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.
Catechol 1,2 dioxygenase (, 1,2 CTD, catechol oxygen 1,2 oxidoreductase, 1,2 pyrocatechase, catechase, catechol 1,2 oxygenase, catechol dioxygenase, pyrocatechase, pyrocatechol 1,2 dioxygenase, CD I, CD II) is an enzyme that catalyzes the oxidative ring cleavage of catechol to form cis,cis muconic acid:
More specifically, 1,2 CTD is an intradiol dioxygenase, a family of catechol dioxygenases that cleaves the bond between the phenolic hydroxyl groups of catechol using an Fe3+ cofactor. Thus far, 1,2 CTD has been observed to exist in the following species of soil bacteria and fungi: 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, and Nocardia sp These bacteria subsequently employ 1,2 CTD in the last step of the degradation of aromatic compounds to aliphatic products.
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.