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Nitrilo hidratasa

Las nitrilo hidratasas ( NHasas ; EC 4.2.1.84) son enzimas mononucleares de hierro o cobalto no corrinoide que catalizan la hidratación de diversos nitrilos a sus correspondientes amidas :

RC≡N + H
2O → RC(O)NH
2

Cofactor metálico

Las nitrilo hidratasas utilizan Fe (III) o Co (III) en sus sitios activos. Estos iones tienen un espín bajo. [1]

Las nitrilo hidratasas a base de cobalto son ejemplos raros de enzimas que utilizan cobalto. El cobalto , cuando se encuentra en las enzimas, suele estar unido a un anillo de corrina , como en la vitamina B 12 .

El mecanismo por el cual el cobalto se transporta a NHase sin causar toxicidad no está claro, aunque se ha identificado una permeasa de cobalto, que transporta cobalto a través de la membrana celular. La identidad del metal en el sitio activo de una nitrilo hidratasa se puede predecir mediante el análisis de los datos de la secuencia de la subunidad alfa en la región donde está unido el metal. La presencia de la secuencia de aminoácidos VCTLC indica una NHasa cocéntrica y la presencia de VCSLC indica una NHasa centrada en Fe.

Vía metabólica

La nitrilo hidratasa y la amidasa son dos enzimas hidratantes e hidrolíticas responsables del metabolismo secuencial de los nitrilos en bacterias que son capaces de utilizar los nitrilos como única fuente de nitrógeno y carbono, y en conjunto actúan como una alternativa a la actividad de la nitrilasa , que realiza la hidrólisis del nitrilo sin Formación de una amida primaria intermedia. Se sugirió una secuencia en el genoma del coanoflagelado Monosiga brevicollis para codificar una nitrilo hidratasa. [2] El gen de M. brevicollis constaba de las subunidades alfa y beta fusionadas en un solo gen. Desde entonces se han identificado genes de nitrilo hidratasa similares que consisten en una fusión de las subunidades beta y alfa en varios supergrupos de eucariotas, lo que sugiere que dichas nitrilo hidratasas estaban presentes en el último ancestro común de todos los eucariotas . [3]

Aplicaciones industriales

Las NHasas se han utilizado eficientemente para la producción industrial de acrilamida a partir de acrilonitrilo [4] a una escala de 600 000 toneladas por año [5] y para la eliminación de nitrilos de las aguas residuales. Las NHas fotosensibles poseen intrínsecamente óxido nítrico (NO) unido al centro de hierro y su fotodisociación activa la enzima. La nicotinamida se produce industrialmente [4] mediante la hidrólisis de 3-cianopiridina catalizada por la nitrilo hidratasa de Rhodococcus rhodochrous J1, [6] [7] produciendo 3500 toneladas por año de nicotinamida para su uso en alimentación animal. [5]

Estructura

Estructura de la nitrilo hidratasa. [8]

Las NHasas se componen de dos tipos de subunidades, α y β, que no están relacionadas en la secuencia de aminoácidos. Las NHasas existen como dímeros αβ o tetrámeros α 2 β 2 y se unen a un átomo de metal por unidad αβ. Se han determinado las estructuras tridimensionales de varios NHas. La subunidad α consta de un "brazo" N-terminal largo y extendido, que contiene dos hélices α, y un dominio C-terminal con una estructura inusual de cuatro capas (α-β-β-α). La subunidad β consta de un bucle N-terminal largo que envuelve la subunidad α, un dominio helicoidal que se empaqueta con el dominio N-terminal de la subunidad α y un dominio C-terminal que consta de un rodillo β y una hélice corta.

Asamblea

Se propuso por primera vez una vía de ensamblaje para la nitrilo hidratasa cuando los experimentos de filtración en gel encontraron que el complejo existe tanto en forma αβ como α2β2. [9] Los experimentos in vitro que utilizan espectrometría de masas revelaron además que las subunidades α y β se ensamblan primero para formar el dímero αβ. Posteriormente, los dímeros pueden interactuar para formar un tetrámero. [10]

Mecanismo

El centro metálico está ubicado en la cavidad central en la interfaz entre dos subunidades. Todos los ligandos de proteínas al átomo de metal son proporcionados por la subunidad α. Los ligandos proteicos del hierro son las cadenas laterales de los tres residuos de cisteína (Cys) y dos nitrógenos amida de la cadena principal. El ion metálico está coordinado octaédricamente, con los ligandos proteicos en los cinco vértices de un octaedro. La sexta posición, accesible a la hendidura del sitio activo, está ocupada por NO o por un ligando intercambiable con disolvente (hidróxido o agua). Los dos residuos Cys coordinados con el metal se modifican postraduccionalmente a ácidos cissulfínico ( Cys-SO 2 H) y sulfénico (Cys-SOH).

