La DMSO reductasa es una enzima que contiene molibdeno que cataliza la reducción de dimetilsulfóxido (DMSO) a dimetilsulfuro (DMS). Esta enzima sirve como reductasa terminal en condiciones anaeróbicas en algunas bacterias, siendo el DMSO el aceptor de electrones terminal. Durante el curso de la reacción, el átomo de oxígeno en DMSO se transfiere a molibdeno y luego se reduce a agua.
Dimetilsulfóxido reductasa | ||||||||
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Identificadores | ||||||||
CE no. | 1.8.5.3 | |||||||
Bases de datos | ||||||||
IntEnz | Vista IntEnz | |||||||
BRENDA | Entrada BRENDA | |||||||
FÁCIL | NiceZyme vista | |||||||
KEGG | Entrada KEGG | |||||||
MetaCyc | camino metabólico | |||||||
PRIAM | perfil | |||||||
Estructuras PDB | RCSB PDB PDBe PDBsum | |||||||
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La DMSO reductasa (DMSOR) y otros miembros de la familia de la DMSO reductasa son exclusivos de las bacterias y arqueas . Enzimas de esta familia en la fosforilación oxidativa anaeróbica y la respiración litotrófica basada en donantes inorgánicos . Estas enzimas se han diseñado para degradar los oxoaniones. [1] [2] [3] DMSOR cataliza la transferencia de dos electrones y un átomo de oxígeno en la reacción: El sitio activo de DMSOR contiene molibdeno, que por lo demás es poco común en biología. [2]
Estructura terciaria y sitio activo
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En cuanto a otros miembros de la familia de la DMSO reductasa, la estructura terciaria de DMSOR está compuesta por dominios I-IV que rodean al Mo, y el dominio IV interactúa fuertemente con los cofactores piranopterinditioleno Mo (P- y Q-pterina) del sitio activo. [2] [3] Los miembros de la familia de la DMSO reductasa difieren en términos de sus sitios activos. [3] En el caso de DMSOR, el centro de Mo se encuentra en dos ditiolenos proporcionados por dos cofactores de piranopterina. Estos cofactores orgánicos, llamados molibdopterinas , están vinculados a GMP para crear una forma de dinucleótido. Un ligando adicional similar a un quinto casquete es la cadena lateral O del residuo de serina-147, que además clasifica la enzima como reductasa DMSO de tipo III. En los tipos I y II, la serina se reemplaza por residuos de cisteína y aspartato, respectivamente. Dependiendo del estado redox del Mo, que fluctúa entre IV, V o VI a medida que avanza la reacción, el núcleo de Mo del sitio activo también puede ligarse a un átomo de oxígeno de un grupo agua, hidroxo u oxo, respectivamente. . Los estudios han demostrado que la identidad particular del aminoácido utilizado para coordinar el núcleo de Mo influye en gran medida en el potencial de punto medio redox de Mo y el estado de protonación de la ligadura del grupo de oxígeno, que son determinantes clave en el mecanismo de la enzima para la catálisis. [2]
Mecanismo
Los estudios iniciales de DMSO 18 isotópicos establecieron un mecanismo de doble oxotransferasa para DMSOR de R. sphaeroides . En este mecanismo, el O 18 marcado se transfiere del sustrato al Mo, que luego transfiere el O 18 al 1,3,5-triaza-7-fosfaadamantano (PTA) para producir PTAO 18 . [6] En un mecanismo análogo, DMSO transfiere O a Mo, y el centro de Mo (VI) O resultante se reduce, produciendo agua. [7]
Los estudios sobre complejos sintéticos de bisditioleno de Mo sugieren que son transferencia de oxígeno, transferencia de electrones. Usando S K-edge XAS y DFT, estos estudios de modelos apuntan a la escisión SO concertada y la transferencia de electrones. Las velocidades son proporcionales a la disminución de la fuerza de unión del sustrato XO y al aumento de la afinidad del protón del sustrato. [8]
La cristalografía de rayos X estableció que la estructura terciaria general de la enzima permanece constante a lo largo de la progresión de la reacción. Sin embargo, varios experimentos diferentes llevados a cabo en DMSOR de R. sphaeroides informaron resultados diferentes para la actividad de coordinación de los cuatro ligandos de ditioleno potenciales. Mientras que una investigación de cristalografía de rayos X concluyó la coordinación equidistante de los cuatro ligandos de Mo-S en la forma oxidada, que está respaldada por numerosos estudios de espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), un estudio diferente caracterizó distancias asimétricas de Mo-S. Tanto los estudios como los estudios de resonancia paramagnética electrónica (EPR) han predicho que el sitio activo de Mo es muy flexible en términos de posición y grado de posibles coordinaciones de ligandos. [7] [9]
Los datos que sugerían dos cofactores de piranopterina significativamente asimétricos se utilizaron para proponer un mecanismo de reacción. En la forma Mo VI completamente oxidada del sitio activo, los ligandos del grupo oxo y de la serina se coordinaron a una distancia de 1,7 A del centro de Mo. S1 y S2 de la P-pterina y S1 de la Q-pterina se ubicaron a 2.4 A de distancia del Mo, y S2 de Q-pterina se ubicaron a 3.1 A de distancia. Esta asimetría de pterina puede ser el resultado del efecto trans del grupo oxo que debilita el enlace S2-Mo, que se encuentra directamente opuesto al grupo oxo. [7]
