Fumarát reduktáza (chinol) - Fumarate reductase (quinol) - Wikipedia

Fumarát reduktáza (chinol)
QFR Crystal.png
3D karikatura krystalové struktury fumarát reduktázy z E-coli.
Identifikátory
EC číslo1.3.5.4
Databáze
IntEnzIntEnz pohled
BRENDAVstup BRENDA
EXPASYPohled NiceZyme
KEGGVstup KEGG
MetaCycmetabolická cesta
PRIAMprofil
PDB strukturRCSB PDB PDBe PDBsum
Respirační komplex fumarát reduktázy
QFR podjednotka A.png
Kreslená struktura fumarát reduktázové flavoproteinové podjednotky A.
Identifikátory
SymbolFum_red_TM
PfamPF01127
Pfam klanCL0335
InterProIPR004224
SCOP21qla / Rozsah / SUPFAM
OPM nadčeleď3
OPM protein2bs3
CDDcd03494
Fumarátreduktázová podjednotka C.
QFR podjednotka C-D.png
Kreslená struktura podjednotek fumarátreduktázy C a D poblíž dvou molekul menachinonu.
Identifikátory
SymbolFumarate_red_C
PfamPF02300
Pfam klanCL0335
InterProIPR003510
SCOP21fum / Rozsah / SUPFAM
CDDcd00546
Fumarátreduktázová podjednotka D
QFR podjednotka C-D.png
Kreslená struktura podjednotek fumarátreduktázy C a D poblíž dvou molekul menachinonu.
Identifikátory
SymbolFumarate_red_D
PfamPF02313
Pfam klanCL0335
InterProIPR003418
SCOP21fum / Rozsah / SUPFAM
CDDcd00547

Fumarát reduktáza (chinol) (ES 1.3.5.4, QFR, FRD, menachinol-fumarát oxidoreduktáza, chinol: fumarát reduktáza) je enzym s systematické jméno sukcinát: chinonoxidoreduktáza.[1][2][3] Tento enzym katalyzuje následující chemická reakce:

Fumarátová reduktáza.png

fumarát + chinol sukcinát + chinon

Fumarátreduktáza (QFR) je klíčový enzym indukovaný anaerobním množením bakterií.[4] Účastí na fumarátovém dýchání provádí fumarátreduktáza poslední krok v mikrobiální anaerobní respiraci. Je to protein vázaný na membránu schopný oxidující chinon a předávání uvolněných elektronů čekajícímu fumarátu má být redukováno. Je aktivován a syntetizován za podmínek s nízkým obsahem kyslíku, když aerobní dýchání nelze provést a buňka musí provést anaerobní dýchání růst.[5] Tato reakce je opačná k reakci, která je katalyzována souvisejícím komplexem II sloučeniny II dýchací řetězec (sukcinát dehydrogenáza (SQR)).[6][7]

Struktura enzymu

K dnešnímu dni byla řada enzymů QFR krystalizoval a specifika struktury enzymů se u jednotlivých organismů liší; celková struktura však zůstává u různých druhů podobná.[1][7][8] Komplexy fumarátreduktázy zahrnují čtyři podjednotky.[1] Podjednotka A obsahuje místo redukce fumarátu a je kovalentně vázána flavin adenin dinukleotid (FAD) protetická skupina. Je úzce svázán s podjednotkou B, která obsahuje tři centra železa a síry, všechna umístěná blízko sebe a blízké substráty. Podjednotka C se skládá z hydrofobní membránové rozpětí, primárně spirálovité segmenty a je místem oxidace chinolu. V některých strukturách fumarátreduktázy jedna nebo více heme skupiny jsou navíc vázány na podjednotku C a účastní se přenosu elektronů.[7][5] D podjednotka obsahuje hydrofobní alfa helixy které pokrývají membránu, ale nepodílejí se na katalytickém působení enzymu. Může být nutné ukotvit katalytické složky fumarátreduktázy komplex do cytoplazmatická membrána.[5]

3D kreslené zobrazení QFR podjednotky B s menachinonem, třemi shluky železa a síry a molekulou FAD (shora dolů).[1]

