Nickelsuperoxiddismutas

Nickelsuperoxiddismutas Struktur för Streptomyces
Ni
superoxiddismutashexameridentifierare
Symbol	Sod_Ni
Pfam	PF09055
InterPro	IPR014123
SCOP2	1q0d / SCOPe / SUPFAM
Tillgängliga proteinstrukturer: Pfam   strukturer / ECOD   PDB RCSB PDB ; PDBe ; PDBj PDBsumma struktur sammanfattning

Nickelsuperoxiddismutas (Ni-SOD) är ett metalloenzym som, liksom de andra superoxiddismutaserna , skyddar celler från oxidativ skada genom att katalysera disproportioneringen av den cytotoxiska superoxidradikalen (O
⁻ ₂ ) till väteperoxid och molekylärt syre . Superoxid är en reaktiv syreart som produceras i stora mängder under fotosyntes och aerob cellandning . Ekvationen för disproportioneringen av superoxid visas nedan:

${\rm {2O_{ 2}^{-}+2H^{+}{\xrightarrow {Nickel\ Superoxide\ Dismutase}}H_{2}O_{2}+O_{2}}}$

Ni-SOD isolerades först 1996 från Streptomyces -bakterier och finns främst i prokaryota organismer. Det har sedan dess observerats i cyanobakterier och ett antal andra vattenlevande mikrober. Ni-SOD är homohexamerisk, vilket betyder att den har sex identiska subenheter. Varje underenhet har en enda nickelinnehållande aktiv plats . Disproportioneringsmekanismen involverar en reduktionsoxidationscykel där en enda elektronöverföring katalyseras av Ni ²⁺ /Ni ³⁺ redoxparet . Ni-SOD katalyserar nära diffusionsbarriären.

Strukturera

Swiss PDB Viewer-rendering av nickelsuperoxiddismutas med nickelkofaktorerna visade i blått och nickelbindningskrokarna i grönt. De sex aktiva platserna är belägna i nickelbindningskrokarna.

Ni-SOD är ett klotformigt protein och är formad som en ihålig sfär. Den är homohexamerisk, vilket betyder att den består av sex identiska underenheter. Varje subenhet är ett knippe av fyra högerhänta a-helixar och har en molekylmassa på 13,4 kDa (117 aminosyror ). Underenheterna riktas in för att ge Ni-SOD en trefaldig symmetriaxel. Det finns sex nickelkofaktorer totalt (en för varje subenhet). Underenheterna har också en hydrofob kärna, som hjälper till att driva proteinveckning . Kärnan består av 17 alifatiska aminosyror.

Nickelbindningskrok

Alla aminosyrorna som är involverade i katalys och nickelbindning är belägna inom de första sex resterna från N-terminalen av varje subenhet. Denna region har en krökt och oordnad form i frånvaro av nickel, vilket ger den dess smeknamn, "nickelbindningskroken". Efter att nickel binder får detta motiv en högordnad struktur och bildar enzymets aktiva plats. Nickelbindningskroken är sammansatt av den konserverade sekvensen H2N -His-Cys-XX-Pro-Cys-Gly-X-Tyr (där X kan vara vilken aminosyra som helst, dvs positionen är inte konserverad) _. Proline -5 skapar en skarp sväng, vilket ger denna region en krokform. His-1, Cys-2, Cys-6 och N-terminalen utgör liganduppsättningen för nickelkofaktorerna. Efter att nickel binder stabiliseras den ordnade strukturen hos nickelbindningskroken genom att bilda vätebindningar med aminosyror vid gränsytan mellan två olika subenheter.

Aktiv sida

Aktivt ställe för nickelsuperoxiddismutas. Nickel skiftar mellan Ni(II)- och Ni(III)-oxidationstillstånden under hela den katalytiska cykeln. Den axiella histidinliganden kan eller behöver inte vara närvarande i det oxiderade enzymet.

De sex aktiva ställena är belägna i nickelbindningskroken hos varje subenhet.

Ni-SOD är det enda superoxiddismutaset med andra ligander än histidin, aspartat eller vatten. Aminosyraresterna som definierar koordinationssfären för Ni är cystein -2, cystein-6 och histidin-1. Ekvatorialliganderna inkluderar tiolaterna av cystein-2 och cystein-6, såväl som ett deprotonerat amidkväve i ryggraden och den N-terminala aminen . Detta är ett av de få exemplen på en ryggradsamidgrupp som fungerar som en metallligand i ett protein.

