De Wikipedia, la enciclopedia libre
Saltar a navegación Saltar a búsqueda
monóxido de carbono deshidrogenasa (aceptor)
Identificadores
CE no.1.2.7.4
No CAS.64972-88-9
Bases de datos
IntEnzVista IntEnz
BRENDAEntrada BRENDA
FÁCILNiceZyme vista
KEGGEntrada KEGG
MetaCyccamino metabólico
PRIAMperfil
Estructuras PDBRCSB PDB PDBe PDBsum
Ontología de genesAmiGO / QuickGO
Buscar
PMCartículos
PubMedartículos
NCBIproteinas

En enzimología , la monóxido de carbono deshidrogenasa (CODH) ( EC 1.2.7.4 ) es una enzima que cataliza la reacción química.

CO + H 2 O + A CO 2 + AH 2

El proceso químico catalizado por la monóxido de carbono deshidrogenasa se conoce como reacción de desplazamiento de agua y gas .

Los 3 sustratos de esta enzima son CO , H 2 O y A, mientras que sus dos productos son CO 2 y AH 2 .

Se observa una variedad de donantes / receptores de electrones (mostrados como "A" y "AH 2 " en la ecuación de reacción anterior) en microorganismos que utilizan CODH. Varios ejemplos de cofactores de transferencia de electrones incluyen ferredoxina , NADP + / NADPH y complejos de flavoproteínas como el dinucleótido de flavina y adenina (FAD). [1] [2] [3] Las deshidrogenasas de monóxido de carbono apoyan el metabolismo de diversos procariotas, incluidos metanógenos , carboxidotrofos aeróbicos, acetógenos, reductores de sulfato y bacterias hidrogenogénicas. La reacción bidireccional catalizada por CODH juega un papel en el ciclo del carbono.permitiendo que los organismos utilicen CO como fuente de energía y utilicen CO 2 como fuente de carbono. La CODH puede formar una enzima monofuncional, como es el caso de Rhodospirillum rubrum , o puede formar un grupo con acetil-CoA sintasa como se ha demostrado en M.thermoacetica . Cuando actúan en conjunto, ya sea como enzimas estructuralmente independientes o en una unidad CODH / ACS bifuncional, los dos sitios catalíticos son clave para la fijación de carbono en la vía reductora de acetil-CoA Los organismos microbianos ( aeróbicos y anaeróbicos ) codifican y sintetizan CODH para este propósito. de fijación de carbono (oxidación de CO y CO 2reducción). Dependiendo de las proteínas accesorias unidas (A, B, C, D-Clusters), cumplen una variedad de funciones catalíticas, incluida la reducción de los grupos [4Fe-4S] y la inserción de níquel. [4]

Esta enzima pertenece a la familia de las oxidorreductasas , concretamente las que actúan sobre el grupo aldehído u oxo del donante con otros aceptores. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es monóxido de carbono: aceptor oxidorreductasa. Otros nombres de uso común incluyen monóxido de carbono deshidrogenasa anaeróbica, monóxido de carbono oxigenasa, monóxido de carbono deshidrogenasa y monóxido de carbono: (aceptor) oxidorreductasa.

Clases [ editar ]

Las bacterias carboxidotróficas aeróbicas utilizan flavoenzimas de cobre y molibdeno. Las bacterias anaeróbicas utilizan CODH a base de níquel-hierro debido a su naturaleza sensible al oxígeno. Se ha encontrado CODH que contiene un sitio activo Mo- [2Fe-2S] -FAD en bacterias aeróbicas, mientras que una clase distinta de enzimas Ni- [3Fe-4S] CODH se han purificado a partir de bacterias anaerobias. [5] [6] [7] Ambas clases de CODH catalizan la conversión reversible entre dióxido de carbono (CO 2 ) y monóxido de carbono (CO). La CODH existe tanto en formas monofuncionales como bifuncionales. En el último caso, CODH forma un grupo bifuncional con acetil-CoA sintasa , como se ha caracterizado bien en la bacteria anaerobia Moorella thermoacetica . [8] [9]

Estructura [ editar ]

Estructura de CODH / ACS en M.thermoacetica. "Se muestran las subunidades alfa (ACS) y beta (CODH). (1) El grupo A Ni- [4Fe-4S]. (2) Grupo C Ni- [3Fe- 4S]. (3) Grupo B [4Fe-4S]. (4) Grupo D [4Fe-4S]. Diseñado a partir de 3I01