Enzymový mechanismus

Redukce fumarátu ve fumarátreduktáze je dosažena oxidací chinolu navázaného na podjednotku C a výsledného přenosu elektronů dolů řetězcem shluků železa a síry na čekající molekulu FAD. Vzdálenosti mezi chinolem, shluky železné síry a FAD v tomto enzymu nepřesahují 12,5 angstromů a lze je vidět na obrázku níže.[3] Tyto krátké vzdálenosti mezi elektronovými receptory umožňují elektronům cestovat dolů po řetězci ve fyziologicky přiměřeném časovém horizontu. Jakmile elektrony projdou dolů klastry železo-síra, projdou na molekulu FAD navázanou na katalytické místo enzymu. Konečné redukce fumarátu je dosaženo v aktivním místě, kde asymetrické náboje z blízkých aminokyselin polarizují fumarát a narušují jeho tvar.[9] Jakmile fumarát přestane být rovinný, a hydrid z navázané molekuly FAD v aktivním místě napadá dvojnou vazbu, aby redukoval fumarát.[9] V této reakci tedy fumarát slouží jako terminální akceptor elektronů.

Cesta pro tunelování elektronů napříč fumarátreduktázou se vzdálenostmi označenými v Angstromech.[1]

Vztah k sukcinátdehydrogenáze

Sukcinát dehydrogenáza (SQR) je klíčovým enzymem v obou cyklus kyseliny citronové a elektronový transportní řetězec v mitochondriích eukaryot a jednobuněčných organismů.[10] Je to klíčový enzym v aerobním dýchání a provádí opačnou reakci QFR spojením redukce chinonu s tvorbou sukcinátu pro použití v cyklu kyseliny citronové.[11]

Jak SQR, tak QFR jsou vysoce příbuzné a bylo prokázáno, že mají určité funkční překrývání a redundanci v různých organismech. QFR a SQR jsou oba členy rodiny konzervovaných proteinových domén SQR_QFR_TM a mají velmi podobné struktury.[12] Bylo prokázáno, že A a B podjednotky obou proteinů pravděpodobně vyvinul ze společného rodového genu.[5] Oba enzymy mají společné podjednotka ujednání obsahující a katalytické místo, an klastr železo-síra obsahující podjednotku a jednu nebo dvě transmembránový podjednotky s chinonovými vazebnými místy a hemovými vazebnými místy, pokud jsou relevantní Dále na základě studie provedené v E-coli, vědci dospěli k závěru, že za určitých okolností je fumarátreduktáza schopná nahradit sukcinátdehydrogenázu oxidací sukcinátu za vzniku fumarátu.[13] A ukázalo se, že v Bacillus subtilis, SQR je schopen úspěšně vykonávat funkci fumarátreduktázy.[14]

Biologická funkce

Fumarátreduktáza se podílí na anaerobním dýchání mnoha různých organismů. Většina informací shromážděných o fumarátreduktáze je z Escherichia coli fumarát reduktáza; fumarátreduktáza však byla studována také u jiných organismů Wolinella succinogenes, Helicobacter pylori, a Bacteroides fragilis.[1][7][4][15] Každý z těchto organismů má kromě různých struktur enzymů mírně odlišnou regulaci a funkci genů.

v E-coli, fumarát je koncový akceptor elektronů produkující energii elektronový transportní řetězec a fumarátreduktáza provádí zásadní poslední krok v tomto procesu výroby energie, který umožňuje E-coli růst při aerobním dýchání a / nebo kvašení není proveditelné.[16] Vzhledem ke své roli v produkci buněčné energie je její funkce úzce regulována několika podmínkami, aby byla zajištěna optimální produkce energie na základě aktuálních buněčných potřeb. Kromě podmínek s nízkým obsahem kyslíku jsou geny fumarátreduktázy také aktivovány vysokými koncentracemi fumarátu a potlačovány v přítomnosti dalších koncových akceptorů elektronů, včetně nikotinamid adenin dinukleotid (NAD) a dusičnan.[16][17] Potlačení dusičnanů fumarátreduktázy je běžné v E-coli a provádí se dvěma geny, narL gen, který kóduje nitrátreduktáza regulační proteiny a narX, které kódují protein senzoru dusičnanů.[18] Jiné umělé antibiotika, počítaje v to Chalcones Bylo také prokázáno, že úspěšně inhibují fumarátreduktázu kromě jiných buněčných enzymů, aby ochromily růst bakterií.[19]

