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monóxido de carbono deshidrogenasa

En enzimología , la monóxido de carbono deshidrogenasa (CODH) ( EC 1.2.7.4 ) es una enzima que cataliza la reacción química CO + H₂O + A ⇌ {\displaystyle \rightleftharpoons } CO...

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En enzimología , la monóxido de carbono deshidrogenasa (CODH) ( EC 1.2.7.4 ) es una enzima que cataliza la reacción química

CO + H₂O + A⇌{\displaystyle \rightleftharpoons }CO 2 + AH 2

El proceso químico catalizado por la monóxido de carbono deshidrogenasa es similar a la reacción de desplazamiento del gas de agua .

Los 3 sustratos de esta enzima son CO , H2O y A, mientras que sus dos productos son CO2 y AH2 .

En los microorganismos que utilizan CODH se observa una variedad de donantes/receptores de electrones (mostrados como "A" y "AH 2 " en la ecuación de reacción anterior). Se han propuesto varios ejemplos de cofactores de transferencia de electrones, incluyendo ferredoxina , NADP+/NADPH y complejos de flavoproteínas como el flavín adenín dinucleótido (FAD), así como hidrogenasas . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Las CODH sustentan los metabolismos de diversos procariotas, incluyendo metanógenos , carboxidotrofos aerobios, acetógenos , reductores de sulfato y bacterias hidrogenogénicas. La reacción bidireccional catalizada por la CODH juega un papel en el ciclo del carbono , permitiendo a los organismos usar CO como fuente de energía y utilizar CO 2 como fuente de carbono. La CODH puede formar una enzima monofuncional, como en el caso de Rhodospirillum rubrum , o puede formar un clúster con la acetil-CoA sintasa, como se ha demostrado en Moorella thermoacetica . Cuando actúan en conjunto, ya sea como enzimas estructuralmente independientes o en una unidad bifuncional CODH/ACS, los dos sitios catalíticos son clave para la fijación de carbono en la vía reductiva de la acetil-CoA . Los organismos microbianos (tanto aerobios como anaerobios ) codifican y sintetizan CODH con el propósito de la fijación de carbono (oxidación de CO y reducción de CO₂ ) . Dependiendo de las proteínas accesorias unidas (clústeres A, B, C, D), desempeñan diversas funciones catalíticas, incluyendo la reducción de clústeres [4Fe-4S] y la inserción de níquel. [ 5 ]

Esta enzima pertenece a la familia de las oxidorreductasas , específicamente a aquellas que actúan sobre el grupo aldehído u oxo del donador con otros aceptores. El nombre sistemático de esta clase de enzimas es oxidorreductasa de monóxido de carbono:aceptor. Otros nombres de uso común incluyen deshidrogenasa de monóxido de carbono anaeróbica, oxigenasa de monóxido de carbono, deshidrogenasa de monóxido de carbono y oxidorreductasa de monóxido de carbono:(aceptor).

Diversidad

Las CODH son un grupo bastante diverso de enzimas, que contiene dos tipos de CODH no relacionados. Una flavoenzima de cobre-molibdeno se encuentra en algunas bacterias carboxidotróficas aerobias. Las bacterias anaerobias utilizan CODH basadas en níquel-hierro. [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] Ambas clases de CODH catalizan la conversión de monóxido de carbono (CO) a dióxido de carbono (CO 2 ). Solo la CODH que contiene Ni es capaz de catalizar también la reacción inversa. Las CODH existen en formas tanto monofuncionales como bifuncionales. Un ejemplo para este último caso, las Ni,Fe-CODH forman un clúster bifuncional con la acetil-CoA sintasa , como se ha caracterizado bien en las bacterias anaerobias Moorella thermoacetica , [ 9 ] [ 10 ] Clostridium autoethanogenum [ 11 ] y Carboxydothermus hydrogenoformans [ 12 ] . Mientras que las subunidades ACS del complejo de C. autoethanogenum muestran una disposición bastante extendida [ 11 ] las del complejo de M. thermoacetica y C. hydrogenoformans están más cerca de las subunidades CODH formando una estrecha red de túneles que conecta el clúster C y el clúster A. [ 13 ] [ 12 ]

Ni,Fe-CODH

La CODH que contiene níquel (Ni,Fe-CODH) se puede dividir aún más en clados estructurales, dependiendo de su relación filogenética [ 14 ].

Estructura

Estructura de CODH/ACS en M. thermoacetica . Se muestran las subunidades alfa (ACS) y beta (CODH). (1) Clúster A Ni-[4Fe-4S]. (2) Clúster C Ni-[3Fe-4S]. (3) Clúster B [4Fe-4S]. (4) Clúster D [4Fe-4S]. Diseñado a partir de PDB : 3I01

Ni,Fe-CODH

Las Ni,Fe-CODH homodiméricas contienen grupos de cinco metales . [ 15 ] Existen ya sea en forma homodimérica (también llamada monofuncional) o en un complejo bifuncional α 2 β 2 -tetramérico con acetil-CoA sintasa (ACS).