El Ni-CODH homodimérico consta de cinco complejos metálicos denominados agrupaciones. Cada uno difiere en la geometría de coordinación individual , la presencia de níquel y la ubicación del sitio activo en la subunidad α o β. [10] Varios grupos de investigación han propuesto estructuras cristalinas para la enzima tetramérica α 2 β 2 CODH / ACS de la bacteria acetogénica M. thermoacetica , incluidos dos ejemplos recientes desde 2009: 3I01 2Z8Y. Las dos unidades β son el sitio de la actividad CODH y forman el núcleo central de la enzima. En total, la enzima de 310 kDa contiene siete grupos de hierro-azufre [4Fe-4S]. Cada unidad α contiene un solo grupo de metales. Juntas, las dos unidades β contienen cinco grupos de tres tipos. La actividad catalítica de CODH se produce en los cúmulos C de Ni- [3Fe-4S], mientras que los cúmulos interiores [4Fe-4S] B y D transfieren electrones desde el cúmulo C a portadores de electrones externos como la ferredoxina . La actividad de ACS ocurre en el grupo A ubicado en las dos unidades α externas. [6] [7]

Una característica notable de M. thermoacetica CODH / ACS es un túnel de gas interno que conecta los múltiples sitios activos. [11] El papel completo del canal de gas en la regulación de la tasa de actividad catalítica es todavía un tema de investigación, pero varios estudios apoyan la noción de que las moléculas de CO viajan directamente desde el grupo C al sitio activo de ACS sin salir. la enzima. Por ejemplo, la tasa de actividad de la acetil-CoA sintasa en la enzima bifuncional no se ve afectada por la adición de hemoglobina, que competiría por el CO en la solución a granel, [12] y los estudios de marcado isotópico muestran que el monóxido de carbono derivado del grupo C se usa preferentemente en el grupo A sobre el CO no marcado en solución. [13]La ingeniería de proteínas de CODH / ACS en M.thermoacetica reveló que los residuos mutantes, para bloquear funcionalmente el túnel, detuvieron la síntesis de acety-CoA cuando solo estaba presente CO 2 . [14] El descubrimiento de un túnel de CO funcional coloca a la CODH en una lista creciente de enzimas que desarrollaron independientemente esta estrategia para transferir intermedios reactivos de un sitio activo a otro. [15]

Mecanismos de reacción [ editar ]

Oxidativo [ editar ]

El sitio catalítico de CODH, denominado grupo C, es un grupo [3Fe-4S] unido a un resto Ni-Fe. Dos aminoácidos básicos (Lys587 y His 113 en M.thermoacetica ) residen en las proximidades del grupo C y facilitan la química ácido-base necesaria para la actividad enzimática. [16] Basado en espectros IR que sugieren la presencia de un complejo Ni-CO, el primer paso propuesto en la catálisis oxidativa de CO a CO 2 implica la unión de CO a Ni 2+ y el correspondiente acomplejamiento de Fe 2+ a una molécula de agua. . [17]

La unión de la molécula de CO provoca un cambio en la coordinación del átomo de Ni de una geometría cuadrada plana a una piramidal cuadrada. [18] Dobbek y col. proponen además que el movimiento del ligando de cisteína del átomo de níquel acerca el CO al grupo hidroxilo y facilita un ataque nucleófilo catalizado por una base por el grupo hidroxi unido al hierro. Se ha propuesto como intermedio un puente carboxi entre el átomo de Ni y Fe. [19] Una descarboxilación conduce a la liberación de CO 2y la reducción del cluster. Aunque el estado de oxidación intermedio resultante del Ni y el grado en que los electrones se distribuyen por todo el grupo Ni- [3Fe-4S] es tema de debate, los electrones en el grupo C reducido se transfieren a los cercanos B y D [4Fe -4S], devolviendo el grupo C de Ni- [3Fe-4S] a un estado oxidado y reduciendo la ferredoxina portadora de un solo electrón . [20] [21]

Reductivo [ editar ]

Dado el papel de la CODH en la fijación de CO 2 , es común en la literatura bioquímica que el mecanismo reductor se infiera como el "inverso directo" del mecanismo oxidativo por el "principio de microrreversibilidad". [22] En el proceso de reducción de dióxido de carbono, el grupo C de la enzima debe activarse primero de un estado oxidado a uno reducido antes de que se forme el enlace Ni-CO 2 . [23]

Relevancia ambiental [ editar ]

