DMSO reductasa

La DMSO reductasa es una enzima que contiene molibdeno y cataliza la reducción del dimetilsulfóxido (DMSO) a dimetilsulfuro (DMS). En algunas bacterias, esta enzima actúa como reductasa terminal en condiciones anaeróbicas, siendo el DMSO el aceptor final de electrones. Durante la reacción, el átomo de oxígeno del DMSO se transfiere al molibdeno y posteriormente se reduce a agua.

La DMSO reductasa (DMSOR) y otros miembros de la familia de la DMSO reductasa son exclusivos de bacterias y arqueas . Las enzimas de esta familia participan en la fosforilación oxidativa anaeróbica y la respiración litotrófica basada en donantes inorgánicos . Estas enzimas han sido modificadas genéticamente para degradar oxoaniones. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} La DMSOR cataliza la transferencia de dos electrones y un átomo de oxígeno en la reacción: El sitio activo de la DMSOR contiene molibdeno, que es poco común en biología. ^{[ 2 ]}

En cuanto a otros miembros de la familia de la DMSO reductasa, la estructura terciaria de DMSOR está compuesta por dominios I-IV que rodean al Mo, con el dominio IV interactuando fuertemente con los cofactores de Mo piranopterinditioleno (P- y Q-pterina) del sitio activo. ^{[ 2 ] [ 3 ]} Los miembros de la familia de la DMSO reductasa difieren en términos de sus sitios activos. ^{[ 3 ]} En el caso de DMSOR, el centro de Mo se encuentra en dos ditiolenos proporcionados por dos cofactores piranopterina. Estos cofactores orgánicos, llamados molibdopterinas , están unidos a GMP para crear una forma de dinucleótido. Un quinto ligando adicional tipo cap es la cadena lateral O del residuo serina-147, lo que clasifica aún más a la enzima como DMSO reductasa de tipo III. En los tipos I y II, la serina es reemplazada por residuos de cisteína y aspartato, respectivamente. Dependiendo del estado redox del Mo, que fluctúa entre IV, V o VI a medida que avanza la reacción, el núcleo de Mo del sitio activo también puede estar ligado a un átomo de oxígeno de un grupo aqua, hidroxilo u oxo, respectivamente. Los estudios han demostrado que la identidad particular del aminoácido utilizado para coordinar el núcleo de Mo influye enormemente en el potencial redox de punto medio del Mo y en el estado de protonación de la ligadura del grupo oxígeno, que son determinantes clave en el mecanismo de catálisis de la enzima. ^{[ 2 ]}

Los estudios iniciales con isótopos de DMSO ¹⁸ establecieron un mecanismo de doble oxotransferasa para la DMSOR de R. sphaeroides . En este mecanismo, el O ¹⁸ marcado se transfiere del sustrato al Mo, que luego transfiere el O ¹⁸ al 1,3,5-triaza-7-fosfaadamantano (PTA) para producir PTAO ^{18. [ 6 ]} En un mecanismo análogo, el DMSO transfiere O al Mo, y el centro Mo(VI)O resultante se reduce, produciendo agua. ^{[ 7 ]}

Estudios sobre complejos sintéticos de Mo bis- ditioleno sugieren que se trata de una transferencia de oxígeno y de electrones. Mediante XAS en el borde K del azufre y DFT, estos estudios modelo apuntan a una escisión concertada del enlace SO y a una transferencia de electrones. Las velocidades son proporcionales a la disminución de la fuerza del enlace XO del sustrato y al aumento de la afinidad protónica del sustrato. ^{[ 8 ]}