Fumarátreduktáza má také značně vysokou produkci superoxid a peroxid vodíku v E-coli. Jediná elektronová reaktivita FAD, klastrů železa a síry a chinonů ve fumarátreduktáze by mohla přispívat k přenosu elektronů na kyslík. Ukázalo se však, že FAD je nejvýznamnější příčinou tvorby superoxidů a peroxidů ve fumarátreduktáze kvůli vyšší přístupnosti rozpouštědel v aktivním místě než v místech chinonových a železo-sirných klastrů.[20]

Viz také

Reference

  1. ^ A b C d E F Iverson TM, Luna-Chavez C, Cecchini G, Rees DC (červen 1999). "Struktura respiračního komplexu fumarát reduktázy Escherichia coli". Věda. 284 (5422): 1961–6. doi:10.1126 / science.284.5422.1961. PMID  10373108.
  2. ^ Cecchini G, Schröder I, Gunsalus RP, Maklashina E (leden 2002). "Succinate dehydrogenase and fumarate reductase from Escherichia coli". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bioenergetika. 1553 (1–2): 140–57. doi:10.1016 / S0005-2728 (01) 00238-9. PMID  11803023.
  3. ^ A b Iverson TM, Luna-Chavez C, Croal LR, Cecchini G, Rees DC (květen 2002). „Krystalografické studie chinol-fumarátreduktázy Escherichia coli s inhibitory vázanými na místo vázající chinol“. The Journal of Biological Chemistry. 277 (18): 16124–30. doi:10,1074 / jbc.M200815200. PMID  11850430.
  4. ^ A b Ge Z, Feng Y, Dangler CA, Xu S, Taylor NS, Fox JG (listopad 2000). „Fumarátreduktáza je nezbytná pro kolonizaci myšího žaludku Helicobacter pylori.“ Mikrobiální patogeneze. 29 (5): 279–87. doi:10,1006 / mpat.2000.0391. PMID  11031122.
  5. ^ A b C d Cecchini G, Ackrell BA, Deshler JO, Gunsalus RP (únor 1986). "Rekonstituce redukce chinonu a charakterizace aktivity fumarát reduktázy Escherichia coli". The Journal of Biological Chemistry. 261 (4): 1808–14. PMID  3511050.
  6. ^ Cook GM, Greening C, Hards K, Berney M (2014). „Energetika patogenních bakterií a příležitosti pro vývoj léčiv“. Pokroky v mikrobiální fyziologii. 65: 1–62. doi:10.1016 / bs.ampbs.2014.08.001. ISBN  9780128001424. PMID  25476763.
  7. ^ A b C d Lancaster CR, Kröger A, Auer M, Michel H (listopad 1999). "Struktura fumarátreduktázy z Wolinella succinogenes při rozlišení 2,2 A". Příroda. 402 (6760): 377–85. doi:10.1038/46483. PMID  10586875. S2CID  4403278.
  8. ^ Shimizu H, Osanai A, Sakamoto K, Inaoka DK, Shiba T, Harada S, Kita K (červen 2012). "Krystalová struktura mitochondriální chinol-fumarátreduktázy z parazitické hlístice Ascaris suum". Journal of Biochemistry. 151 (6): 589–92. doi:10.1093 / jb / mvs051. PMID  22577165.
  9. ^ A b Reid GA, Miles CS, Moysey RK, Pankhurst KL, Chapman SK (srpen 2000). "Katalýza ve fumarátreduktáze". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bioenergetika. 1459 (2–3): 310–5. doi:10.1016 / s0005-2728 (00) 00166-3. PMID  11004445.
  10. ^ Rutter J, Winge DR, Schiffman JD (červen 2010). „Succinate dehydrogenase - Shromáždění, regulace a role v nemoci člověka“. Mitochondrie. 10 (4): 393–401. doi:10.1016 / j.mito.2010.03.001. PMC  2874626. PMID  20226277.