La monóxido de carbono deshidrogenasa está estrechamente asociada con la regulación de los niveles atmosféricos de CO y CO 2 , manteniendo niveles óptimos de CO adecuados para otras formas de vida. Los organismos microbianos dependen de estas enzimas tanto para la conservación de energía como para la fijación de CO 2 . A menudo codifica y sintetiza múltiples formas únicas de CODH para uso designado. Investigaciones adicionales sobre tipos específicos de CODH muestran que el CO se usa y se condensa con CH 3 ( grupos metilo ) para formar Acetil-CoA. [24] Los microorganismos anaeróbicos como los acetógenos se someten a la vía Wood-Ljungdahl , que dependen de la CODH para producir CO mediante la reducción de CO 2.necesaria para la síntesis de Acetil-CoA a partir de una proteína metilo, coenzima a (CoA) y corrinoide hierro-azufre . [25] Otros tipos muestran que CODH se utiliza para generar una fuerza motriz de protones con el propósito de generar energía. La CODH se utiliza para la oxidación del CO, produciendo dos protones que posteriormente se reducen para formar dihidrógeno (H 2 , conocido coloquialmente como hidrógeno molecular ), proporcionando la energía libre necesaria para impulsar la generación de ATP. [26]

Referencias [ editar ]

  1. ^ Buckel W, Thauer RK (2018). "+ (Rnf) como aceptadores de electrones: una revisión histórica" . Fronteras en microbiología . 9 : 401. doi : 10.3389 / fmicb.2018.00401 . PMC  5861303 . PMID  29593673 .
  2. ^ Kracke F, Virdis B, Bernhardt PV, Rabaey K, Krömer JO (diciembre de 2016). "Clostridium autoethanogenum por suministro de electrones extracelulares" . Biotecnología para biocombustibles . 9 (1): 249. doi : 10.1186 / s13068-016-0663-2 . PMC 5112729 . PMID 27882076 .  
  3. ↑ van den Berg WA, Hagen WR, van Dongen WM (febrero de 2000). "La proteína de grupo híbrido ('proteína prismane') de Escherichia coli. Caracterización de la proteína de grupo híbrido, propiedades redox de los grupos [2Fe-2S] y [4Fe-2S-2O] e identificación de una NADH oxidorreductasa asociada que contiene FAD y [2Fe-2S] " . Revista europea de bioquímica . 267 (3): 666–76. doi : 10.1046 / j.1432-1327.2000.01032.x . PMID 10651802 . 
  4. ^ Hadj-Saïd J, Pandelia ME, Léger C, Fourmond V, Dementin S (diciembre de 2015). "La deshidrogenasa de monóxido de carbono de Desulfovibrio vulgaris" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergética . 1847 (12): 1574–83. doi : 10.1016 / j.bbabio.2015.08.002 . PMID 26255854 . 
  5. ^ Jeoung J, Fesseler J, Goetzl S, Dobbek H (2014). "Capítulo 3. Monóxido de carbono. Gas tóxico y combustible para anaerobios y aerobios: monóxido de carbono deshidrogenasas ". En Kroneck PM, Torres ME (eds.). La biogeoquímica impulsada por metales de compuestos gaseosos en el medio ambiente . Iones metálicos en ciencias de la vida. 14 . Saltador. págs. 37–69. doi : 10.1007 / 978-94-017-9269-1_3 . PMID 25416390 . 
  6. ↑ a b Dobbek H, Svetlitchnyi V, Gremer L, Huber R, Meyer O (agosto de 2001). "La estructura cristalina de una deshidrogenasa de monóxido de carbono revela un grupo [Ni-4Fe-5S]". Ciencia . 293 (5533): 1281–5. Código Bibliográfico : 2001Sci ... 293.1281D . doi : 10.1126 / science.1061500 . PMID 11509720 . S2CID 21633407 .  
  7. ^ a b Ragsdale S (septiembre de 2010). Sigel H, Sigel A (ed.). "Enlaces metal-carbono en enzimas y cofactores" . Revisiones de química de coordinación . Iones metálicos en ciencias de la vida. Real Sociedad de Química. 254 (17-18): 1948-1949. doi : 10.1039 / 9781847559333 . ISBN 978-1-84755-915-9. PMC  2923820 . PMID  20729977 .
  8. ^ Doukov TI, Blasiak LC, Seravalli J, Ragsdale SW, Drennan CL (marzo de 2008). "Xenón en y al final del túnel de monóxido de carbono deshidrogenasa bifuncional / acetil-CoA sintasa" . Bioquímica . 47 (11): 3474–83. doi : 10.1021 / bi702386t . PMC 3040099 . PMID 18293927 .  
  9. ^ Tan X, Volbeda A, Fontecilla-Camps JC, Lindahl PA (abril de 2006). "Función del túnel en acetilcoenzima A sintasa / monóxido de carbono deshidrogenasa". Revista de Química Inorgánica Biológica . 11 (3): 371–8. doi : 10.1007 / s00775-006-0086-9 . PMID 16502006 . S2CID 25285535 .  
  10. ^ Wittenborn EC, Merrouch M, Ueda C, Fradale L, Léger C, Fourmond V, et al. (Octubre de 2018). "Reordenamientos dependientes de Redox del grupo NiFeS de monóxido de carbono deshidrogenasa" . eLife . 7 : e39451. doi : 10.7554 / eLife.39451 . PMC 6168284 . PMID 30277213 .  
  11. ^ Doukov TI, Blasiak LC, Seravalli J, Ragsdale SW, Drennan CL (marzo de 2008). "Xenón en y al final del túnel de monóxido de carbono deshidrogenasa bifuncional / acetil-CoA sintasa" . Bioquímica . 47 (11): 3474–83. doi : 10.1021 / bi702386t . PMC 3040099 . PMID 18293927 .  [ enlace muerto permanente ]
