом Ni, восстанавливая его из Ni 2+ в Ни 1+ . Затем никель связывается либо с окисью углерода из CODH, либо с метильной группой, пожертвованной белком CFeSP, в произвольном порядке. [14] За этим следует миграционная вставка с образованием промежуточного комплекса. Затем КоА связывается с металлом и образуется конечный продукт — ацетил-КоА. [3] [9] Некоторые критические замечания в адрес этого механизма заключаются в том, что он несбалансирован с точки зрения количества электронов и активированного Ni. 1+ промежуточное соединение не может быть обнаружено с помощью электронного парамагнитного резонанса . Более того, есть свидетельства каталитического цикла АЦС без какого-либо внешнего восстановительного комплекса, что опровергает стадию активации ферродоксина . [15]
Второй предложенный механизм, диамагнитный, включает в себя Ni 0 промежуточный вместо Ni 1+ . После добавления метильной группы и монооксида углерода с последующим внедрением с образованием комплекса металл-ацетил КоА атакует с образованием конечного продукта. [9] Порядок, в котором молекула монооксида углерода и метильная группа связываются с никелевым центром, широко обсуждается, но нет убедительных доказательств предпочтения одного из них другому. Хотя этот механизм электронно сбалансирован, идея Ni 0 вид является совершенно беспрецедентным в биологии. Также не было получено убедительных доказательств, подтверждающих наличие разновидностей Ni с нулевой валентностью . Однако разновидности никеля, аналогичные ACS с Ni 0 центра были сделаны, поэтому диамагнитный механизм не является неправдоподобной гипотезой. [1]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Линдал, Пенсильвания (июль 2004 г.). «Ацетил-коэнзим А-синтаза: аргументы в пользу механизма катализа на основе Ni (p) (0)». Журнал биологической неорганической химии . 9 (5): 516–24. дои : 10.1007/s00775-004-0564-x . ПМИД 15221478 . S2CID 21597571 .
- ^ Справочник Спрингера по ферментам . Том. 30. стр. 459–466.
- ^ Jump up to: а б с д и ж г Джан М., Армстронг Ф.А., Рэгсдейл Ю.В. (апрель 2014 г.). «Структура, функции и механизм никелевых металлоферментов, CO-дегидрогеназы и ацетил-КоА-синтазы» . Химические обзоры . 114 (8): 4149–74. дои : 10.1021/cr400461p . ПМК 4002135 . ПМИД 24521136 .
- ^ Jump up to: а б Хегг Э.Л. (октябрь 2004 г.). «Разгадка структуры и механизма ацетил-кофермента А-синтазы». Отчеты о химических исследованиях . 37 (10): 775–83. дои : 10.1021/ar040002e . ПМИД 15491124 .
- ^ Риордан К.Г. (июль 2004 г.). «Синтетическая химия и химические прецеденты для понимания структуры и функции ацетилкоэнзима А-синтазы». Журнал биологической неорганической химии . 9 (5): 542–9. дои : 10.1007/s00775-004-0567-7 . ПМИД 15221481 . S2CID 6536992 .
- ^ Jump up to: а б Рэгсдейл С.В., Кумар М. (январь 1996 г.). «Никель-содержащая дегидрогеназа монооксида углерода/ацетил-КоА-синтаза». Химические обзоры . 96 (7): 2515–2540. дои : 10.1021/cr950058 . ПМИД 11848835 .
- ^ Jump up to: а б Дуков Т.И., Айверсон Т.М., Серавалли Дж., Рэгсдейл С.В., Дреннан К.Л. (октябрь 2002 г.). «Центр Ni-Fe-Cu в бифункциональной дегидрогеназе монооксида углерода / ацетил-КоА-синтазе». Наука . 298 (5593): 567–72. Бибкод : 2002Sci...298..567D . дои : 10.1126/science.1075843 . ПМИД 12386327 . S2CID 39880131 .
- ^ Jump up to: а б Дреннан К.Л., Дуков Т.И., Рэгсдейл С.В. (июль 2004 г.). «Металлокластеры дегидрогеназы монооксида углерода / ацетил-КоА-синтазы: история в картинках». Журнал биологической неорганической химии . 9 (5): 511–5. дои : 10.1007/s00775-004-0563-y . ПМИД 15221484 . S2CID 23263180 .
- ^ Jump up to: а б с д Эванс диджей (2005). «Химия, связанная с никелевыми ферментами CODH и ACS». Обзоры координационной химии . 249 (15–16): 1582–1595. дои : 10.1016/j.ccr.2004.09.012 .
- ^ Рюкольдт, Якоб; Басак, Юдхаджит; Домник, Лилит; Чон, Джэ Хун; Доббек, Хольгер (21 октября 2022 г.). «К кинетике восстановления СО 2 Ni, Fe-CO дегидрогеназами» . АКС-катализ . 12 (20): 13131–13142. дои : 10.1021/acscatal.2c02221 . ISSN 2155-5435 .
- ^ Лемэр, Оливье Н.; Вагнер, Тристан (январь 2021 г.). «Перенаправление газовых каналов в первичном ферменте: структурные данные о комплексе дегидрогеназа монооксида углерода / ацетил-КоА-синтаза из ацетогена Clostridium autoethanogenum» . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) — Биоэнергетика . 1862 (1): 148330. doi : 10.1016/j.bbabio.2020.148330 . hdl : 21.11116/0000-0007-F1AD-6 .
- ^ Кунг Ю, Дреннан КЛ (апрель 2011 г.). «Роль никель-железных кофакторов в биологической утилизации угарного газа и углекислого газа» (PDF) . Современное мнение в области химической биологии . 15 (2): 276–83. дои : 10.1016/j.cbpa.2010.11.005 . ПМК 3061974 . ПМИД 21130022 .
- ^ Jump up to: а б Бур Дж.Л., Малруни С.Б., Хаузингер Р.П. (февраль 2014 г.). «Никельзависимые металлоферменты» . Архив биохимии и биофизики . 544 : 142–52. дои : 10.1016/j.abb.2013.09.002 . ПМЦ 3946514 . ПМИД 24036122 .
- ^ Jump up to: а б Серавалли Дж., Рэгсдейл SW (март 2008 г.). «Импульсные исследования синтеза ацетил-КоА с помощью дегидрогеназы монооксида углерода / ацетил-КоА-синтазы: доказательства случайного механизма присоединения метила и карбонила» . Журнал биологической химии . 283 (13): 8384–94. дои : 10.1074/jbc.M709470200 . ПМЦ 2820341 . ПМИД 18203715 .
- ^ Сигел А, Сигел Х, Сигел Р.К. (2006). Никель и его удивительное влияние на природу . Чичестер, Западный Суссекс, Англия: Уайли. стр. 377–380. ISBN 978-0-470-01671-8 .