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| ジメチルスルホキシド還元酵素 | |||||||||
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| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 1.8.5.3 | ||||||||
| データベース | |||||||||
| インテンズ | IntEnzビュー | ||||||||
| ブレンダ | BRENDAエントリー | ||||||||
| エクスパス | NiceZyme ビュー | ||||||||
| ケッグ | KEGGエントリー | ||||||||
| メタサイク | 代謝経路 | ||||||||
| プリアモス | プロフィール | ||||||||
| PDB構造 | RCSB PDB PDBe PDBsum | ||||||||
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DMSO 還元酵素はモリブデン含有酵素で、ジメチルスルホキシド (DMSO) をジメチルスルフィド (DMS) に還元する触媒作用をします。この酵素は、一部の細菌において嫌気性条件下で末端還元酵素として機能し、DMSO が末端電子受容体となります。反応の過程で、DMSO の酸素原子はモリブデンに転移し、その後水に還元されます。
DMSO 還元酵素 (DMSOR) と DMSO 還元酵素ファミリーの他のメンバーは、細菌と古細菌に特有です。このファミリーの酵素は、嫌気性酸化リン酸化と無機ドナーベースの岩石栄養呼吸に関与しています。これらの酵素は、オキソアニオンを分解するように設計されました。[1] [2] [3] DMSOR は、反応において 2 つの電子と 1 つの酸素原子の移動を触媒します。DMSOR の活性部位には、生物学では珍しいモリブデンが含まれています。[2]
三次構造と活性部位
DMSO還元酵素ファミリーの他のメンバーと同様に、DMSORの三次構造はMoで囲まれたドメインI-IVで構成され、ドメインIVは活性部位のピラノプテリンジチオレンMo補因子（P-およびQ-プテリン）と強く相互作用します。[2] [3] DMSO還元酵素ファミリーのメンバーは、その活性部位が異なります。[3] DMSORの場合、Mo中心は2つのピラノプテリン補因子によって提供される2つのジチオレンにあります。モリブドプテリンと呼ばれるこれらの有機補因子は、GMPに結合してジヌクレオチド型を形成します。追加の5番目のキャップ状リガンドはセリン147残基の側鎖Oであり、これによりこの酵素はさらにIII型DMSO還元酵素に分類されます。タイプIおよびIIでは、セリンはそれぞれシステインおよびアスパラギン酸残基に置き換えられています。反応の進行に伴って IV、V、または VI の間で変動する Mo の酸化還元状態に応じて、活性部位 Mo コアは、それぞれアクア、ヒドロキソ、またはオキソ基の酸素原子に連結されることもあります。研究により、Mo コアを配位するために使用されるアミノ酸の特定のアイデンティティが、Mo の酸化還元中点電位と酸素基連結のプロトン化状態に大きく影響することが示されており、これらは酵素の触媒メカニズムの重要な決定要因です。[2]
機構
初期の同位体DMSO 18研究により、 R. sphaeroidesのDMSORの二重オキソトランスフェラーゼ機構が確立されました。この機構では、標識されたO 18が基質からMoに転移し、次にO 18が1,3,5-トリアザ-7-ホスファアダマンタン（PTA）に転移してPTAO 18が生成されます。[6]類似の機構では、DMSOがOをMoに転移し、結果として生じるMo(VI)O中心が還元されて水が生成されます。[7]
合成Moビスジチオレン錯体の研究では、酸素移動、電子移動が示唆されている。SKエッジXASおよびDFTを使用したこれらのモデル研究では、協調的なSO切断と電子移動が示唆されている。速度は、基質XO結合強度の減少と基質プロトン親和性の増加に比例する。[8]
X 線結晶構造解析により、酵素の全体的な三次構造は反応の進行を通じて一定のままであることが確認されました。しかし、R. sphaeroidesの DMSOR に対して行われたいくつかの異なる実験では、4 つの潜在的なジチオレン配位子の配位活性について異なる結果が報告されました。1 つの X 線結晶構造解析調査では、酸化形態で 4 つの Mo-S 配位子すべてが等距離配位していると結論付けられ、これは多数のX 線吸収分光法(XAS) 研究によって裏付けられていますが、別の研究では Mo-S 距離が非対称であることが特徴付けられています。両方の研究と電子常磁性共鳴(EPR) 研究は、Mo 活性部位が位置と潜在的な配位子配位の程度に関して非常に柔軟であると予測しています。[7] [9]
2 つの著しく非対称なピラノプテリン補因子を示唆するデータを使用して、反応メカニズムが提案されました。活性部位の完全に酸化された Mo VI フォームでは、オキソ基とセリン配位子は Mo 中心から 1.7 A の距離で配位していました。P-プテリンの S1 と S2、および Q-プテリンの S1 は Mo から 2.4 A 離れた場所にあり、Q-プテリンの S2 は 3.1 A 離れた場所にあります。このプテリンの非対称性は、オキソ基のトランス効果によって、オキソ基の真向かいに位置する S2-Mo 結合が弱められた結果である可能性があります。[7]
対照的に、活性部位の完全に還元された Mo IV 型の構造では、S1 および S2 P-プテリンと S1 Q-プテリンは完全な配位を維持しているが、Q-プテリンの S2 は金属中心から離れてシフトしており、配位が減少していることを示している。このリガンド-Mo 結合長のシフトは、DMSO 基質から Mo への直接酸素移動の提案されたメカニズムと一致している。還元酵素型での弱いジチオレン配位は、S=O の直接結合を促進する可能性がある。Mo の還元とオキソ基のプロトン化では、シトクロム電子源が活性部位の上のくぼみに結合して Mo 中心を直接還元するか、またはこのシトクロムが Q-プテリンの近くにある十分に溶媒和されたポリペプチドループに結合し、Q-プテリンがこの電子移動を媒介する可能性があると提案されている。[7]
細胞の位置と制御