  11. ^ Horsefield R, Yankovskaya V, Sexton G, Whittingham W, Shiomi K, Omura S, Byrne B, Cecchini G, Iwata S (březen 2006). „Strukturální a výpočetní analýza chinon-vazebného místa komplexu II (sukcinát-ubichinon oxidoreduktáza): mechanismus přenosu elektronů a protonového vedení během redukce ubichinonu“. The Journal of Biological Chemistry. 281 (11): 7309–16. doi:10,1074 / jbc.M508173200. PMID  16407191.
  12. ^ NCBI. „NCBI CDD Conserved Protein Domain SQR_QFR_TM“. www.ncbi.nlm.nih.gov. Citováno 2018-03-06.
  13. ^ Host JR (únor 1981). „Částečné nahrazení funkce sukcinátdehydrogenázy fumarátreduktázou specifikovanou fágem a plazmidem v Escherichia coli“. Journal of General Microbiology. 122 (2): 171–9. doi:10.1099/00221287-122-2-171. PMID  6274999.
  14. ^ Lemma E, Hägerhäll C, Geisler V, Brandt U, von Jagow G, Kröger A (září 1991). "Reaktivita komplexu Bacillus subtilis sukcinát dehydrogenázy s chinony". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - bioenergetika. 1059 (3): 281–5. doi:10.1016 / s0005-2728 (05) 80213-0. PMID  1655027.
  15. ^ Meehan BM, Malamy MH (únor 2012). „Fumarátreduktáza je hlavním přispěvatelem k tvorbě reaktivních forem kyslíku v anaerobu Bacteroides fragilis“. Mikrobiologie. 158 (Pt 2): 539–46. doi:10.1099 / mic.0.054403-0. PMC  3352283. PMID  22075026.
  16. ^ A b Kalman LV, Gunsalus RP (červenec 1989). „Identifikace druhého genu podílejícího se na globální regulaci fumarátreduktázy a dalších genů kontrolovaných dusičnany pro anaerobní dýchání u Escherichia coli“. Journal of Bacteriology. 171 (7): 3810–6. doi:10.1128 / jb.171.7.3810-3816.1989. PMC  210129. PMID  2544557.
  17. ^ Tran QH, Bongaerts J, Vlad D, Unden G (únor 1997). „Požadavek na proton-čerpající NADH dehydrogenázu I Escherichia coli při dýchání NADH na fumarát a jeho bioenergetické důsledky“. European Journal of Biochemistry. 244 (1): 155–60. doi:10.1111 / j.1432-1033.1997.00155.x. PMID  9063459.
  18. ^ Stewart V, Parales J (duben 1988). "Identifikace a exprese genů narL a narX lokusu nar (nitrátreduktáza) v Escherichia coli K-12". Journal of Bacteriology. 170 (4): 1589–97. doi:10.1128 / jb.170.4.1589-1597.1988. PMC  211006. PMID  2832370.
  19. ^ Chen M, Zhai L, Christensen SB, Theander TG, Kharazmi A (červenec 2001). „Inhibice fumarátreduktázy u Leishmania major a L. donovani chalkony“. Antimikrobiální látky a chemoterapie. 45 (7): 2023–9. doi:10.1128 / AAC.45.7.2023-2029.2001. PMC  90595. PMID  11408218.
  20. ^ Messner KR, Imlay JA (listopad 2002). „Mechanismus tvorby superoxidu a peroxidu vodíku fumarátreduktázou, sukcinátdehydrogenázou a aspartát oxidázou“. The Journal of Biological Chemistry. 277 (45): 42563–71. doi:10,1074 / jbc.M204958200. PMID  12200425.

externí odkazy

Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR004224
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR003510
Tento článek včlení text od public domain Pfam a InterPro: IPR003418