메탄모노옥시제나아제

Methane monooxygenase
미립자 메탄 모노옥시제나스
1yew opm.png
식별자
기호pMO
PfamPF02461
인터프로IPR003393
OPM 슈퍼 패밀리23
OPM단백질1yew

MMO(Metan monooxygenase, MMO)는 다른 알칸뿐만 아니라 메탄의 C-H 결합을 산화시킬 수 있는 효소다.[1] 메탄 모노옥시제네아제는 산화효소의 종류에 속한다(EC 1.14.13.25).

MMO에는 잘 연구된 수용성 형태(sMO)와 입자 형태(pMO)의 두 가지 형태가 있다.[2] sMO의 활성 부위는 산소 원자(Fe-O-Fe)로 브리징된 다이철 중심을 포함하고, pMO의 활성 부지는 구리를 이용한다. 두 단백질의 구조는 X선 결정학에 의해 결정되었지만, pMO에서 활성 부위의 위치와 메커니즘은 여전히 잘 이해되지 않고 있으며 활발한 연구의 영역이다.

미립자 메탄 모노옥시제네아제와 관련 암모니아 모노옥시제네아제는 각각 메탄노트로피와 암모니아 산화제에서 발생하는 일체형 막 단백질이다.[3] 이 효소들은 비교적 넓은 기질 특이성을 가지고 있으며 암모니아, 메탄, 할로겐화 탄화수소, 방향제 분자를 포함한 기질들의 산화를 촉진시킬 수 있다.[4] 이들 효소는 A(InterPro: IPR003393) B(InterPro: IPR0068333) C(InterPro: IPR006980) 등 3개의 서브유닛으로 구성된 호모트리머로 대부분 2개의 모노코퍼 센터를 포함하고 있다.[5][6]

메틸로코쿠스 캡슐라투스(Bath)의 A 서브유닛은 주로 멤브레인 내에 존재하며, 7개의 트랜섬브레인 나선과 B 서브유닛의 수용성 부위와 상호작용하는 베타헤어핀으로 구성된다. 보존된 글루탐산염 잔여물은 금속 중심부에 기여하는 것으로 생각된다.[5]

메탄 모노옥시제네스는 에어로빅(산소 함유) 환경과 혐기성(산소성-devid) 환경의 접점에 존재하는 박테리아의 한 종류인 메탄성생성균에서 발견된다. 이러한 유형의 박테리아 중 가장 널리 연구되는 것은 메틸로코쿠스 캡슐라투스(Bath)이다. 이 박테리아는 영국 배스의 온천에서 발견되었다.[7]

용해성 메탄 모노옥시제(MMO) 시스템

메탄로티시브 박테리아는 혐기성 퇴적물을 통해 탄소를 순환시키는 필수적인 역할을 한다. 사이클링 이면의 화학 작용은 화학적으로 불활성 탄화수소, 메탄올을 취하여 보다 활동적인 종인 메탄올으로 전환시킨다. 다른 탄화수소는 MMO에 의해 산화되므로, MMO 시스템의 이해에 기초한 새로운 히드록실화 촉매가 세계 천연가스 공급을 보다 효율적으로 이용할 수 있을 것이다.[8]

이는 NAD(P)H의 감소 등가물 2개를 이용하여 O2의 O-O 본드를 분할하는 고전적인 모노옥시제네아제 반응이다. 한 원자는 2 e-로 감소하여 물로 감소하고 두 번째 원자는 메탄올을 산출하기 위해 기질에 통합된다.[9]

CH4 + O2 + NAD(P)H + H+ -> CH3OH + NAD(P)+ + H2O

두 가지 형태의 MMO가 발견되었다: 가용성 및 미립자. 가장 특징적인 형태의 수용성 MMO는 히드록실라아제, β 유닛, 환원효소의 세 가지 단백질 성분을 포함하고 있다. 각각은 효과적인 기질 히드록시화 및 NADH 산화에 필요하다.[9]

구조

디아이언 코어의 휴식, 산화 및 감소된 상태.

