6.2: Муфта перенесення електронів та активація субстрату

Last updated
Save as PDF

Page ID: 20302

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Перенесення електронів є ключовими етапами багатьох ферментативних реакцій, що включають окислення або відновлення пов'язаного субстрату. Відповідні приклади включають цитохром с оксидазу (O ₂ → 2H ₂ O) і нітрогеназу (N ₂ → 2NH ₃). Для посилення твердження про те, що етапи передачі електронів мають широке значення, тут буде згадано кілька інших окислювально-відновних систем, що представляють різноманітні обмінні процеси.

Ксантиноксидаза (275 кДа;\(\alpha_{2}\) димер) каталізує двоелектронне окислення ^37-39 ксантину до сечової кислоти (рівняння 6.7).

На малюнку 6.17 відображаються кофактори в субодиниці: Мо-птерин, що називається MoCo; два [2Fe-2S] центри; і один FAD. Бінуклеарні залізо-сірчані сайти служать для човника електронів між відновленою підкладкою (XH) і O ₂.

Малюнок 6.17 - Представлення кофакторів в одній субодиниці ксантиноксидази.

Перший етап біосинтезу ДНК передбачає відновлення рибонуклеотидів (рівняння 6.8), каталізованих рибонуклеотидредуктазою. ⁴⁰ Фермент кишкової палички - це\(\alpha_{2} \beta_{2}\) тетрамер, що складається з білка В1 (160 кДа) та білка В2 (78 кДа). Білок В1 (димер) містить окисно-активні титіольні групи, місця зв'язування рибонуклеотидних субстратів та регуляторні місця зв'язування нуклеотидних дифосфатів. Білок В2, також димер, має фенолатний радикал (Tyr-122), який стабілізується антиферомагнетично зв'язаним центром бінуклеарного заліза (рис. 6.18). Цей радикал має важливе значення для активності ферментів, і становить ~ 10 Å з інтерфейсу білка-B1/білка-B2. Отже, він не може безпосередньо брати участь у абстракції H-атома з субстрату (пов'язаного з білком B1). Натомість рентгенівська структура білка B2 ⁴¹ говорить про те, що тривалий перенесення електронів від радикала Тира до залишку (можливо, Trp-48) на білку B1 працює під час обороту ферментів.

\(\tag{6.8}\)

Малюнок 6.18 - Схема двоядерного центру заліза і радикала Tyr-122 в білку В2 рибонуклеотидредуктази E. coli. ⁴¹

Більшість відомих в даний час металовмісних моно- і діоксигеназ є багатокомпонентними, що вимагають залучення додаткових білків (електронних трансфераз) для човника електронів від загального біологічного відновника (зазвичай NADH або NADPH) до металооксигенази. Відмінним прикладом служить цитохром П-450, хімія окислення субстрату якого була детально розглянута в главі 5. На малюнку 5.10 представлений каталітичний цикл цитохрому Р-450-залежних гідроксиляцій ⁴², який починається з зв'язування субстрату (RH) з ферментом заліза (RH - камфора для Pseudomonas putida cytokhrome P-450). Щоб гідроксилювати камфорний субстрат, монооксигеназа повинна бути відновлена через електронно-транспортний ланцюг в Рівнянні (6.9).

\(\tag{6.9}\)

Ферредоксин-редуктаза отримує два електрони від NADH і передає їх, по одному, до путідаредоксину, [2Fe-2S] білка залізо-сірки. Таким чином, для завершення одного обороту ферменту потрібні дві етапи одноелектронного перенесення від відновленого путідаредоксину до цитохрому Р-450.

Активність ферменту, як видається, регулюється на першому етапі відновлення. ⁴³ У комплексі путидаредоксин-цитохрому Р-450 1:1 потенціал відновлення путідаредоксину становить -196 мВ, але у цитохрому Р-450 становить -340 мВ за відсутності камфори; зниження цитохрому Р-450, таким чином, термодинамічно несприятливе (k ~ 0,22 с ^-1). При зв'язуванні камфори відновний потенціал цитохрому Р-450 зсувається до -173 мВ, а швидкість передачі електронів в білковому комплексі відповідно збільшується до 41 с ^-1. «Дорогі» відновлювальні еквіваленти не витрачаються даремно, і немає помітних кількостей шкідливих продуктів відновлення кисню, коли субстрату немає.

На третьому етапі молекулярний кисень зв'язується з камфорним аддуктом заліза цитохрому Р-450. Цей вид в присутності відновленого путідаредоксину приймає другий електрон і каталізує гідроксилювання пов'язаного камфорного субстрату. Швидкість обороту за весь каталітичний цикл становить 10-20 с ^- ¹, а другий етап перенесення електронів виявляється визначальним. ⁴⁴

Основна частина інтересу до реакцій переносу електронів окислювально-відновних білків була спрямована на питання, що стосуються перенесення електронів на великі відстані та природи білково-білкових комплексів, структури яких оптимізовані для швидкого внутрішньомолекулярного перенесення електронів. Перш ніж братися за обговорення цих питань, варто відзначити, що дослідження реакцій окислювально-відновних білків на електродах привертають все більшу увагу. ^45-47 Досягнуто прямий перенос електронів між різними окислювально-відновними білками та поверхнями електродів. Потенційні застосування включають проектування субстратоспецифічних біосенсорів, розробку біопаливних елементів та електрохімічний синтез. Цікавим застосуванням біоелектрохімічної технології є окислення р-крезолу до р-гідроксибензальдегіду (рис. 6.19). ⁴⁸