Циклогексанонмонооксигеназа
Класс ферментов
Циклогексанонмонооксигеназа
Идентификаторы
Номер ЕС1.14.13.22
Номер CAS52037-90-8
Базы данных
ИнтЭнзIntEnz вид
БРЕНДАзапись BRENDA
ExPASyNiceZyme вид
КЕГГзапись KEGG
МетаЦикметаболический путь
ПРИАМпрофиль
Структуры PDBRCSB PDB PDBe PDBsum
Поиск
ЧВКстатьи
PubMedстатьи
NCBIбелки

Циклогексанонмонооксигеназа ( КФ 1.14.13.22, циклогексанон-1,2-монооксигеназа , циклогексаноноксигеназа , циклогексанон:НАДФН:кислородоксидоредуктаза (6-гидроксилирующая, 1,2-лактонирующая) ) — фермент с систематическим названием циклогексанон,НАДФН:кислородоксидоредуктаза (лактонобразующая) . [1] [2] [3] [4] [5] [6] Этот фермент катализирует следующую химическую реакцию

циклогексанон + НАДФН + H + + O 2 гексано-6-лактон + НАДФ + + H 2 O ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons}

Этот фермент содержит 540 остатков, организованных в одну субъединицу. Циклогексанонмонооксигеназа является одной из наиболее известных монооксигеназ Байера-Виллигера (БВМО) и имеет низкую субстратную специфичность, что позволяет ей катализировать ряд реакций; учитывая разнообразие субстратов, циклогексанонмонооксигеназа является полезным ферментом для промышленного применения.

Механизм фермента

Циклогексанонмонооксигеназа (CHMO) использует NADPH и O 2 в качестве косубстратов и FAD в качестве кофактора для вставки атома кислорода в субстрат. Процесс включает образование промежуточного продукта фальвин-пероксида и Криге . [7]  

CHMO является членом семейства монооксигеназ Байера-Виллигера (BVMO) и суперсемейства флавинсодержащих монооксигеназ (FMO). [7]

Циклогексанон подвергается следующему процессу, аналогичному реакциям Байера-Виллигера, для преобразования в гексано-6-лактон с использованием CHMO. [8]

  1. НАДФН присоединяется к активному центру CHMO и переносит гидрид, в результате чего образуются ФАДН- и НАДФ+ .
  2. Перенос одного электрона от FADH- к O 2 приводит к образованию супероксидного радикала и семихинона FAD .
  3. Рекомбинация радикальной пары приводит к образованию промежуточного соединения C4a-пероксифлавина.
  4. Промежуточный продукт C4a-пероксифлавин действует как нуклеофил и атакует субстрат циклогексанон с образованием промежуточного продукта Криге .
  5. Промежуточный продукт подвергается перегруппировке с образованием гексано-6-лактона.
  6. CHMO высвобождает H 2 O и NADP+ и регенерирует FADH .

CHMO также может оксигенировать циклические кетоны, ароматические альдегиды и соединения, содержащие гетероатомы. [9]

Структура фермента

Используя CHMO, выделенный из штамма Rhodococcus sp. HI-31 и комплексированный с FAD и NADP+ , были получены две кристаллические структуры, показывающие CHMO в открытой и закрытой конформациях. [7] Структурно CHMO стабилен и содержит 540 остатков, организованных в одну субъединицу.

CHMO содержит домены связывания для NADP+ и FAD , которые соединены двумя неструктурированными петлями. Домен связывания NADP состоит из сегментов 152-208 и 335-380 со спиральным доменом, построенным между остатками 224-332. Спиральный домен смещается между двумя доменами связывания динуклеотида ( NADP+ и FAD ) и помогает сформировать карман связывания субстрата . Домен связывания FAD состоит из первых 140 N-концевых остатков, а также остатков 387-540 от C-конца. [7] 

FAD связан с CHMO в закрытой конформации (PDB ID: 3GWD).
NADP+ связан с CHMO в закрытой конформации (PDB ID: 3GWD). Домен связывания NADP+ (остатки 152-208 и 335 - 380) показан розовым цветом, а спиральный домен (остатки 224-332) - желтым.