La cristalografía de rayos X estableció que la estructura terciaria general de la enzima permanece constante durante el transcurso de la reacción. Sin embargo, varios experimentos diferentes realizados en la DMSOR de R. sphaeroides reportaron resultados diferentes para la actividad de coordinación de los cuatro ligandos ditioleno potenciales. Mientras que una investigación de cristalografía de rayos X concluyó una coordinación equidistante de los cuatro ligandos Mo-S en la forma oxidada, lo cual está respaldado por numerosos estudios de espectroscopia de absorción de rayos X (XAS), otro estudio caracterizó distancias Mo-S asimétricas. Ambos estudios, así como los estudios de resonancia paramagnética electrónica (EPR), han predicho que el sitio activo de Mo es altamente flexible en términos de posición y grado de coordinación de ligandos potenciales. ^{[ 7 ] [ 9 ]}

Los datos que sugerían dos cofactores de piranopterina significativamente asimétricos se utilizaron para proponer un mecanismo de reacción. En la forma Mo VI completamente oxidada del sitio activo, el grupo oxo y los ligandos de serina se coordinaban a distancias de 1,7 Å del centro de Mo. S1 y S2 de la P-pterina y S1 de la Q-pterina se ubicaban a 2,4 Å del Mo, y S2 de la Q-pterina se ubicaba a 3,1 Å. Esta asimetría de la pterina puede ser el resultado del efecto trans del grupo oxo que debilita el enlace S2-Mo, que se encuentra directamente opuesto al grupo oxo. ^{[ 7 ]}

En contraste, la estructura de la forma Mo IV completamente reducida del sitio activo mostró que S1 y S2 P-pterina y S1 Q-pterina mantuvieron una coordinación completa; sin embargo, el S2 de la Q-pterina se desplazó lejos del centro metálico, lo que indica una disminución de la coordinación. Este desplazamiento en la longitud del enlace ligando-Mo es consistente con el mecanismo propuesto de transferencia directa de oxígeno del sustrato DMSO al Mo. Una coordinación ditioleno más débil en la forma enzimática reducida podría facilitar la unión directa del S=O. En la reducción del Mo y la protonación del grupo oxo, se propone que una fuente de electrones del citocromo podría unirse a una depresión sobre el sitio activo y reducir directamente el centro de Mo, o bien, este citocromo podría unirse a un bucle polipeptídico bien solvatado cerca de la Q-pterina, y la Q-pterina podría mediar esta transferencia de electrones. ^{[ 7 ]}

En R. sphaeroides , DMSOR es una proteína soluble en agua de una sola subunidad que no requiere cofactores adicionales más allá de la pterina. En E. coli , DMSOR está integrada en la membrana y tiene tres subunidades únicas, una de las cuales incluye el cofactor característico pterina, otra que contiene cuatro grupos 4Fe:4S , y una subunidad transmembrana final que se une al menaquinol y lo oxida. La transferencia de un electrón del menaquinol a los grupos 4Fe:4S y finalmente al sitio activo pterina-Mo genera un gradiente de protones utilizado para la generación de ATP. ^{[ 7 ]}

La regulación de DMSOR se produce principalmente a nivel transcripcional. Está codificada por el gen dor y se expresa al activarse mediante una cascada de señalización, regulada por las proteínas DorS, DorR y DorC. Un estudio de fusiones de lacZ (genes reporteros) con los promotores correspondientes de dorS, dorR y dorC concluyó que la expresión de DorR y DorC aumentaba en ambientes con bajo contenido de oxígeno, pero la expresión de DorS no se veía afectada por la concentración de oxígeno. La expresión de DorC también aumentaba con el incremento de las concentraciones de DMSO. ^{[ 10 ]}

El DMS, un producto de la DMSOR, es un componente del ciclo del azufre . El DMS se oxida a metanosulfonatos , que nuclean la condensación de nubes sobre océanos abiertos, donde la fuente alternativa de nucleación, el polvo, está ausente. La formación de nubes es un componente clave para aumentar el albedo de la Tierra y regular la temperatura atmosférica; por lo tanto, esta enzima y la reacción que cataliza podrían resultar útiles en la lucha contra el cambio climático. ^{[ 11 ]}