3-monooksygenaza 4-hydroksyfenylooctanu
| 4-hydroksyfenylooctan 3-monooksygenazy | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
PyMOL -generowany rysunek monomeru Thermus thermophilus hpaB w kompleksie z FAD i 4-hydroksyfenylooctanem . Kodowanie kolorami rozróżnia trzy podstawowe domeny strukturalne enzymu.
| |||||||||
| Identyfikatory | |||||||||
| nr WE | 1.14.14.9 | ||||||||
| nr CAS | 37256-71-6 | ||||||||
| Bazy danych | |||||||||
| IntEnz | Widok IntEnz | ||||||||
| BRENDA | Wpis BRENDY | ||||||||
| ExPASy | Widok NiceZyme | ||||||||
| KEGG | Wpis KEGG | ||||||||
| MetaCyc | szlak metaboliczny | ||||||||
| PRYM | profil | ||||||||
| Struktury PDB | RCSB PDB PDBe PDB suma | ||||||||
| Ontologia genów | AmiGO / QuickGO | ||||||||
| |||||||||
3-monooksygenaza 4-hydroksyfenylooctanu ( EC 1.14.14.9 ) jest enzymem , który katalizuje reakcję chemiczną
- 4-hydroksyfenylooctan + FADH 2 + O 2 3,4-dihydroksyfenylooctan + FAD + H 2 O
Ta reakcja jest pierwszym etapem szlaku występującego u bakterii jelitowych, takich jak Escherichia coli i bakterii glebowych, takich jak Pseudomonas putida , który rozkłada 4-hydroksyfenylooctan (4-HPA), umożliwiając tym bakteriom wykorzystanie 4-HPA i innych związków aromatycznych występujących w organizmach ssaków przewodu pokarmowego lub w glebie jako źródło węgla. Podczas gdy większość znanych monooksygenaz flawinowych wykorzystuje NADH lub NADPH jako substraty (i wykorzystuje flawiny FAD lub FMN jako grupy prostetyczne), enzym ten jest częścią układu dwuskładnikowego, w którym partner oksydoreduktazy flawinowej ( EC 1.5.1.37 ) regeneruje FADH 2 poprzez utlenianie NADH do NAD + . hpaB i hpaC, białka partnerskie oksygenazy 4-HPA i reduktazy (odpowiednio) E. coli , były pierwszymi zidentyfikowanymi dwuskładnikowymi systemami monooksygenazy flawinowej. Chociaż znane przykłady tego enzymu mają wspólny mechanizm katalityczny i prawdopodobne pochodzenie ewolucyjne, różnią się one pod względem regulacji i zdolności do zastąpienia FMNH2 zamiast FADH2 jako substratu.
Struktura
Enzym ten jest tetramerem, który tworzy się jako dimer dimerów. Dopasowania sekwencji Thermus thermophilus i E. coli hpaB wykazują podobieństwo strukturalne do siebie nawzajem i do składników oksygenazy innych dwuskładnikowych monooksygenaz bakteryjnych dla związków takich jak fenol i chlorofenol. Każdy monomer tego białka składa się z N-końcowej alfa-helikalnej , środkowej beczkowatej domeny beta i C-końcowej „ogonowej” helisy. FADH 2 jest związany rowkiem między tymi domenami; to zdarzenie wiązania powoduje, że pętla w domenie środkowej zmienia pozycję, przygotowując miejsce wiązania dla 4-HPA. W tym momencie wiele reszt działa stabilizująco na katalityczne związki pośrednie poprzez wiązanie wodorowe z nadtlenkiem związanym z FAD, jak również z grupą hydroksylową ugrupowania fenolowego 4-HPA (stabilizacja stanu przejściowego dienonu - patrz Mechanizm ). Pętla, która porusza się, tworząc miejsce wiązania 4-HPA, gdy wiąże się FADH 2 , zapewnia specyficzność katalityczną poprzez wiązanie wodorowe z ugrupowaniem kwasu karboksylowego 4-HPA.