Los estudios de química cuántica predijeron que el residuo Cys-SOH podría desempeñar un papel como base (activando una molécula de agua nucleófila) [11] o como nucleófilo. [12] Posteriormente, el papel funcional del centro SOH como nucleófilo ha obtenido apoyo experimental. [13]

Referencias

  1. ^ Karunagala Pathiranage, Wasantha Lankathilaka; Gumataotao, Natalie; Fiedler, Adam T.; Holz, Richard C.; Bennett, Brian (2021). "Identificación de una especie intermedia a lo largo de la vía de reacción de la nitrilo hidratasa mediante espectroscopia EPR". Bioquímica . 60 (49): 3771–3782. doi : 10.1021/acs.biochem.1c00574. PMC  8721871 . PMID  34843221.
  2. ^ Foerstner KU, Doerks T, Muller J, Raes J, Bork P (2008). Hannenhalli S (ed.). "Una nitrilo hidratasa en el eucariota Monosiga brevicollis". MÁS UNO . 3 (12): e3976. Código Bib : 2008PLoSO...3.3976F. doi : 10.1371/journal.pone.0003976 . PMC 2603476 . PMID  19096720. 
  3. ^ Marrón AO, Akam M, Walker G (2012). Stiller J (ed.). "Los genes de nitrilo hidratasa están presentes en múltiples supergrupos eucariotas". MÁS UNO . 7 (4): e32867. Código Bib : 2012PLoSO...732867M. doi : 10.1371/journal.pone.0032867 . PMC 3323583 . PMID  22505998.  
  4. ^ ab Schmidberger, JW; Hepworth, LJ; Verde, AP; Flitsch, SL (2015). "Síntesis enzimática de amidas". En Faber, Kurt; Fessner, Wolf-Dieter; Turner, Nicholas J. (eds.). Biocatálisis en Síntesis Orgánica 1 . Ciencia de la síntesis. Editorial Georg Thieme . págs. 329–372. ISBN 9783131766113.
  5. ^ ab Asano, Y. (2015). "Hidrólisis de nitrilos a amidas". En Faber, Kurt; Fessner, Wolf-Dieter; Turner, Nicholas J. (eds.). Biocatálisis en Síntesis Orgánica 1 . Ciencia de la síntesis. Editorial Georg Thieme . págs. 255–276. ISBN 9783131766113.
  6. ^ Nagasawa, Toru; Mathew, Caluwadewa Deepal; Mauger, Jacques; Yamada, Hideaki (1988). "Producción de nicotinamida catalizada por nitrilo hidratasa a partir de 3-cianopiridina en Rhodococcus rhodochrous J1". Aplica. Reinar. Microbiol. 54 (7): 1766-1769. Código bibliográfico : 1988ApEnM..54.1766N. doi :10.1128/AEM.54.7.1766-1769.1988. PMC 202743 . PMID  16347686.  
  7. ^ Hilterhaus, L.; Liese, A. (2007). "Bloques de construcción". En Ulber, Roldán; Vender, Dieter (eds.). Biotecnología Blanca . Avances en Ingeniería Bioquímica/Biotecnología. vol. 105. Medios científicos y comerciales de Springer . págs. 133-173. doi :10.1007/10_033. ISBN 9783540456957. PMID  17408083. {{cite book}}: |journal=ignorado ( ayuda )
  8. ^ Nagashima S, Nakasako M, Dohmae N, et al. (mayo de 1998). "Nuevo centro de hierro no hemo de nitrilo hidratasa con una configuración de garra de átomos de oxígeno". Nat. Estructura. Biol . 5 (5): 347–51. doi :10.1038/nsb0598-347. PMID  9586994. S2CID  20435546.
  9. ^ Payne, MS; Wu, S; Fallón, RD; Tudor, G; Stieglitz, B; Turner, IM; Nelson, MJ (mayo de 1997). "Una nitrilo hidratasa estereoselectiva que contiene cobalto". Bioquímica . 36 (18): 5447–54. doi :10.1021/bi962794t. PMID  9154927.
  10. ^ Marsh JA, Hernández H, Hall Z, Ahnert SE, Perica T, Robinson CV, Teichmann SA (abril de 2013). "Los complejos de proteínas están bajo selección evolutiva para ensamblarse mediante vías ordenadas". Celúla . 153 (2): 461–470. doi :10.1016/j.cell.2013.02.044. PMC 4009401 . PMID  23582331. 
  11. ^ Hopmann, KH; Guo JD, Himo F (2007). "Investigación teórica del mecanismo de primera capa de la nitrilo hidratasa". Inorg. química . 46 (12): 4850–4856. doi :10.1021/ic061894c. PMID  17497847.
  12. ^ Hopmann, KH; Himo F (marzo de 2008). "Investigación teórica del mecanismo de segunda capa de la nitrilo hidratasa". Revista europea de química inorgánica . 2008 (9): 1406-1412. doi :10.1002/ejic.200701137.
  13. ^ Salette, M; Wu R, Sanishvili R, Liu D, Holz RC (2014). "El ligando de ácido sulfénico del sitio activo en las nitrilo hidratasas puede funcionar como un nucleófilo". Revista de la Sociedad Química Estadounidense . 136 (4): 1186-1189. doi :10.1021/ja410462j. PMC 3968781 . PMID  24383915. {{cite journal}}: Mantenimiento CS1: varios nombres: lista de autores ( enlace )

Lectura adicional