Карман связывания субстрата хорошо определен в закрытой конформации и состоит из остатков 145–146, 248, 279, 329, 434–435, 437, 492 и 507; FAD и NADP+ также вносят вклад в форму кармана связывания . [7]

Ключевое различие между открытой формой, CHMO open , и закрытой формой, CHMO closed , заключается в конформации остатков 487-504, которые образуют петлю. В закрытом подтверждении петля сворачивается сама на себя, интернализуя центральную часть петли. Однако в открытой конформации петля не видна. Предсказывается, что это происходит из-за того, что петля принимает конформацию, открытую для растворителя. [7]

Сравнение открытой и закрытой структур CHMO. Закрытая конформация CHMO (PDB ID: 3GWD) показана в бирюзовом цвете, а открытая конформация CHMO (PDB ID: 3GWF) показана в розовом цвете. Закрытая CHMO четко демонстрирует петлю из остатков 487-504 (отмечена желтым), которая не видна в открытой CHMO.

Биологическая функция

CHMO — это бактериальный флавофермент , основная функция которого в клетке — катализировать превращение циклогексанона , циклического кетона , в ε- капролактон , что является ключевым этапом в пути биодеградации циклогексанола . [10] Однако, учитывая отсутствие специфичности для CHMO, его можно использовать в целом для образования лактонов из ряда четырех-шестичленных циклических кетонов , которые затем можно гидролизовать в алифатические кислоты. [10] Более того, CHMO обладает способностью оксигенировать ароматические альдегиды и соединения, содержащие гетероатомы, такие как трехвалентный фосфор и бороновые кислоты , что делает его кандидатом для промышленного использования. [10]

Промышленная значимость

Используя его сродство к нескольким субстратам и учитывая, что механизм является одним из наиболее хорошо изученных монооксигеназ Байера-Виллигера (BVMO) с высокой регио- , хемо- и энантиоселективностью , CHMO был идентифицирован как полезная промышленная молекула. ​​[11] [7] Специфичные для штамма праймеры, полученные из гена CMHO, уже использовались для разработки и оптимизации как количественной оценки, так и мониторинга уровней Lysobacter antibioticus , потенциального биологического средства борьбы с болезнями сельскохозяйственных культур, в сельскохозяйственных почвах с помощью ПЦР и ПЦР в реальном времени . [12] Что касается сферы здравоохранения, мутанты CHMO являются кандидатами на эффективный внеклеточный ферментативный синтез (S) -омепразола — препарата для лечения гастроэзофагеального рефлюкса — при экспрессии Pichia pastoris , метилотрофными дрожжами. [13] Кроме того, CHMO продемонстрировал свою способность образовывать хиральные синтоны, что делает CHMO потенциальной целью для более экономически эффективного синтеза лекарств, особенно в отношении энантиоселективных лактонов . [10]

