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| 水銀（II）還元酵素 | |||||||||
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| 識別子 | |||||||||
| EC番号 | 1.16.1.1 | ||||||||
| CAS番号 | 67880-93-7 | ||||||||
| 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 | ||||||||
| 遺伝子オントロジー | アミゴー / クイックゴー | ||||||||
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一般に MerA として知られる水銀 (II) 還元酵素( EC 1.16.1.1) は、Hg 2+からHg 0への還元を触媒する酸化還元 酵素およびフラビンタンパク質です。水銀 (II) 還元酵素は、好気性および嫌気性環境[2]の両方で多くの真正細菌[1]の細胞質に存在し、有毒な水銀イオンを比較的不活性な元素水銀に変換する役割を果たします。
遺伝子
一般に MerA として知られる水銀(II) 還元酵素は、mer遺伝子座またはトランスポゾン501 (Tn501)として発見された構造遺伝子にコードされています。 [3] MerP や MerT などの水銀輸送クラスタンパク質や調節因子 MerDと同じプロモーター領域を共有しています。 [1] MerA の転写はMerR と MerD の両方によって調節されます。[1]
関数
遊離水銀イオンは、特にシステイン残基を持つ金属タンパク質に結合し、誤った構造を引き起こして機能喪失を引き起こす可能性があります。これは、他の多くの重金属と同様に、多くの細菌の死を引き起こす可能性があるため、細胞から除去するか、化学的に不活性な形に変換する必要があります。水銀(II)還元酵素はHg 2+を取り込んでHg 0への還元を触媒し、その後蒸気として細胞から放出されます。元素形態の水銀は、タンパク質内のアミノ酸残基と安定した複合体を形成する能力がないため、イオン形態よりも危険性が低くなります。
機構
Hg 2+ + NADPH → Hg 0 + H + + NADP +
1. Hg 2+ + 2Cys-S − → Cys-S-Hg-S-Cys
2. FAD + NADPH → FADH − + NADP +
3. Cys-S-Hg-S-Cys + FADH − → H + + Hg 0 + FAD + 2Cys-S −
上に示したように、水銀(II)還元酵素で使用される基質は、Hg 2+ とNADPHです。酵素の触媒活性部位では、 Hg 2+ は2つのシステインチオラートとの複合体として直線状に保持されています。[4]細胞の細胞質からのNADPHは、埋め込まれたFADと水素化物転移を起こし、FADH − を形成します。[4]結果として生じたFADH − は、次にHg 2+をHg 0に還元し、今度は酸化されてFADに戻ります。[4]還元後、水銀は揮発性蒸気として酵素から放出されます。
水銀(II)還元酵素はメチル水銀などの有機水銀化合物を完全に還元することはできない。そのため、MerBはプロトン分解によって炭素-水銀結合を切断し、水銀ジチオラート錯体を形成し、その後MerBは水銀を還元のために直接MerAに輸送する。[5]
構造
活性型水銀(II)還元酵素はホモ二量体として見出されます。[4]これは四次構造を持ち、モノマーは2つのドメインで構成されています。[4]
ナンメラ
水銀還元酵素のドメインの1つであるNmerAは、βαββαβの構造フォールドを持っています。[6]これは、約30個のアミノ酸でできたリンカーを介して活性部位に結合しています。[6] NmerAには、他のタンパク質やMerTなどの無機リガンドからHg 2+を取得し、MerAの触媒活性部位に直接輸送する機能を持つ2つのシステイン残基が含まれています。[7] NmerAドメインを欠く水銀(II)還元酵素はごくわずかであることがわかっています。[6]
アクティブサイト
MerA の活性部位は、4 つのシステイン残基、FAD、およびチロシン残基で構成されています。Hg 2+に結合すると、放出されるまでいつでも少なくとも 2 つのシステインチオレートとの複合体が形成されます。[4] 2 つのシステイン残基 (Cys-136 と Cys-141) はタンパク質内に埋め込まれており、他の 2 つのシステイン残基 (Cys-558' と Cys-559') は C 末端近くの表面近くにあります。[4]埋め込まれたシステイン残基は触媒部位として機能し、表面のシステイン残基は触媒部位への輸送として機能します。[4]
C末端システイン残基から触媒活性部位へのHg 2+の移動中に、水分子とチオラートの水素結合によって安定化された三角平面 中間体が形成される。 [4]水分子は、近くのチロシン残基（Tyr-194）のヒドロキシル基からの水素結合によって所定の位置に保持される。[4]
水銀輸送
さまざまなタンパク質が水銀を水銀(II)還元酵素に輸送するのを助けます。グラム陰性細菌に見られるペリプラズム水銀輸送タンパク質であるMerPは、外膜を介して水銀を内膜に輸送し、そこで水銀を保持して別のタンパク質がそれに結合し、水銀(II)還元酵素に輸送します。[1]グラム陰性細菌とグラム陽性細菌の両方に見られる膜結合タンパク質であるMerTは、浮遊している水銀に結合します。[1]水銀(II)還元酵素は、MerTとMerPから直接水銀を取り出すことができます。[1]
水銀が細胞内に入り、膜タンパク質に結合していない場合、水銀(II)還元酵素はリガンドの大きさに応じて水銀を自らの活性部位に輸送することができる。[8]水銀に結合したリガンドが大きい場合、水銀(II)還元酵素はC末端のシステイン残基を使用して水銀を活性部位に輸送する。[8]リガンドが小さい場合、水銀は還元のために直接活性部位に行くことができる。[8]リガンドはNmerAドメインによって除去することができる。[8]
