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Dioxigenasa
PDB 1eob EBI.jpg
estructura cristalina de acinetobacter sp. adp1 protocatecuato 3,4-dioxigenasa en complejo con 3,4-dihidroxibenzoato
Identificadores
SímboloDioxigenasa_C
PfamPF00775
Clan pfamCL0287
InterProIPR000627
PROSITEPDOC00079
SCOP22pcd / SCOPe / SUPFAM
Estructuras proteicas disponibles:
Pfam  estructuras / ECOD  
PDBRCSB PDB ; PDBe ; PDBj
PDBsumresumen de estructura

Las dioxigenasas son enzimas oxidorreductasa . La vida aeróbica , desde especies de bacterias unicelulares simples hasta organismos eucariotas complejos , ha evolucionado para depender del poder oxidante del dioxígeno en diversas vías metabólicas. Desde la generación energética de trifosfato de adenosina (ATP) hasta la degradación xenobiótica , el uso de dioxígeno como oxidante biológico está muy extendido y varía en el mecanismo exacto de su uso. Las enzimas emplean muchos esquemas diferentes para usar dioxígeno, y esto depende en gran medida del sustrato y la reacción en cuestión.

Comparación con monooxigenasas [ editar ]

En las monooxigenasas , solo un átomo de dioxígeno se incorpora a un sustrato y el otro se reduce a una molécula de agua. Las dioxigenasas ( EC 1.13.11 ) catalizan la oxidación de un sustrato sin la reducción de un átomo de oxígeno de dioxígeno a una molécula de agua. Sin embargo, esta definición es ambigua porque no tiene en cuenta cuántos sustratos están involucrados en la reacción. La mayoría de las dioxigenasas incorporan completamente dioxígeno en un solo sustrato, y para lograrlo se utilizan diversos esquemas de cofactores . Por ejemplo, en el α-cetoglutarato-enzimas dependientes, un átomo de dioxígeno se incorpora en dos sustratos, siendo uno siempre el α-cetoglutarato, y esta reacción es provocada por un centro de hierro mononuclear.

Enzimas que contienen hierro [ editar ]

El cofactor involucrado en las reacciones de dioxigenación más ampliamente observado es el hierro , pero el esquema catalítico empleado por estas enzimas que contienen hierro es muy diverso. Las dioxigenasas que contienen hierro se pueden subdividir en tres clases sobre la base de cómo se incorpora el hierro en el sitio activo: las que emplean un centro de hierro mononuclear, las que contienen un grupo de Rieske [2Fe-2S] y las que utilizan un grupo protésico hemo .

Dioxigenasas de hierro mononucleares [ editar ]

Las dioxigenasas de hierro mononucleares, o dioxigenasas dependientes de hierro no hemo , como también se denominan, utilizan un solo hierro catalítico para incorporar uno o ambos átomos de dioxígeno en un sustrato. A pesar de este evento de oxigenación común, las dioxigenasas de hierro mononucleares son diversas en cuanto a cómo se usa la activación de dioxígeno para promover ciertas reacciones químicas. [1] Por ejemplo, la escisión del enlace carbono-carbono, la hidroperoxidación de ácidos grasos, la escisión del enlace carbono-azufre y la oxidación del tiol son todas reacciones catalizadas por dioxigenasas de hierro mononucleares. [1] [2] [3]

La mayoría de las dioxigenasas de hierro mononucleares son miembros de la superfamilia cupin en la que la estructura general del dominio se describe como un pliegue de barril β de seis hebras (o motivo de rollo de gelatina ). En el centro de esta estructura de barril es un ion metálico, más comúnmente de hierro ferroso, cuyo entorno coordinación es frecuentemente proporcionada por los residuos en dos motivos estructurales parcialmente conservadas: G (X) 5 HXH (X) 3 - 4 E (X) 6 G y G (X) 5 - 7 PXG (X) 2 H (X) 3 N. [4] [5]