Por el contrario, la estructura de la forma Mo IV completamente reducida del sitio activo mostró que S1 y S2 P-pterina y S1 Q-pterina mantuvieron una coordinación completa, sin embargo, el S2 de la Q-pterina se alejó del centro metálico, lo que indica una disminución de la coordinación. . Este cambio en la longitud del enlace ligando-Mo es consistente con el mecanismo propuesto de transferencia directa de oxígeno desde el sustrato DMSO al Mo. Una coordinación ditioleno más débil en la forma de enzima reducida podría facilitar la unión directa de S = O. En la reducción de Mo y la protonación del grupo oxo, se propone que una fuente de electrones del citocromo podría unirse a una depresión por encima del sitio activo y reducir directamente el centro de Mo, o alternativamente este citocromo podría unirse a un bucle polipeptídico bien solvatado. en las proximidades de la Q-pterina, y la Q-pterina podría mediar esta transferencia de electrones. [7]
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Regulación y localización celular
En R. sphaeroides , DMSOR es una proteína soluble en agua de una sola subunidad que no requiere cofactores adicionales más allá de la pterina. En E. coli , DMSOR está incrustado dentro de la membrana y tiene tres subunidades únicas, una de las cuales incluye el cofactor de pterina característico, otra que contiene cuatro grupos 4Fe: 4S y una subunidad transmembrana final que se une y oxida el menaquinol. La transferencia de un e- de menaquinol a los grupos 4Fe: 4S y finalmente al sitio activo de pterina-Mo genera un gradiente de protones usado para la generación de ATP. [7]
DMSOR regulado predominantemente a nivel transcripcional. Está codificado por el gen dor y se expresa cuando se activa mediante una cascada de señales, que está bajo la regulación de las proteínas DorS, DorR y DorC. Un estudio de fusiones de lacZ (genes informadores) a los correspondientes promotores dorS, dorR y dorC concluyó que la expresión de DorR y DorC aumentaba en entornos de oxígeno reducido, pero la expresión de DorS no se veía afectada por la concentración de oxígeno. La expresión de DorC también aumentó con concentraciones crecientes de DMSO. [10]
Impacto medioambiental
DMS, un producto de DMSOR, es un componente del ciclo del azufre . El DMS se oxida a metanosulfonatos , que nuclean la condensación de nubes sobre océanos abiertos, donde la fuente alternativa de nucleación, el polvo, está ausente. La formación de nubes es un componente clave para aumentar el albedo de la tierra y regular la temperatura atmosférica, por lo que esta enzima y la reacción que cataliza podrían resultar útiles en la frontera del control climático. [11]
Referencias
- ^ Kappler U, Schäfer H (2014). "Capítulo 11. Transformaciones de dimetilsulfuro ". 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. 279–313. doi : 10.1007 / 978-94-017-9269-1_11 . ISBN 978-94-017-9268-4. PMID 25416398 .
- ^ a b c d McEwan AG, Kappler U (2004). "La familia DMSO reductasa de enzimas microbianas de molibdeno" (PDF) . Bioquímico australiano . 35 (3): 17-20. Archivado desde el original (PDF) el 7 de marzo de 2014 . Consultado el 27 de febrero de 2014 .
- ^ a b c d e McEwan AG, Ridge JP, McDevitt CA, Hugenholtz P (2002). "La familia de reductasa DMSO de enzimas de molibdeno microbianas; propiedades moleculares y papel en la reducción disimilatoria de elementos tóxicos". Revista de geomicrobiología . 19 (1): 3-21. doi : 10.1080 / 014904502317246138 .
- ^ PDB : 1DMS ; Schneider F, Löwe J, Huber R, Schindelin H, Kisker C, Knäblein J (octubre de 1996). "Estructura cristalina de la dimetilsulfóxido reductasa de Rhodobacter capsulatus a una resolución de 1,88 A". Revista de Biología Molecular . 263 (1): 53–69. doi : 10.1006 / jmbi.1996.0555 . PMID 8890912 .
- ^ PDB : 4DMR ; McAlpine AS, McEwan AG, Bailey S (enero de 1998). "La estructura cristalina de alta resolución de la DMSO reductasa en complejo con DMSO". Revista de Biología Molecular . 275 (4): 613–23. doi : 10.1006 / jmbi.1997.1513 . PMID 9466935 .
- ^ Schultz BE, Hille R, Holm RH (1995), "Transferencia directa de átomos de oxígeno en el mecanismo de acción de la dimetilsulfóxido reductasa de Rhodobacter sphaeroides", Journal of the American Chemical Society , 117 (2): 827–828, doi : 10.1021 / ja00107a031 , ISSN 0002-7863
- ^ a b c d e Kisker C, Schindelin H, Rees DC (1997). "Enzimas que contienen cofactor de molibdeno: estructura y mecanismo" (PDF) . Revisión anual de bioquímica . 66 : 233–67. doi : 10.1146 / annurev.biochem.66.1.233 . PMID 9242907 .
- ^ Tenderholt AL, Wang JJ, Szilagyi RK, Holm RH, Hodgson KO, Hedman B, Solomon EI (junio de 2010). "Espectroscopía de absorción de rayos X de borde K de azufre y cálculos funcionales de densidad en Mo (IV) y Mo (VI) = O bis-ditiolenos: conocimientos sobre el mecanismo de transferencia de oxo en DMSO reductasa y análogos funcionales relacionados" . Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 132 (24): 8359–71. doi : 10.1021 / ja910369c . PMC 2907113 . PMID 20499905 .
- ^ McAlpine AS, McEwan AG, Shaw AL, Bailey S (1997). "Centro activo de molibdeno de DMSO reductasa de Rhodobacter capsulatus: estructura cristalina de la enzima oxidada a una resolución de 1.82-A y la enzima reducida en ditionito a una resolución de 2.8-A". JBIC . 2 (6): 690–701. doi : 10.1007 / s007750050185 .
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- ^ Sarkar B (21 de marzo de 2002). Metales pesados en el medio ambiente . Prensa CRC. pag. 456. ISBN 978-0-8247-4475-5.