Monofuncional

Las CODH monofuncionales mejor estudiadas son las de Desulfovibrio vulgaris , [ 15 ] Rhodospirillum rubrum [ 16 ] [ 17 ] y Carboxydothermus hydrogenoformans. [ 18 ] [ 19 ] [ 7 ] Son homodímeros de alrededor de 130 kDa que comparten un clúster [4Fe-4S] central en la superficie de la proteína - clúster D. Los electrones probablemente se transfieren a otro clúster [4Fe-4S] (clúster B) ubicado 10 Å dentro de la proteína y desde allí al sitio activo - clúster C, que es un clúster [Ni-4Fe-4S]. [ 7 ] [ 17 ]

Bifuncional

El complejo CODH/ACS es una enzima tetramérica α 2 β 2. Se han resuelto las estructuras de los complejos CODH/ACS de las bacterias anaerobias Moorella thermoacetica , [ 9 ] [ 10 ] Clostridium autoethanogenum [ 11 ] y Carboxydothermus hydrogenoformans [ 12 ] . Las dos subunidades CODH forman el núcleo central de la enzima, al cual se une una subunidad ACS en cada extremo. Cada unidad α contiene un único clúster metálico. En conjunto, las dos unidades β contienen cinco clústeres de tres tipos. La actividad catalítica de la CODH se produce en los clústeres C de Ni-[3Fe-4S], mientras que los clústeres B y D [4Fe-4S] internos transfieren electrones desde el clúster C a transportadores de electrones externos como la ferredoxina . La actividad de la ACS se produce en el clúster A, ubicado en las dos unidades α externas. [ 7 ] [ 8 ]

Todos los complejos CODH/ACS tienen un túnel de gas que conecta los múltiples sitios activos, mientras que el sistema de túneles en la enzima C. autoethanogenum es comparativamente abierto y los de M. thermoacetica y C. hydrogenoformans son bastante estrechos. [ 9 ] [ 11 ] [ 12 ] Para la enzima Moorella , la tasa de actividad de la acetil-CoA sintasa a partir de CO 2 no se ve afectada por la adición de hemoglobina, que competiría por el CO en la solución a granel, [ 13 ] y los estudios de marcaje isotópico muestran que el monóxido de carbono derivado del clúster C se utiliza preferentemente en el clúster A sobre el CO no marcado en solución. [ 20 ] La ingeniería de proteínas de la CODH/ACS en M. thermoacetica reveló que la mutación de residuos, de modo que bloqueara funcionalmente el túnel, detuvo la síntesis de acetil-CoA cuando solo estaba presente el CO 2 . [ 21 ] El descubrimiento de un túnel de CO funcional coloca a la CODH en una lista creciente de enzimas que desarrollaron independientemente esta estrategia para transferir intermediarios reactivos de un sitio activo a otro. [ 22 ]

Mecanismos de reacción

Ni,Fe-CODH

El sitio catalítico de la CODH, denominado clúster C, es un clúster [3Fe-4S] unido a una unidad Ni-Fe. Dos aminoácidos básicos (Lys587 e His 113 en M. thermoacetica ) se encuentran cerca del clúster C y facilitan la química ácido-base necesaria para la actividad enzimática. [ 23 ] Además, otros residuos (es decir, una isoleucina apical al átomo de Ni) ajustan con precisión la unión y conversión de CO. [ 24 ] Basándose en espectros IR que sugieren la presencia de un complejo Ni-CO, el primer paso propuesto en la catálisis oxidativa de CO a CO₂ implica la unión de CO a Ni²⁺ y la correspondiente complejación de Fe²⁺ con una molécula de agua. [ 25 ]

Se ha propuesto que el CO se une al níquel plano cuadrado donde se convierte en un puente carboxilo entre el átomo de Ni y Fe. [ 7 ] [ 26 ] Una descarboxilación conduce a la liberación de CO 2 y a la reducción del clúster.

Los electrones en el clúster C reducido se transfieren a los clústeres B y D [4Fe-4S] cercanos, devolviendo el clúster C de Ni-[3Fe-4S] a un estado oxidado y reduciendo el transportador de un solo electrón ferredoxina . [ 27 ] [ 28 ]

Dado el papel de la CODH en la fijación de CO2 , el mecanismo reductivo a veces se infiere como el “inverso directo” del mecanismo oxidativo por el “principio de microreversibilidad”. [ 29 ]

Relevancia ambiental

La monóxido deshidrogenasa regula los niveles de CO y CO₂ atmosféricos . Los microorganismos anaeróbicos como los acetógenos utilizan la vía de Wood-Ljungdahl , dependiendo de la CODH para reducir el CO₂ a CO, necesario junto con un metilo, coenzima a (CoA) y proteína hierro-azufre corrinoide para la síntesis de acetil-CoA . [ 29 ] Otros tipos muestran que la CODH se utiliza para generar una fuerza protón-motriz con fines de generación de energía. La CODH se utiliza para la oxidación del CO, produciendo dos protones que posteriormente se reducen para formar dihidrógeno (H₂ ) . [ 30 ]

Referencias

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