Figura 2. Escisión del anillo intradiol

Dos grupos importantes de dioxigenasas de hierro mononucleares no hemo son las catecol dioxigenasas y las dioxigenasas dependientes de 2-oxoglutarato (2OG) . [6] Las catecol dioxigenasas , algunas de las enzimas dioxigenasas mejor estudiadas, utilizan dioxígeno para escindir un enlace carbono-carbono de un sistema de anillo de catecol aromático . [4] Las catecol dioxigenasas se clasifican además como “extradiol” o “intradiol”, y esta distinción se basa en diferencias mecánicas en las reacciones (figuras 1 y 2). Las enzimas intradiol rompen el enlace carbono-carbono entre los dos grupos hidroxilo. El centro férrico activo está coordinado por cuatro ligandos de proteínas: dos residuos de histidina y dos de tirosinato.—De forma bipiramidal trigonal con una molécula de agua ocupando el quinto sitio de coordinación. [3] Una vez que un sustrato catecolato se une al centro metálico de forma bidentada a través de los grupos hidroxilo desprotonados, el hierro férrico "activa" el sustrato mediante la abstracción de un electrón para producir un radical en el sustrato. Esto permite que se produzca la reacción con dioxígeno y la posterior escisión del intradiol a través de un intermedio de anhídrido cíclico. [2] [4]Los miembros extradiol utilizan hierro ferroso como estado redox activo, y este centro se coordina comúnmente octaédricamente a través de un motivo 2-His-1-Glu con ligandos lábiles de agua que ocupan posiciones vacías. Una vez que un sustrato se une al centro ferroso, esto promueve la unión de dioxígeno y la activación posterior. [2] [4] [7] Esta especie de oxígeno activado luego procede a reaccionar con el sustrato, escindiendo finalmente el enlace carbono-carbono adyacente a los grupos hidroxilo mediante la formación de un intermedio de α-cetolactona. [3]

En las dioxigenasas dependientes de 2OG, el hierro ferroso ( Fe (II) ) también está coordinado por un motivo de "tríada facial" (His) 2 (Glu / Asp) 1. La coordinación bidentada de 2OG y agua completa una esfera de coordinación pseudo-octaédrica. Después de la unión del sustrato, se libera el ligando de agua, produciendo un sitio de coordinación abierto para la activación del oxígeno. [6] Tras la unión del oxígeno, se produce una transformación poco conocida durante la cual 2OG se descarboxila oxidativamente a succinato y el enlace OO se escinde para formar un intermedio Fe (IV) -oxo ( ferryl ). Este poderoso oxidante se utiliza luego para llevar a cabo diversas reacciones, que incluyen hidroxilación, halogenación y desmetilación. [8]En el caso mejor caracterizado, las hidroxilasas, el intermedio ferryl extrae un átomo de hidrógeno de la posición objetivo del sustrato, produciendo un radical de sustrato y Fe (III) -OH. Este radical luego se acopla al ligando de hidróxido, produciendo el producto hidroxilado y el estado de reposo Fe (II) de la enzima. [8]

Dioxigenasas de Rieske [ editar ]

Las dioxigenasas de Rieske catalizan la cis-dihidroxilación de arenos a productos cis-dihidro-diol. Estas enzimas se encuentran de manera prominente en bacterias del suelo como Pseudomonas , [3] y sus reacciones constituyen el paso inicial en la biodegradación de hidrocarburos aromáticos. [2] Las dioxigenasas de Rieske son estructuralmente más complejas que otras dioxigenasas debido a la necesidad de una vía de transferencia de electrones eficiente (figura 2) para mediar la reducción simultánea adicional de dos electrones del sustrato aromático.

Figura 2. Mecanismo de transferencia de electrones de las dioxigenasas de Rieske

Una dioxigenasa de Rieske catalíticamente competente tiene tres componentes: una reductasa FAD dependiente de NADH , una ferredoxina con dos grupos de Rieske [2Fe-2S] y una oxigenasa α3β3 con cada subunidad α que contiene un centro de hierro mononuclear y un [2Fe-2S] Clúster de Rieske. [2] Dentro de cada subunidad α, el grupo de hierro-azufre y el centro de hierro mononuclear están separados por una distancia de unos ~ 43 Å, demasiado lejos para una transferencia de electrones eficiente.que se produzca. En cambio, se propone que la transferencia de electrones está mediada a través de estos dos centros en subunidades adyacentes, que el grupo de hierro-azufre de una subunidad transfiere electrones al centro de hierro mononuclear de la subunidad adyacente que está convenientemente separada por ~ 12 Å. Si bien esta distancia parecería óptima para una transferencia de electrones eficiente, el reemplazo del residuo de aspartato de puente provoca una pérdida de la función enzimática, lo que sugiere que la transferencia de electrones, en cambio, procede a través de la red de enlaces de hidrógeno mantenida por este residuo de aspartato. [3]

Sitio activo de la dioxigenasa de Rieske (naftaleno 1,2-dioxigenasa de Rhodococcus sp. ) (PDB 2B1X)