MMO의 X선 결정학에서는 3개의 서브유닛인 α2β2γ2γ2로 형성된 조광기임을 알 수 있다. 2.2A 분해능을 가진 결정학에서는 MMO가 60 x 100 x 120 A의 치수를 가진 비교적 평평한 분자라는 것을 보여준다. 게다가 분자 중앙에는 구멍이 뚫린 조광기 인터페이스를 따라 넓은 협곡이 흐르고 있다. 대부분의 양성자는 α 및 β 서브유닛으로부터의 헬리코스를 포함하며, sub 서브유닛은 참가하지 않는다. 또한 양성자와의 상호작용은 리보뉴클레오티드 환원효소 R2 단백질 디머 상호작용을 닮아 심장을 닮았다.[10][11] 각각의 철은 6개의 좌표 팔면 환경을 가지고 있다. 탈핵 철 중심은 α 서브 유닛에 위치한다. 각 철 원자는 히스티딘 ΔN 원자, Fe 1은 히스티딘 ΔN 원자, Fe 1은 히스딘 ΔN 원자, Fe 2는 히스 147, Fe 2는 His 246, Fe 1은 모노덴테이트 카르복실산트, Glu 114, 세미 브리지 카복실레이트, Glu 144, 그리고 물 분자와 결합되어 있다.[8]

반응이 일어나기 위해서는 기판이 활성 부위 근처에 묶여야 한다. 철의 중심부 근처에는 소수성 주머니가 있다. 여기서 메탄은 결합되어 필요할 때까지 유지된다고 생각된다. X선 결정학에서는 이러한 패킷에 대한 직접적인 경로가 없다. 그러나 Phe 188 또는 213 사이드 체인의 약간의 순응 변화는 접근을 허용할 수 있다.[8] 이러한 순응적 변화는 결합 단백질과 활성제의 결합에 의해 유발될 수 있다.

감량 후, 카복실산 리간드 중 하나는 단자 단자 모노덴테이트 리간드 뒤에서 두 다리미 리간드로 "1,2 카르복실산" 이동을 겪으며, 두 번째 산소는 Fe 2로 조정된다. MMOH의red 감소된 형태에서 Fe에 대한 리간드 환경은 효과적으로 5개의 조화가 되는데, 이는 클러스터가 다이옥시겐을 활성화할 수 있도록 하는 형태다.[9] 두 개의 쇠는 이 지점에서 Fe로 산화된다.IV 그리고 저스핀 강자성에서 고스핀 항암성으로 바뀌었다.

제안된 촉매 사이클 및 메커니즘

제안된 MMO용 촉매 사이클.

MMOH로부터red 다이론 중심은 O와2 반응하여 중간 P를 형성한다. 이 중간은 분광학 연구에 의해 제시된 옥시겐이 대칭적으로 결합되는 과산화종이다.[12] 그러나 구조는 알려지지 않았다. 그런 다음 중간 P는 중간 Q로 변환되며, 이는 두 개의 반소성 결합 고스핀 Fe를 포함하도록 제안되었다.정맥주사.[9] 다이아몬드 핵이 있는 이 화합물 Q는 MMO의 산화종에 매우 중요하다.

화합물 Q와 알칸 사이의 반응을 위해 제안된 두 가지 메커니즘이 있다: 급진적 및 비방사적. 급진적 메커니즘은 기질에서 수소 원자를 추상화하여 QH(속도 결정 단계), 히드록실 결합 화합물 Q 및 자유 알킬 라디칼을 형성하는 것으로 시작한다. 비방사성 메커니즘은 4-중심 전환 상태를 통해 발생하며 "수소-알킬-Q" 화합물로 이어지는 결합 경로를 의미한다. 1999년 현재, 이 연구는 메탄 산화가 경계-방사성 메커니즘을 통해 진행된다는 것을 제시한다.

급진적 메커니즘의 전환 상태는 메틸 레디컬이 브리징 히드록실 리간드에 알코올을 형성하기 전에 히드록실 오 리간드의 비틀림 운동을 수반하는 것으로 제안되었다. 급진파가 접근함에 따라 알칸의 H 원자는 코플란라 3코노르덴 O 환경을 벗어나 위로 구부러져 사면체 사면체 테트라코르덴산 O 환경을 만든다.[9]

이 반응의 마지막 단계는 알코올의 제거와 촉매의 재생이다. 이런 일이 일어날 수 있는 몇 가지 방법이 있다. 알코올과 중간 Fe-O-Fe 코어의 제거로 시작하는 단계적 메커니즘일 수 있으며, 후자는 2e-축소를 통해 물을 제거하고 효소를 재생시킬 수 있다. 반면 O1 원자를 브리징해 물 분자를 주는 2e-축소 과정부터 시작해 알코올 제거와 효소 재생으로 이어질 수 있다. 또한 브리지 O1 중심부의 2e-축소 및 촉매의 재생과 함께 메탄올의 제거가 자연적으로 발생하는 결합 메커니즘이 있을 수 있다.[9]