有機水銀化合物の場合、MerBはHg-C結合を切断し、Hgを水銀(II)還元酵素に輸送します。[5]
規制
Hg 2+に結合していない場合、水銀(II)還元酵素は酸化酵素として働き、有毒な過酸化水素を生成します。[1]そのため、酵素が過剰になると細菌が死滅します。細菌は水銀(II)還元酵素に対して2つの調節タンパク質、MerRとMerDを開発しました。[1] mer遺伝子座には2つのプロモーター領域があります。最初の領域は調節タンパク質MerRをコードし、2番目の領域は構造mer遺伝子と調節タンパク質MerDの遺伝子をコードします。両方のプロモーター領域は重複しています。[1]
MerRは、構造mer遺伝子プロモーター内のMerOと呼ばれるオペレーターに結合します。 [1]この結合により、mer遺伝子座のDNAはRNAポリメラーゼが読み取れない領域まで曲がります。しかし、Hg 2+はMerRに結合してDNAの形状をアロステリックに変化させ、RNAポリメラーゼが構造遺伝子のプロモーター領域を読み取ることができるようになります。 [1] apoMerRがMerOに結合すると両方のプロモーター領域が重なるため、DNA構造の変化によって構造遺伝子も調節遺伝子も読み取られなくなります。これにより、MerRは負の自己調節因子になります。[1]
MerRはHg 2+と安定した三方平面複合体を形成し、水銀(II)還元酵素が細胞質内の遊離Hg 2+をすべて還元した後よりもずっと遅く放出されます。 [1]そのため、水銀(II)還元酵素の過剰産生を引き起こします。この問題を回避するために、MerDもMerOに結合し、Hg 2+に結合したMerRに拮抗的に作用します。 [1] MerDは構造mer遺伝子にコード化されているため、 MerRがHg 2+で活性化するとMerDが生成されます。
用途と用途
廃水処理工程では、水銀(II)還元酵素を含む細菌が豊富に含まれるバイオフィルムに水を流すことで、水銀を水から除去することがあります。 [1]
参考文献
- ^ abcdefghijklmno Barkay T、Miller SM、Summers AO (2003年6月)。「細菌の水銀耐性は 原子から生態系まで」。FEMS微生物レビュー。27 (2–3):355–84。doi : 10.1016 /s0168-6445(03)00046-9。PMID 12829275。
- ^ Ní Chadhain SM、Schaefer JK、Crane S、Zylstra GJ、Barkay T (2006 年 10 月)。「嫌気性水銀汚染堆積物濃縮物における水銀還元酵素 (merA) 遺伝子多様性の分析」。環境微生物学。8 (10): 1746–52。Bibcode : 2006EnvMi...8.1746N。doi : 10.1111/j.1462-2920.2006.01114.x。PMID 16958755 。
- ^ Moore MJ、Walsh CT（1989年2月）。「Tn501水銀イオン還元酵素のN末端およびC末端システインペアの変異誘発：細菌による水銀剤の解毒への影響」。生化学。28（3）：1183–94。doi ： 10.1021 /bi00429a036。PMID 2540817 。
- ^ abcdefghij Lian P, Guo HB, Riccardi D, Dong A, Parks JM, Xu Q, Pai EF, Miller SM, Wei DQ, Smith JC, Guo H (2014 年 11 月). 「水銀還元酵素 (MerA) の Hg2+ 複合体の X 線構造と C 末端と埋没触媒部位のシステイン対間の Hg2+ 移動の量子力学/分子力学研究」.生化学. 53 (46): 7211–22. doi :10.1021/bi500608u. PMC 4245977. PMID 25343681 .
- ^ ab Lafrance-Vanasse J、Lefebvre M、Di Lello P、Sygusch J、Omichinski JG (2009 年 1 月)。「遊離型および水銀結合型の有機水銀リアーゼ MerB の結晶構造: メチル水銀分解のメカニズムに関する考察」。The Journal of Biological Chemistry。284 ( 2): 938–44。doi : 10.1074/ jbc.m807143200。PMID 19004822。
- ^ abc Hong L, Sharp MA, Poblete S, Biehl R, Zamponi M, Szekely N, Appavou MS, Winkler RG, Nauss RE, Johs A, Parks JM, Yi Z, Cheng X, Liang L, Ohl M, Miller SM, Richter D, Gompper G, Smith JC (2014 年 7 月). 「マルチドメインタンパク質である水銀イオン還元酵素のコンパクト状態の構造とダイナミクス」. Biophysical Journal . 107 (2): 393–400. Bibcode :2014BpJ...107..393H. doi :10.1016/j.bpj.2014.06.013. PMC 4104034. PMID 25028881 .
- ^ Ledwidge R、Patel B、Dong A、Fiedler D、Falkowski M、Zelikova J、Summers AO、Pai EF、Miller SM (2005 年 8 月)。「水銀イオン還元酵素の金属結合ドメインである NmerA は、タンパク質から Hg2+ を除去し、それを触媒コアに送達し、グルタチオンが枯渇した状態で細胞を保護します」。生化学。44 ( 34 ) : 11402–16。doi :10.1021/bi050519d。PMID 16114877 。
- ^ abcd Engst S、Miller SM（1999年3月）。「HgX2が水銀イオン還元酵素の活性部位に入るための代替経路は、Xリガンドの性質に依存する」。生化学。38 （ 12）：3519–29。doi ： 10.1021 /bi982680c。PMID 10090738 。