El cuadro mecanicista para esta clase de dioxigenasas aún no está claro, pero hay evidencia que apoya un intermedio de hidroperoxi de hierro (III) en la vía de reacción. [7] Esta especie podría representar el oxidante activo, o podría sufrir la ruptura del enlace OO hemolítico para producir un intermedio de hierro (V) -oxo como agente oxidante de trabajo. [3] [7] Las dioxigenasa de Rieske son una clase poderosa de enzimas con actividad redox, y se han informado reacciones como sulfoxidación, desaturación y oxidación bencílica además de la dioxigenación. [2]

Dioxigenasas que contienen hemo [ editar ]

Si bien la mayoría de las dioxigenasas dependientes de hierro utilizan un cofactor de hierro no hemo, la oxidación de L- (y D-) triptófano a N-formilquinurenina es catalizada por triptófano 2,3-dioxigenasa (TDO) o indoleamina 2,3-dioxigenasa ( IDO), que son dioxigenasas hem que utilizan hierro coordinado por un grupo protésico hemo B. [9] [10] Si bien estas dioxigenasas son de interés en parte porque utilizan exclusivamente el hemo para la catálisis, también son de interés debido a su importancia en la regulación del triptófano en la célula, que tiene numerosas implicaciones fisiológicas. [11]Se cree que la asociación inicial del sustrato con el dioxígeno-hierro en el sitio activo de la enzima procede por adición de radicales o electrofílica, requiriendo hierro ferroso o hierro férrico, respectivamente. [9] Si bien el mecanismo de reacción exacto para las dioxigenasas dependientes de hemo aún está en debate, se postula que la reacción procede a través de un mecanismo de dioxetano o de Criegee (figuras 4, 5). [9] [11]

Figura 4. Posible mecanismo de reordenamiento de Criegee por TDO / IDO
Figura 5. Posible mecanismo de dioxetano por TDO / IDO

Dioxigenasas cambialísticas [ editar ]

Si bien el hierro es, con mucho, el cofactor más utilizado para la dioxigenación enzimática, no todas las dioxigenasas lo requieren para la catálisis. La quercetina 2,3-dioxigenasa (quercetinasa, QueD) cataliza la escisión dioxigenolítica de la quercetina en ácido 2-protocatechuoilfloroglucinolcarboxílico y monóxido de carbono . [12] La enzima más caracterizada, de Aspergillus japonicus, requiere la presencia de cobre , [4] y se han descubierto quercetinasas bacterianas que son bastante promiscuas (cambialistas) [13] en sus requisitos de un centro metálico, con diversos grados de actividad. reportado con sustitución de divalente manganeso , cobalto , hierro, níquel y cobre. [12] (Quercetina, papel en el metabolismo). La acireductona (1,2-dihidroxi-5- (metiltio) pent-1-en-3-ona) dioxigenasa (ARD) se encuentra tanto en procariotas como en eucariotas . [4] [12] [14] Las enzimas ARD de la mayoría de las especies se unen al hierro ferroso y catalizan la oxidación de la acireductona a 4- (metiltio) -2-oxobutanoato, el α-cetoácido de la metionina y el ácido fórmico . Sin embargo, ARD de Klebsiella oxytocacataliza una reacción adicional cuando el níquel (II) está unido: en su lugar, produce 3- (metiltio) propionato, formiato y monóxido de carbono a partir de la reacción de acireductona con dióxido de carbono. La actividad de Fe-ARD está estrechamente entrelazada con la vía de recuperación de metionina, en la que el producto de metiltioadenosina de las reacciones celulares de S-adenosil metionina (SAM) se convierte finalmente en acireductona.

Si bien se desconoce el papel exacto de Ni-ARD, se sospecha que ayuda a regular los niveles de metionina al actuar como una derivación en la vía de rescate. Esta enzima de K. oxytoca representa un ejemplo único en el que el ion metálico presente dicta qué reacción se cataliza. Las quercetinasas y las enzimas ARD son todas miembros de la superfamilia cupina , a la que también pertenecen las enzimas de hierro mononucleares. [15] El esquema de coordinación de metales para las enzimas QueD es un 3-His o 3-His-1-Glu con la disposición exacta que es específica del organismo. [4] Todas las enzimas ARD quelan el metal catalítico (Ni o Fe) a través del motivo 3-His-1-Glu. [15] En estas dioxigenasas, los ligandos coordinadoresson proporcionados por los dos motivos típicos de cupin. En las enzimas ARD, el metal existe en una disposición octaédrica con los tres residuos de histidina que componen una tríada facial. [14] Los centros de metales de la quercetinasa bacteriana suelen tener un entorno de coordinación trigonal bipiramidal u octaédrico cuando hay cuatro ligandos de proteínas; los centros metálicos de las enzimas QueD dependientes de cobre poseen una geometría tetraédrica distorsionada en la que solo los tres residuos de histidina conservados proporcionan ligandos de coordinación. [4] [12] Los sitios de coordinación vacíos en todos los centros metálicos están ocupados por ligandos de agua hasta que son desplazados por el sustrato entrante.

