Введение

Энзим Катехоль 1,2-диоксигеназа (, 1,2 CTD, катехоль кислород 1,2-оксидоредуктаза, 1,2 пирокатехаза, катехаза, катехоль 1,2-оксигеназа, катехоль диоксигеназа, пирокатехаза, пирокатехоль 1,2-диоксигеназа, CD I, CD II) - фермент, который катализирует окислительное кольцевое расщепление катехола для образования цисцисной муконовой кислоты: более конкретно, CT 1,2D является интрадиоловой диоксигеназой, семейством катехоль диоксигеназ, которая расщепляет связь между фенолическими гидроксильными группами катехола с использованием кофактора Fe3+. До сих пор было обнаружено наличие 1,2 CTD в следующих видах почвенных бактерий и грибков: Pseudomonas sp., Pseudomonas fluorescens, Aspergillus niger, Brevibacterium fuscum, Acinetobacter calcoaceticus, Trichosporon cutaneum, Rhodococcus erythropolis, Frateuria sp., Rhizobium trifolii, Pseudomonas putida, Candida tropicalis, Candida maltose, Rhizobium leguminosarum и Nocardia sp. Эти бактерии затем используют 1,2 CTD на последней стадии разложения ароматических соединений в алифатические продукты.

История

Два семейства диоксигеназ были открыты Осаму Хаяиши и Кизо Хашимото в 1950 году: катехольная 1,2 диоксигеназа и катехольная 2,3 диоксигеназа (2,3 CTD). Эти два фермента были идентифицированы как часть двух отдельных семейств катехолодиоксигеназ: 1,2 CTD классифицированы как интрадиоловая диоксигеназа, а 2,3 CTD классифицированы как экстрадиоловая диоксигеназа. Эти два фермента можно различить на основе их продуктов реакции и кофакторов. 1,2 CTD использует Fe3+ в качестве кофактора для расщепления углерод-углеродной связи между фенольными гидроксильными группами катехола, получая таким образом муконовую кислоту в качестве продукта. В противоположность этому, 2,3 CTD использует Fe2+ в качестве кофактора для расщепления углерод-углеродной связи, прилегающей к фенольным гидроксильным группам катехола, таким образом, получая 2 гидроксимуконалдехие в качестве продукта.

Структура фермента

Почти все члены семейства 1,2 CTD являются гомодимерами; фермент 1,2 CTD, продуцируемый Pseudomonas arvilla, является исключением из этого правила, содержащим две высокогомологичные подединицы, которые могут образовывать либо гомодимер, либо гетеродимер. Фермент напоминает бумеранг по форме, и поэтому его можно четко разделить на три домена: два каталитических домена, расположенных на каждом конце бумеранга и домен линкера в центре. Каждый каталитический домен состоит из двух сложенных, смешанных топологических β-листов и нескольких случайных катушек. Эти листы и катушки затем охватывают активный участок: комплекс негемового железа (III). Без гема железо должно быть связано с четырьмя аминокислотными остатками (Tyr200, His226, Tyr164, His224) для поддержания каталитически активной конформации. С Tyr200 и His226 действующими как осевые лиганды и Tyr164, His224, и молекула растворителя воды, действующей как экваториальные лиганды, комплекс Fe3+ показывает тригональную бипирамидальную геометрию. Поскольку активные участки каждого каталитического домена разделены расстоянием 40 Å, они, как полагают, не аллостерически воздействуют друг на друга. В отличие от этого, линкерный домен состоит из α-вертков, поставляемых двумя каталитическими доменами: каждый домен вносит пять вертков из их N-окончаний и один из спирали, которая охватывает как каталитический домен, так и линкерный домен. В центре домена линкера находится гидрофобный туннель 8 на 35 Å с двумя фосфолипидами, связанными на каждом конце. Голова каждого фосфолипида направлена наружу к раствору, в то время как хвосты встроены в фермент. Функция этого гидрофобного туннеля неизвестна, хотя были выдвинуты две гипотезы относительно его полезности. Первое заключается в том, что связывание терминальных фосфолипидов изменяет конформацию активных участков, что подразумевает, что туннель действует как эффектор, позволяя ферменту быть активным только в определенных областях клетки. Вторая гипотеза предполагает, что туннель регулирует жесткость липидной мембраны через деградацию фенольных углеводородов и способность связываться с другими липидами. Исследования показали, что фенольные углеводороды влияют на функциональные и структурные свойства клеточных мембран. 1,2-КТД разлагает фенольные углеводороды, ключевые для синтеза липидных мембран. Поэтому 1,2- CTD может связываться с клеточной липидной мембраной через ее терминальные фосфолипиды и, таким образом, иметь больший доступ к фенольным углеводородам, жизненно важным для структуры липидной мембраны.

Энзимный механизм

Каталитический механизм катехола 1,2-диоксигеназы был выяснен с помощью комбинации опытов маркировки O18 и кристаллографии. При входе в активное место гидроксильная группа на четвертом углероде (C4) катехола связывается с Fe3+; это связывание облегчается гидроксидной лигандой, которая депротонирует гидроксильную группу C4. Вторая катехольная гидроксильная группа на углероде 3 (C3) координируется с Fe3+ после депротонирования лигандом Tyr200. В процессе депротонирования гидроксильной группы C3 Tyr200 диссоциации от каталитического комплекса. Кислород связывается с субстратом через серию транс-влияний и стабилизирующих водородных связей между субстратом и другими аминокислотными остатками активного участка. His226 принимает электронную плотность от субстрата, вследствие чего уменьшается связь между Fe3+ и C4 гидроксилом. В то же время связь между гидроксилом C3 и Fe3+ увеличивается из-за эффекта отвода электронов Tyr164. Эти искажения в сочетании с водородными связями между Arg221 и гидроксилом C3 вызывают кетонизацию гидроксильной группы C3 и увеличивают карбанионный характер C4. Новый карбанион C4 атакует кислород, таким образом связывая его с субстратом. Еще одно транс-влияние следует за вышеупомянутым шагом, приводя к расщеплению O2 и последующему введению одной из молекул кислорода между C3 и C4. После этой реакции происходит быстрый гидролиз, в результате которого получается активный участок и продукт.