R. sphaeroidesでは、DMSOR は単一サブユニットの水溶性タンパク質であり、プテリン以外の追加の補因子を必要としません。E . coliでは、DMSOR は膜内に埋め込まれており、3 つの固有のサブユニットがあります。そのうちの 1 つは特徴的なプテリン補因子を含み、もう 1 つは 4 つの4Fe:4S クラスターを含み、最後の膜貫通サブユニットはメナキノールを結合して酸化します。メナキノールから 4Fe:4S クラスター、そして最終的にプテリン-Mo 活性部位への e- の移動により、ATP 生成に使用されるプロトン勾配が生成されます。[7]
DMSOR は主に転写レベルで制御されます。これは dor 遺伝子によってコード化され、シグナルカスケードによって活性化されると発現します。シグナルカスケードは DorS、DorR、および DorC タンパク質によって制御されます。対応する dorS、dorR、および dorC プロモーターへのlacZ 融合 (レポーター遺伝子)の研究では、DorR および DorC の発現は酸素濃度の低い環境で増加しましたが、DorS の発現は酸素濃度の影響を受けないと結論付けられました。DorC の発現も DMSO の濃度の上昇とともに増加しました。[10]
環境への影響
DMSORの産物であるDMSは、硫黄循環の構成要素です。DMSはメタンスルホン酸に酸化され、外洋上で雲の凝結核を形成します。外洋には、核形成の代替源である塵が存在しません。雲の形成は、地球のアルベドを高め、大気の温度を調節する重要な要素であるため、この酵素とそれが触媒する反応は、気候制御の最前線で役立つ可能性があります。[11]
参考文献
- ^ Kappler U、Schäfer H (2014)。「第 11 章ジメチルスルフィドの変換」。Kroneck PM、Torres ME (編)。環境中のガス状化合物の金属駆動型生物地球化学。生命科学における金属イオン。第 14 巻。Springer。pp. 279–313。doi : 10.1007 / 978-94-017-9269-1_11。ISBN 978-94-017-9268-4. PMID 25416398。
- ^ abcd McEwan AG, Kappler U (2004). 「微生物モリブデン酵素のDMSO還元酵素ファミリー」(PDF) . Australian Biochemist . 35 (3): 17–20. 2014年3月7日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2014年2月27日閲覧。
- ^ abcde McEwan AG、Ridge JP、McDevitt CA 、 Hugenholtz P (2002)。「微生物モリブデン酵素のDMSO還元酵素ファミリー：分子特性と毒性元素の異化還元における役割」。Geomicrobiology Journal。19 ( 1): 3–21。Bibcode : 2002GmbJ ...19....3M。doi : 10.1080/014904502317246138。S2CID 85091949 。
- ^ PDB : 1DMS ; Schneider F, Löwe J, Huber R, Schindelin H, Kisker C, Knäblein J (1996年10月). 「Rhodobacter capsulatus由来ジメチルスルホキシド還元酵素の1.88Å分解能での結晶構造」. Journal of Molecular Biology . 263 (1): 53–69. doi :10.1006/jmbi.1996.0555. PMID 8890912.
- ^ PDB : 4DMR ; McAlpine AS、McEwan AG、Bailey S (1998年1月)。「DMSOと複合体を形成したDMSO還元酵素の高解像度結晶構造」。Journal of Molecular Biology。275 ( 4): 613–23。doi : 10.1006/jmbi.1997.1513。PMID 9466935 。
- ^ Schultz BE、Hille R、Holm RH (1995)、「Rhodobacter sphaeroides ジメチルスルホキシド レダクターゼの作用機構における直接酸素原子移動」、Journal of the American Chemical Society、117 (2): 827–828、doi :10.1021 /ja00107a031、ISSN 0002-7863
- ^ abcde Kisker C, Schindelin H, Rees DC (1997). 「モリブデン補因子含有酵素：構造とメカニズム」（PDF） . Annual Review of Biochemistry . 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 (2010 年 6 月)。「Mo(IV) および Mo(VI)=O ビスジチオレンの硫黄 K 端 X 線吸収分光法と密度汎関数計算: DMSO 還元酵素および関連する機能類似体のオキソ転移のメカニズムに関する洞察」。Journal of the American Chemical Society。132 ( 24): 8359–71。doi :10.1021/ja910369c。PMC 2907113。PMID 20499905。
- ^ McAlpine AS、McEwan AG、Shaw AL、Bailey S (1997)。「Rhodobacter capsulatus 由来の DMSO 還元酵素のモリブデン活性中心: 1.82 Å 解像度での酸化酵素の結晶構造と 2.8 Å 解像度での亜ジチオン酸還元酵素の結晶構造」。Journal of Biological Inorganic Chemistry。2 ( 6): 690–701。doi :10.1007/s007750050185。S2CID 23027986。
- ^ Gunsalus RP (1992 年 11 月). 「大腸菌における電子流の制御: 呼吸経路遺伝子の協調転写」. Journal of Bacteriology . 174 (22): 7069–74. doi : 10.1128/jb.174.22.7069-7074.1992. PMC 207394. PMID 1331024.
- ^ Sarkar B (2002年3月21日). 環境中の重金属. CRC Press. p. 456. ISBN 978-0-8247-4475-5。
