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Monóxido de carbono deshidrogenasa

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

CO + H 2 O + A CO 2 + AH 2

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

Los tres 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 observan una variedad de donantes/receptores de electrones (que se muestran como "A" y "AH 2 " en la ecuación de reacción anterior). Se han propuesto varios ejemplos de cofactores de transferencia de electrones, incluidos ferredoxina , NADP+/NADPH y complejos de flavoproteínas como el dinucleótido de flavina adenina (FAD), así como hidrogenasas . [1] [2] [3] [4] Los CODH apoyan el metabolismo de diversos procariotas, incluidos los metanógenos , los carboxidotrofos aeróbicos, los acetógenos , los reductores de sulfato y las bacterias hidrogenógenas. La reacción bidireccional catalizada por CODH desempeña un papel en el ciclo del carbono , permitiendo a los organismos utilizar CO como fuente de energía y utilizar CO 2 como fuente de carbono. La CODH puede formar una enzima monofuncional, como es el caso de Rhodospirillum rubrum , o puede formar un grupo con la acetil-CoA sintasa como se ha demostrado en M. thermoacetica . Cuando actúan en conjunto, ya sea como enzimas estructuralmente independientes o en una unidad CODH/ACS bifuncional, los dos sitios catalíticos son clave para la fijación de carbono en la vía reductora de acetil-CoA . Los organismos microbianos (tanto aeróbicos como anaeróbicos ) codifican y sintetizan CODH con el fin de fijar carbono (oxidación de CO y reducción de CO 2 ). Dependiendo de las proteínas accesorias adjuntas (grupos A, B, C, D), cumplen una variedad de funciones catalíticas, incluida la reducción de grupos [4Fe-4S] y la inserción de níquel. [5]

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

Diversidad

La CODH es un grupo bastante diverso de enzimas que contiene dos tipos de CODH no relacionados. En algunas bacterias carboxidotróficas aeróbicas se encuentran flavoenzimas de cobre y molibdeno. Las bacterias anaeróbicas utilizan CODH a base de níquel-hierro. [6] [7] [8] Ambas clases de CODH catalizan la conversión de monóxido de carbono (CO) en dióxido de carbono (CO 2 ). Sólo la CODH que contiene Ni es capaz de catalizar también la reacción inversa. Los CODH existen tanto en forma monofuncional como bifuncional. Un ejemplo del último caso, las Ni,Fe-CODH forman un grupo bifuncional con la acetil-CoA sintasa , como se ha caracterizado bien en las bacterias anaeróbicas Moorella thermoacetica , [9] [10] Clostridium autoethanogenum [11] y Carboxydothermus hidrogenoformans [12]. ] . Mientras que las subunidades ACS del complejo de C. autoethanogenum muestran una disposición bastante extendida [11], las del complejo M. thermoacetica y C. hidrogenoformans están más cerca de las subunidades CODH formando una estrecha red de túneles que conecta el grupo C y el grupo A. [13 ] [12]

Ni,Fe-CODH

El níquel que contiene CODH (Ni,Fe-CODH) se puede dividir 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) El grupo A Ni-[4Fe-4S]. (2) El grupo C Ni-[3Fe- 4S]. (3) Grupo B [4Fe-4S]. (4) Grupo D [4Fe-4S].

Ni,Fe-CODH

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

Monofuncional

Los CODH monofuncionales mejor estudiados son los de Desulfovibrio vulgaris , [15] Rhodospirillum rubrum [16] [17] y Carboxydothermus hidrogenoformans. [18] [19] [7] Son homodímeros de alrededor de 130 kDa que comparten un grupo central [4Fe4S] en la superficie de la proteína: grupo D. Los electrones probablemente se transfieren a otro grupo [4Fe4S] (grupo B) ubicó 10 A dentro de la proteína y desde allí al sitio activo: el grupo C, que es un grupo [Ni4Fe4S]. [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 hidrogenoformans [12] . Las dos subunidades CODH forman el núcleo central de la enzima al que está unida una subunidad ACS a cada lado. Cada unidad α contiene un único grupo de metales. Juntas, las dos unidades β contienen cinco grupos de tres tipos. La actividad catalítica de CODH ocurre en los grupos C de Ni-[3Fe-4S], mientras que los grupos interiores [4Fe-4S] B y D transfieren electrones desde el grupo C a portadores de electrones externos como la ferredoxina . La actividad ACS ocurre en el grupo A ubicado en las dos unidades α exteriores. [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. hidrogenoformans son bastante estrechos. [9] [11] [12] Para la enzima Moorella , la tasa de actividad de la acetil-CoA sintasa del 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 etiquetado isotópico muestran que el monóxido de carbono derivado del grupo C se utiliza preferentemente en el grupo A sobre el CO sin marcar en solución. [20] La ingeniería de proteínas de CODH/ACS en M.thermoacetica reveló que los residuos mutantes, para bloquear funcionalmente el túnel, detenían la síntesis de acetil-CoA cuando solo estaba presente CO 2 . [21] El descubrimiento de un túnel de CO funcional coloca a la CODH en una lista cada vez mayor de enzimas que desarrollaron de forma independiente esta estrategia para transferir intermediarios reactivos de un sitio activo a otro. [22]

Mecanismos de reacción

Ni,Fe-CODH

El sitio catalítico de CODH, denominado grupo C, es un grupo [3Fe-4S] unido a un resto Ni-Fe. Dos aminoácidos básicos (Lys587 y His 113 en M.thermoacetica ) residen cerca del grupo 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) afinan la unión y conversión de CO. [24] Basado en espectros IR que sugieren la presencia de un complejo Ni-CO, el primer paso propuesto en el La catálisis oxidativa de CO a CO 2 implica la unión de CO a Ni 2+ y la correspondiente complejación de Fe 2+ a una molécula de agua. [25]

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

Los electrones en el grupo C reducido se transfieren a los grupos B y D [4Fe-4S] cercanos, devolviendo el grupo C Ni-[3Fe-4S] a un estado oxidado y reduciendo el portador de electrones único ferredoxina . [27] [28]

Dado el papel de la CODH en la fijación de CO 2 , el mecanismo reductor a veces se infiere como el "inverso directo" del mecanismo oxidativo mediante el "principio de microreversibilidad". [29]

Relevancia ambiental

La monóxido de carbono deshidrogenasa regula los niveles atmosféricos de CO y CO 2 . Los microorganismos anaeróbicos como los acetógenos siguen la vía de Wood-Ljungdahl , dependiendo de la CODH para producir CO mediante la reducción del CO 2 necesario para la síntesis de acetil-CoA a partir de un metilo, coenzima a (CoA) y proteína corrinoide de hierro-azufre . [29] Otros tipos muestran que CODH se utiliza para generar una fuerza motriz de protones con el fin de generar energía. CODH se utiliza para la oxidación del CO, produciendo dos protones que posteriormente se reducen para formar dihidrógeno (H 2 . [30]

Referencias

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