  12. ^ Doukov TI, Iverson TM, Seravalli J, Ragsdale SW, Drennan CL (octubre de 2002). "Un centro de Ni-Fe-Cu en una deshidrogenasa de monóxido de carbono bifuncional / acetil-CoA sintasa" (PDF) . Ciencia . 298 (5593): 567–72. Código Bibliográfico : 2002Sci ... 298..567D . doi : 10.1126 / science.1075843 . PMID 12386327 . S2CID 39880131 .   [ enlace muerto permanente ]
  13. ^ Seravalli J, Ragsdale SW (febrero de 2000). "Canalización de monóxido de carbono durante la fijación anaeróbica de dióxido de carbono". Bioquímica . 39 (6): 1274–7. doi : 10.1021 / bi991812e . PMID 10684606 . 
  14. ^ Tan X, Loke HK, Fitch S, Lindahl PA (abril de 2005). "El túnel de acetil-coenzima a sintasa / monóxido de carbono deshidrogenasa regula la entrega de CO al sitio activo". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 127 (16): 5833–9. doi : 10.1021 / ja043701v . PMID 15839681 . 
  15. ^ Semanas A, Lund L, Raushel FM (octubre de 2006). "Túnel de intermedios en reacciones catalizadas por enzimas". Opinión actual en biología química . 10 (5): 465–72. doi : 10.1016 / j.cbpa.2006.08.008 . PMID 16931112 . 
  16. ^ Ragsdale SW (agosto de 2006). "Metales y sus andamios para promover reacciones enzimáticas difíciles". Revisiones químicas . 106 (8): 3317–37. doi : 10.1021 / cr0503153 . PMID 16895330 . 
  17. ^ Chen J, Huang S, Seravalli J, Gutzman H, Swartz DJ, Ragsdale SW, Bagley KA (diciembre de 2003). "Estudios infrarrojos de unión de monóxido de carbono a monóxido de carbono deshidrogenasa / acetil-CoA sintasa de Moorella thermoacetica". Bioquímica . 42 (50): 14822-30. doi : 10.1021 / bi0349470 . PMID 14674756 . 
  18. ^ Dobbek H, Svetlitchnyi V, Gremer L, Huber R, Meyer O (agosto de 2001). "La estructura cristalina de una deshidrogenasa de monóxido de carbono revela un grupo [Ni-4Fe-5S]". Ciencia . 293 (5533): 1281–5. Código Bibliográfico : 2001Sci ... 293.1281D . doi : 10.1126 / science.1061500 . PMID 11509720 . S2CID 21633407 .  
  19. ^ Ha SW, Korbas M, Klepsch M, Meyer-Klaucke W, Meyer O, Svetlitchnyi V (abril de 2007). "Interacción de cianuro de potasio con el clúster de sitio activo [Ni-4Fe-5S] de CO deshidrogenasa de Carboxydothermusrogenoformans" . La Revista de Química Biológica . 282 (14): 10639–46. doi : 10.1074 / jbc.M610641200 . PMID 17277357 . 
  20. ^ Wang VC, Ragsdale SW, Armstrong FA (2014). "Investigaciones de las interconversiones electrocatalíticas eficientes de dióxido de carbono y monóxido de carbono por monóxido de carbono deshidrogenasas que contienen níquel". En Peter MH Kroneck, Martha E. Sosa Torres (eds.). La biogeoquímica impulsada por metales de compuestos gaseosos en el medio ambiente . Iones metálicos en ciencias de la vida. 14 . Saltador. págs. 71–97. doi : 10.1007 / 978-94-017-9269-1_4 . ISBN 978-94-017-9268-4. PMC  4261625 . PMID  25416391 .
  21. ^ Ragsdale SW (noviembre de 2007). "Níquel y el ciclo del carbono" . Revista de bioquímica inorgánica . 101 (11-12): 1657–66. doi : 10.1016 / j.jinorgbio.2007.07.014 . PMC 2100024 . PMID 17716738 .  
  22. ^ Ragsdale SW, Pierce E (diciembre de 2008). "Acetogénesis y la vía Wood-Ljungdahl de fijación de CO (2)" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteínas y proteómica . 1784 (12): 1873–98. doi : 10.1016 / j.bbapap.2008.08.012 . PMC 2646786 . PMID 18801467 .  
  23. ^ Feng J, Lindahl PA (febrero de 2004). "Deshidrogenasa de monóxido de carbono de Rhodospirillum rubrum: efecto del potencial redox en la catálisis". Bioquímica . 43 (6): 1552–9. doi : 10.1021 / bi0357199 . PMID 14769031 . 
  24. ^ Hadj-Saïd J, Pandelia ME, Léger C, Fourmond V, Dementin S (diciembre de 2015). "La deshidrogenasa de monóxido de carbono de Desulfovibrio vulgaris" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergética . 1847 (12): 1574–83. doi : 10.1016 / j.bbabio.2015.08.002 . PMID 26255854 . 
  25. ^ Ragsdale SW, Pierce E (diciembre de 2008). "Acetogénesis y la vía Wood-Ljungdahl de fijación de CO (2)" . Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Proteínas y proteómica . 1784 (12): 1873–98. doi : 10.1016 / j.bbapap.2008.08.012 . PMC 2646786 . PMID 18801467 .  
  26. ^ Ensign SA, Ludden PW (septiembre de 1991). "Caracterización del sistema de evolución de oxidación de CO / H2 de Rhodospirillum rubrum. Papel de una proteína de hierro-azufre de 22 kDa en la mediación de la transferencia de electrones entre la monóxido de carbono deshidrogenasa y la hidrogenasa". La Revista de Química Biológica . 266 (27): 18395–403. PMID 1917963 . 