Tiolatsvavelcentra är mottagliga för oxidativ skada .

Koordinationsgeometri nickelkofaktorn

I dess oxiderade (Ni(III)) tillstånd är koordinationsgeometrin för nickel kvadratisk pyramidformad . Bindningen av histidin-1 som en axiell ligand i det reducerade enzymet är osäker. Om histidin inte är en ligand i det reducerade enzymet, skulle nickel(II)-kofaktorn vara kvadratisk plan . His-1 kan dock förbli på plats under hela redoxcykeln, vilket betyder att nickelkofaktorn alltid skulle ha en kvadratisk pyramidal geometri. His-1 hålls på plats över nickelkofaktorn i ett tätt vätebindningsnätverk med en glutaminsyrarest och en argininrest .

Mekanism

Den katalytiska mekanismen är analog med den högeffektiva "pingpong"-mekanismen för koppar-zinksuperoxiddismutas , där O
^- ₂ växelvis reducerar och oxiderar nickelkofaktorn. Två enskilda elektronöverföringssteg är involverade:

1. ${\rm {2O_{2}^{-}+Ni(III)SOD{ \xrightarrow {}}Ni(II)SOD+O_{2}}}$
2. ${\rm {2O_{2}^{-}+ 2H^{+}+Ni(II)SOD{\xrightarrow {}}H_{2}O_{2}+Ni(III)SOD}}$

Flera aspekter av mekanismen som är fortfarande oklara. Till exempel är både H ⁺ -källan och överföringsmekanismen fortfarande vaga. H ⁺ bärs med största sannolikhet in i det aktiva stället av substratet, vilket betyder att superoxid kommer in i enzymet i dess protonerade form (HO ₂ ). Disproportioneringen är troligen katalyserad i den andra koordinationssfären , men mekanismen för elektronöverföring är fortfarande uppe för debatt. Det är möjligt att en kvanttunnelhändelse är inblandad. Nickelsuperoxiddismutas är ett otroligt effektivt enzym, vilket indikerar att redoxmekanismen är mycket snabb. Detta innebär att stora strukturella omarrangemang eller dramatiska förändringar av koordinationssfären sannolikt inte är involverade i den katalytiska mekanismen.

Förekomst

Nickelsuperoxiddismutas finns främst i bakterier . Det enda kända exemplet på en eukaryot som uttrycker ett nickelinnehållande superoxiddismutas finns i cytoplasman hos ett antal grönalger . Ni-SOD isolerades först från Streptomyces- bakterier, som mestadels finns i jord. Streptomyces Ni-SOD har varit det mest studerade nickelinnehållande SOD hittills. Dessa enzymer är nu kända för att existera i ett antal andra prokaryoter, inklusive cyanobakterier och flera Actinomycetes -arter. Några av Actinomycetes -arterna som uttrycker nickelinnehållande superoxiddismutater är Micromonospora rosia, Microtetraspora glauca och Kitasatospora griseola . Ni-SOD har inte hittats i någon arkea .

förordning

Nickel är den primära regulatoriska faktorn i uttrycket av Ni-SOD. Ökad nickelkoncentration i cytosolen ökar uttrycket av sodN , genen som kodar för Ni-SOD i Streptomyces . I frånvaro av nickel transkriberas inte sodN , vilket indikerar att nickel positivt reglerar Ni-SOD-uttryck. Enzymets veckning är också beroende av närvaron av nickel i cytosolen. Som nämnts ovan är nickelbindningskroken störd när nickel inte är närvarande.

Nickel fungerar också som en negativ regulator, vilket undertrycker transkriptionen av andra superoxiddismutaser. Speciellt undertrycks uttryck av järnsuperoxiddismutas (Fe-SOD) av nickel i Streptomyces coelicolor . Ett typiskt exempel på denna negativa reglering är Nur, nickelbindande repressor . När nickel är närvarande binder Nur till promotorn av sodF , vilket stoppar produktionen av järnsuperoxiddismutas.

Posttranslationell modifiering krävs också för att producera det aktiva enzymet. För att exponera den nickelbindande kroken måste en ledarsekvens enzymatiskt klyvas från N-terminalen.