Mechanizm
Podczas gdy wiele monooksygenaz zależnych od flawiny zatrzymuje FMN lub FAD w swoich miejscach aktywnych przez cały cykl katalityczny, enzym ten wiąże FADH 2 na początku swojego cyklu katalitycznego i uwalnia FAD na końcu. Po związaniu FADH 2 tlen tlenowy atakuje go przy węglu C4a, prowadząc do półproduktu C4a-hydroperoksyflawiny. Następnie 4-HPA wiąże się, a zmiana konformacyjna oddziela miejsce aktywne enzymu od roztworu, zapobiegając ucieczce tlenu w postaci toksycznego nadtlenku wodoru . 4-HPA jest następnie hydroksylowany przez pośredni dienon i uwalniany jako 3,4-DHPA; przy zerwanym wiązaniu nadtlenkowym C4a-hydroksyflawina uwalnia pozostały atom tlenu poprzez eliminację wody i jest uwalniana z enzymu jako FAD.
Funkcja biologiczna
Aby poradzić sobie z szeroką gamą związków fenolowych występujących w przyrodzie, bakteryjne szlaki degradacji związków aromatycznych na ogół rozpoczynają się od skierowania tych różnorodnych substratów w kierunku kilku powszechnych związków pośrednich, które następnie ulegają dalszej degradacji. Ścieżki katabolizowania związków aromatycznych na ogół rozpoczynają się od dodania dwóch grup hydroksylowych do pierścienia benzenowego, najczęściej na sąsiednich atomach węgla. Ten produkt następnie ulega rozszczepieniu pierścienia, aby wytworzyć liniową cząsteczkę, która ostatecznie jest rozkładana do półproduktów centralnego metabolizmu, takich jak bursztynian , pirogronian i dwutlenek węgla . W przypadku 4-hydroksyfenylooctanu, który wymaga dodania tylko jednej grupy hydroksylowej, wymagana jest monooksygenaza.
Wśród pospolitych szczepów laboratoryjnych E. coli szlak degradacji 4-HPA nie występuje w powszechnie stosowanym szczepie K-12, ale pojawia się w szczepach B, C i W (szczep, w którym przeprowadzono większość badań nad szlakiem zrobione). Tylko szczepy zawierające ten szlak są w stanie przetrwać poprzez metabolizowanie 4-HPA jako jedynego źródła węgla, co pokazuje, że ten szlak jest wymagany do katabolizmu tego związku i prawdopodobnie również dla podobnych związków fenolowych.
Ewolucja
Oprócz monooksygenazy zależnej wyłącznie od FADH2 , występującej w gatunkach takich jak E. coli i T. thermophilus , u Acinetobacter baumannii opisano wersję enzymu, która może wykorzystywać albo zredukowaną FAD, albo zredukowaną FMN . Chociaż te enzymy katalizują podobne reakcje i mają podobny dehydrogenazy acylo-CoA , enzym zależny od FMN jest regulowany allosterycznie przez 4-HPA, podczas gdy FADH 2 enzym zależny jest prawdopodobnie regulowany przez prostszy mechanizm kinetyczny, w którym niskie stężenia 4-HPA prowadzą enzym do wiązania i sekwestracji FADH 2 w ramach normalnego cyklu katalitycznego, powodując spadek stężenia wolnego FADH 2 do momentu, gdy oksydoreduktaza flawinowa reakcja jest również pośrednio hamowana. Wraz z innymi różnicami w regulacji i wiązaniu substratu pomimo wspólnego podstawowego mechanizmu katalitycznego, doprowadziło to do spekulacji, że enzymy te łącznie stanowią przykład zbieżnej ewolucji .
Potencjalne aplikacje
Oprócz 4-HPA, doniesiono, że enzym wykazuje aktywność na wielu innych substratach fenolowych. Inżynierowie metaboliczni wykazali, że drobnoustroje wykazujące ekspresję enzymu E. coli mogą katalizować reakcje, takie jak hydroksylacja tyrozyny do L-dopy i hydroksylacja interesujących farmakologicznie fenylopropanoidów , umbeliferonu i resweratrolu . Jednak metody te nie są obecnie stosowane komercyjnie.