Ссылки

  1. ^ Donoghue NA, Norris DB, Trudgill PW (март 1976). «Очистка и свойства циклогексаноноксигеназы из Nocardia globerula CL1 и Acinetobacter NCIB 9871». European Journal of Biochemistry . 63 (1): 175–92 . doi : 10.1111/j.1432-1033.1976.tb10220.x . PMID  1261545.
  2. ^ Шэн Д., Баллу Д.П., Мэсси В. (сентябрь 2001 г.). «Механистические исследования циклогексанонмонооксигеназы: химические свойства промежуточных продуктов, участвующих в катализе». Биохимия . 40 (37): 11156– 67. doi :10.1021/bi011153h. PMID  11551214.
  3. ^ Стюарт, Дж. Д. (1998). «Циклогексанонмонооксигеназа: полезный реагент для асимметричных реакций Байера-Виллигера». Curr. Org. Chem . 2 (3): 195– 216. doi :10.2174/1385272802666220128191443.
  4. ^ Kayser M, Mihovilovic M, Mrstik M, Martinez C, Stewart J (1999). «Асимметричное окисление серы, катализируемое сконструированными штаммами, которые сверхэкспрессируют циклогексанонмонооксигеназу». New Journal of Chemistry . 23 (8): 827– 832. doi :10.1039/a902283j.
  5. ^ Оттолина Г., Бьянки С., Беллони Б., Карреа Г., Даниэли Б. (1999). «Первое асимметричное окисление третичных аминов циклогексанонмонооксигеназой». Tetrahedron Lett . 40 (48): 8483– 8486. doi :10.1016/s0040-4039(99)01780-3.
  6. ^ Colonna S, Gaggero N, Carrea G, Ottolina G, Pasta P, Zambianchi F (2002). «Первое асимметричное эпоксидирование, катализируемое циклогексанонмонооксигеназой». Tetrahedron Lett . 43 (10): 1797– 1799. doi :10.1016/s0040-4039(02)00029-1.
  7. ^ abcdefg Мирза, И. Ахмад; Ячнин, Брам Дж.; Ван, Шаочжао; Гросс, Стефан; Бержерон, Элен; Имура, Акихиро; Иваки, Хироаки; Хасэгава, Ёсиэ; Лау, Питер С.К.; Бергейс, Альберт М. (1 июля 2009 г.). «Кристаллические структуры циклогексанонмонооксигеназы демонстрируют сложные движения доменов и скользящий кофактор». Журнал Американского химического общества . 131 (25): 8848–8854 . doi :10.1021/ja9010578. ISSN  0002-7863. PMID  19385644. S2CID  207138937.
  8. ^ Fordwour, Osei Boakye; Wolthers, Kirsten R. (2018-12-01). «Аргинин активного центра контролирует стереохимию переноса гидрида в циклогексанонмонооксигеназе». Архивы биохимии и биофизики . 659 : 47–56 . doi :10.1016/j.abb.2018.09.025. ISSN  0003-9861. PMID  30287236. S2CID  52919877.
  9. ^ Шэн, Д.; Баллу, Д.П.; Мэсси, В. (2001-09-18). «Механистические исследования циклогексанонмонооксигеназы: химические свойства промежуточных продуктов, участвующих в катализе». Биохимия . 40 (37): 11156– 11167. doi :10.1021/bi011153h. ISSN  0006-2960. PMID  11551214.
  10. ^ abcd Шэн, Давэй; Баллу, Дэвид П.; Мэсси, Винсент (2001-09-01). "Механистические исследования циклогексанонмонооксигеназы: химические свойства промежуточных продуктов, участвующих в катализе". Биохимия . 40 (37): 11156– 11167. doi :10.1021/bi011153h. ISSN  0006-2960. PMID  11551214.
  11. ^ Beek, Hugo L. van; Gonzalo, Gonzalo de; Fraaije, Marco W. (2012-03-05). «Смешивание монооксигеназ Байера–Виллигера: использование надежного BVMO в качестве основы для создания химерных ферментов с новыми каталитическими свойствами». Chemical Communications . 48 (27): 3288– 3290. doi :10.1039/C2CC17656D. ISSN  1364-548X. PMID  22286124.
  12. ^ Лина, Фу; Тин, Ван; Ланьфан, Вэй; Цзюнь, Ян; Ци, Лю; Ятин, Ван; Син, Ван; Гуанхай, Цзи (2018). «Специфическое обнаружение штаммов Lysobacter antibioticus в сельскохозяйственной почве с использованием ПЦР и ПЦР в реальном времени». FEMS Microbiology Letters . 365 (20). doi : 10.1093/femsle/fny219 . PMID  30202922.
  13. ^ Ли, Я-Цзин; Чжэн, Ю-Цун; Гэн, Цян; Лю, Фэн; Чжан, Чжи-Цзюнь; Сюй, Цзянь-Хэ; Ю, Хуэй-Лэй (27.08.2021). "Секретная экспрессия циклогексанонмонооксигеназы метилотрофными дрожжами для эффективного биоокисления сульфида омепразола". Биоресурсы и биопереработка . 8 (1): 81. doi : 10.1186/s40643-021-00430-1 . ISSN  2197-4365. PMC 10992682. S2CID  237330516 . 
Взято с "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Циклогексанон_монооксигеназа&oldid=1219004379"