La capacidad de estas dioxigenasas para retener la actividad en presencia de otros cofactores metálicos con amplios rangos de potenciales redox sugiere que el centro metálico no juega un papel activo en la activación del dioxígeno. Más bien, se cree que el centro de metal funciona para mantener el sustrato en la geometría adecuada para que reaccione con el dioxígeno. A este respecto, estas enzimas recuerdan a las intradiol catecol dioxigenasas mediante las cuales los centros metálicos activan el sustrato para la posterior reacción con dioxígeno.

Dioxigenasas independientes de cofactor [ editar ]

Figura 5. Mecanismo catalítico QDO

Las dioxigenasas que catalizan reacciones sin necesidad de un cofactor son mucho más raras en la naturaleza que las que las requieren. Se ha demostrado que dos dioxigenasas, 1H-3-hidroxi-4-oxo-quinolina 2,4-dioxigenasa (QDO) y 1H-3-hidroxi-4-oxoquinaldina 2,4-dioxigenasa (HDO), no requieren un compuesto orgánico ni cofactor de metal. [16] Estas enzimas catalizan la degradación de heterociclos de quinolona de una manera similar a la quercetina dioxigenasa , pero se cree que median una reacción radical de una molécula de dioxígeno con un carbanión en el sustrato (figura 5). [17] Tanto la HDO como la QDO pertenecen a la hidrolasa α / β.superfamilia de enzimas, aunque los residuos catalíticos en HDO y QDO no parecen cumplir la misma función que en el resto de las enzimas de la superfamilia α / β hidrolasa. [dieciséis]

Importancia clínica [ editar ]

Debido al grado de diversidad en la familia de las dioxigenasas, las dioxigenasas tienen una amplia gama de influencias en biología:

  • La triptófano 2,3-dioxigenasa (TDO) es importante para regular los niveles de triptófano en el cuerpo y se expresa en un gran número de tumores humanos. [18] La otra dioxigenasa hemo dependiente de hierro, IDO, también tiene relevancia para la salud humana, ya que funciona en las respuestas inflamatorias en el contexto de ciertas enfermedades. [19] Dado que afecta los niveles de triptófano y quinurenina , el IDO también se ha implicado en los sistemas de influencia relacionados con la depresión en los seres humanos. [20]
  • La alcaptonuria es una enfermedad genética que resulta en una deficiencia de homogentisato 1,2-dioxigenasa , que es responsable de catalizar la formación de 4-malilacetoacetato a partir del homogentisato . [21] La acumulación de ácido homogentísico puede resultar en daño a las válvulas cardíacas, cálculos renales y daño al cartílago en el cuerpo. [22]
  • La neurodegeneración asociada a pantotenato quinasa (PKAN) es un trastorno autosómico recesivo que puede conducir al desarrollo de gránulos de hierro y cuerpos de Lewy en las neuronas . Un estudio ha demostrado que los pacientes diagnosticados con PKAN tenían niveles elevados de cisteína en el globo pálido como consecuencia de una deficiencia de cisteína dioxigenasa . [23] Los pacientes con PKAN a menudo desarrollan síntomas de demencia y, a menudo, mueren a una edad temprana en la edad adulta.
  • En la reparación del ADN, la dioxigenasa AlkB dependiente de Fe (II) / 2-oxoglutarato , funciona en la eliminación oxidativa del daño por alquilación del ADN. Si no se elimina el daño por alquilación del ADN, se puede producir citotoxicidad o mutagénesis durante la replicación del ADN.
  • Las ciclooxigenasas (COX), que son responsables de la formación de prostanoides en el cuerpo humano, son el objetivo de muchos analgésicos AINE . [10] La inhibición de la COX reduce la inflamación y tiene un efecto analgésico, debido a la disminución del nivel de síntesis de prostaglandinas y tromboxano.

Referencias [ editar ]

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