Lectura adicional [ editar ]

  • Drennan CL, Heo J, Sintchak MD, Schreiter E, Ludden PW (octubre de 2001). "Vida en monóxido de carbono: estructura de rayos X de Rhodospirillum rubrum Ni-Fe-S monóxido de carbono deshidrogenasa" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias de los Estados Unidos de América . 98 (21): 11973–8. Código Bibliográfico : 2001PNAS ... 9811973D . doi : 10.1073 / pnas.211429998 . PMC  59822 . PMID  11593006 .
  • Jeoung JH, Martins BM, Dobbek H (2019). "Deshidrogenasas de monóxido de carbono". En Hu Y (ed.). Metaloproteínas . Métodos en Biología Molecular. 1876 . Nueva York: Springer. págs. 37–54. doi : 10.1007 / 978-1-4939-8864-8_3 . ISBN 9781493988631. PMID  30317473 .
  • Jeoung JH, Dobbek H (noviembre de 2007). "Activación de dióxido de carbono en el Ni, Fe-cluster de monóxido de carbono deshidrogenasa anaeróbica". Ciencia . Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia. 318 (5855): 1461–4. Código Bibliográfico : 2007Sci ... 318.1461J . doi : 10.1126 / science.1148481 . JSTOR  20051712 . PMID  18048691 . S2CID  41063549 .
  • Dobbek H, Svetlitchnyi V, Gremer L, Huber R, Meyer O (agosto de 2001). "La estructura cristalina de una deshidrogenasa de monóxido de carbono revela un grupo [Ni-4Fe-5S]". Ciencia . 293 (5533): 1281–5. Código Bibliográfico : 2001Sci ... 293.1281D . doi : 10.1126 / science.1061500 . PMID  11509720 . S2CID  21633407 .* Hegg EL (octubre de 2004). "Desentrañar la estructura y el mecanismo de la acetil-coenzima A sintasa". Cuentas de Investigación Química . 37 (10): 775–83. doi : 10.1021 / ar040002e . PMID 15491124 . S2CID 29401674 .  *
  • Hu Z, Spangler NJ, Anderson ME, Xia J, Ludden PW, Lindahl PA, Münck E (1 de enero de 1996). "Naturaleza del C-Cluster en deshidrogenasas de monóxido de carbono que contienen Ni". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 118 (4): 830–845. doi : 10.1021 / ja9528386 . ISSN  0002-7863 .
  • Bartholomew GW, Alexander M (mayo de 1979). "Metabolismo microbiano del monóxido de carbono en cultivo y en suelo" . Microbiología aplicada y ambiental . 37 (5): 932–7. doi : 10.1128 / AEM.37.5.932-937.1979 . PMC  243327 . PMID  485139 .