참고 항목

참조

  1. ^ Sazinsky, Matthew H.; Lippard, Stephen J. (2015). "Chapter 6 Methane Monooxygenase: Functionalizing Methane at Iron and Copper". In Peter M.H. Kroneck and Martha E. Sosa Torres (ed.). Sustaining Life on Planet Earth: Metalloenzymes Mastering Dioxygen and Other Chewy Gases. Metal Ions in Life Sciences. Vol. 15. Springer. pp. 205–256. doi:10.1007/978-3-319-12415-5_6. ISBN 978-3-319-12414-8. PMID 25707469.
  2. ^ Ross, Matthew O.; Rosenzweig, Amy C. (2017). "A tale of two methane monooxygenases". Jbic Journal of Biological Inorganic Chemistry. 22 (2–3): 307–319. doi:10.1007/s00775-016-1419-y. PMC 5352483. PMID 27878395.
  3. ^ Holmes AJ, Costello A, Lidstrom ME, Murrell JC (1995). "Evidence that particulate methane monooxygenase and ammonia monooxygenase may be evolutionarily related". FEMS Microbiol. Lett. 132 (3): 203–208. doi:10.1111/j.1574-6968.1995.tb07834.x. PMID 7590173.
  4. ^ Arp DJ, Sayavedra-Soto LA, Hommes NG (2002). "Molecular biology and biochemistry of ammonia oxidation by Nitrosomonas europaea". Arch. Microbiol. 178 (4): 250–255. doi:10.1007/s00203-002-0452-0. PMID 12209257. S2CID 27432735.
  5. ^ a b Lieberman RL, Rosenzweig AC (2005). "Crystal structure of a membrane-bound metalloenzyme that catalyses the biological oxidation of methane". Nature. 434 (7030): 177–182. Bibcode:2005Natur.434..177L. doi:10.1038/nature03311. PMID 15674245. S2CID 30711411.
  6. ^ Ross, Matthew O.; MacMillan, Fraser; Wang, Jingzhou; Nisthal, Alex; Lawton, Thomas J.; Olafson, Barry D.; Mayo, Stephen L.; Rosenzweig, Amy C.; Hoffman, Brian M. (10 May 2019). "Particulate methane monooxygenase contains only mononuclear copper centers". Science. 364 (6440): 566–570. doi:10.1126/science.aav2572. ISSN 0036-8075. PMC 6664434. PMID 31073062.
  7. ^ Dalton, Howard; Whittenbury, Roger (August 1976). "The acetylene reduction technique as an assay for nitrogenase activity in the methane oxidizing bacterium Methylococcus capsulatus strain bath". Archives of Microbiology. 109 (1): 147–151. doi:10.1007/BF00425127. S2CID 21926661.
  8. ^ a b c Rosenzweig AC, Frederick CA, Lippard SJ, Nordlund P (1993). "Crystal structure of bacterial non-haem iron hydroxylase that catalyses the biological oxidation of methane". Nature. 366 (6455): 537–543. Bibcode:1993Natur.366..537R. doi:10.1038/366537a0. PMID 8255292. S2CID 4237249.
  9. ^ a b c d e f Basch, Harold; et al. (1999). "Mechanism of the Methane -> Methanol Conversion Reaction Catalyzed by Methane Monoxygenase: A Density Function Study". J. Am. Chem. Soc. 121 (31): 7249–7256. doi:10.1021/ja9906296.
  10. ^ Nordlund P, Sjöberg BM, Eklund H (1990). "Three-dimensional structure of the free radical protein of ribonucleotide reductase". Nature. 345 (6276): 593–598. Bibcode:1990Natur.345..593N. doi:10.1038/345593a0. PMID 2190093. S2CID 4233134.
  11. ^ Nordlund P, Eklund H (1993). "Structure and function of the Escherichia coli ribonucleotide reductase protein R2". J. Mol. Biol. 232 (1): 123–164. doi:10.1006/jmbi.1993.1374. PMID 8331655.
  12. ^ Liu KE, Valentine AM, Qiu D, Edmondson DE, Appelman EH, Spiro TG, Lippard SJ (1995). "Characterization of a Diiron(III) Peroxide Intermediate in the Reaction Cycle of Methane Monooxygenase Hydroxylase from Methylococcus capsulatus (Bath)". Journal of the American Chemical Society. 117 (17): 4997–4998. doi:10.1021/ja00122a032.

추가 읽기

  • Fraústo da Silva JJ, Williams RJ (2008). The biological chemistry of the elements : the inorganic chemistry of life (2nd ed.). Oxford: Oxford University Press. ISBN 978-0-19-850848-9.

외부 링크

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