Механизм функционирования тиоцианатдегидрогеназ на основе структурных данных

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Тиоцианатдегидрогеназа — фермент, катализирующий преобразование иона тиоцианата в ион цианата c выделением двух электронов, двух протонов и нейтрального атома серы. Ранее были решены структуры тиоцианатдегидрогеназы из Thioalkalivibrio paradoxus. Хотя качество этих структур не безупречно (двойникование и сильная анизотропия кристаллов, неполная заселенность ионов меди, отсутствие данных о строении комплексов с аналогами субстрата), на их основе ранее был предложен механизм функционирования фермента. Недавно с атомным разрешением были решены структуры генно-инженерной копии родственного свободного фермента из Pelomicrobium methylotrophicum и его комплекса с тиомочевиной. В новых структурах ионы меди активного центра имеют полную заселенность. В этих структурах удается надежно установить две конформации молекулы белка с открытым и закрытым активными центрами. Новые структурные данные высокого разрешения позволили также выявить в активных центрах фермента в каждой из этих конформаций суперпозиции состояний ионов меди с различными степенями окисления с частичными заселенностями (и соответствующих лигандов). Заряды ионов меди в этих состояниях определялись по координации ионов. В молекуле белка с закрытым активным центром наблюдаются комплексы с ингибитором (ионом тиомочевины) и молекулярным кислородом. Комплекс с тиомочевиной позволяет моделировать связывание ферментом иона тиоцианата. Предложен механизм активации атакующего кислородного лиганда, учитывающий изменения структур открытой и закрытой конформаций. Обсуждается новая схема ферментативной реакции.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

К. М. Поляков

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Автор, ответственный за переписку.
Email: kmpolyakov@gmail.com
Россия, Москва

С. Гаврюшoв

Институт молекулярной биологии им. В.А. Энгельгардта Российской академии наук

Email: kmpolyakov@gmail.com
Россия, Москва

Список литературы

  1. Tikhonova T.V., Sorokin D.Y., Hagen W.R., Khrenova M.G., Muyzer G., Rakitina T.V., Shabalin I.G., Trofimov A.A., Tsallagov S.I., Popov V.O. (2020) Trinuclear copper biocatalytic center forms an active site of thiocyanate dehydrogenase. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 117, 5280‒5290. https://doi.org/10.1073/pnas.1922133117
  2. Varfolomeeva L.A., Polyakov K.M., Komolov A.S., Rakitina T.V., Dergousova N.I., Dorovatovskii P.V., Boyko K.M., Tikhonova T.V., Popov V.O. (2023) Improvement of the diffraction properties of thiocyanate dehydrogenase crystals. Crystallography Repts. 68, 886−891. https://doi.org/10.1134/s1063774523600990
  3. Haltia T., Brown K., Tegoni M., Cambillau C., Saraste M., Mattila K., Djinovic-Carugo K. (2003) Crystal structure of nitrous oxide reductase from Paracoccus denitrificans at 1.6 Å resolution. Biochem. J. 369, 77−88. https://doi.org/10.1042/BJ20020782
  4. Krissinel E., Henrick K. (2007) Inference of macromolecular assemblies from crystalline state. J. Mol. Biol. 372, 774−797. https://doi.org/10.1016/j.jmb.2007.05.022
  5. Solomon E.I., Heppner D.E., Johnston E.M., Ginsbach J.W., Cirera J., Qayyum M., Kieber-Emmons M.T., Kjaergaard C.H., Hadt R.G., Tian L. (2014) Copper active sites in biology. Chem. Rev. 114, 3659−3853. https://doi.org/10.1021/cr400327t
  6. Rubino J.T., Frank K.J. (2012) Coordination chemistry of copper proteins: how nature handles a toxic cargo for essential function. J. Inorg. Biochem. 107, 129‒143. https://doi.org/10.1016/j.jinorgbio.2011.11.024
  7. Cotton F.A., Wilkinson G. (1980) Advanced Inorganic Chemistry, 4th ed. New York: John Wiley and Sons, 798–821.
  8. Balamurugan R., Palaniandavar M., Gopalan R.S. (2001) Trigonal planar copper(I) complex: synthesis, structure, and spectra of a redox pair of novel copper(II/I) complexes of tridentate bis(benzimidazol-2’-vl) ligand framework as models for electron-transfer copper proteins. Inorg. Chem. 40, 2246–2255. https://doi.org/10.1021/ic0003372
  9. Reinen D., Friebel C. (1984) Copper(2+) in 5-coordination: a case of a second-order Jahn-Teller effect. 2. Pentachlorocuprate(3-) and other CuIIL5 complexes: trigonal bipyramid or square pyramid? Inorg. Chem. 23, 791–798. https://doi.org/10.1021/ic00175a001
  10. Wansapura C.M., Juyong C., Simpson J.L., Szymanski D., Eaton G.R., Eaton S.S., Fox S. (2003) From planar toward tetrahedral copper(Il) complexes: structural and electron paramagnetic resonance studies of substituent steric effects in an extended class of pyrrolate-imine ligands. J. Coord. Chem. 56, 975–993. https://doi.org/10.1080/00958970310001607752
  11. Hatfield W.E. (1997) Handbook of Copper Compounds and Applications. Ed. Richardson H.W. New York: Marcel Dekker, 13–30.
  12. Raithby P.R., Shields G.P., Allen F.H., Motherwell W.D.S. (2000) Structure correlation study of four-coordinate copper(I) and (II) complexes. Acta Cryst. B56, 444–454. https://doi.org/10.1107/S0108768199016870
  13. Komori H., Sugiyama R., Kataoka K., Miyazaki K., Higuchi Y., Sakurai T. (2014) New insights into the catalytic active-site structure of multicopper oxidases. Acta Cryst. D70, 772–779. https://doi.org/10.1107/S1399004713033051
  14. Polyakov K.M., Gavryushov S., Ivanova S., Fedorova T.V., Glazunova O.A., Popov A.N., Koroleva O.V. (2017) Structural study of the X-ray-induced enzymatic reduction of molecular oxygen to water by Steccherinum murashkinskyi laccase: insights into the reaction mechanism. Acta Cryst. D73, 388–401. https://doi.org/10.1107/S2059798317003667
  15. Derewenda Z.S. (2010) Application of protein engineering to enhance crystallizability and improve crystal properties. Acta Cryst. D66, 604–615. doi: 10.1107/S090744491000644X.
  16. Vagin A., Teplyakov A. (1997) MOLREP: An automated program for molecular replacement. J. Appl. Сryst. 66, 22–25. https://doi.org/10.1107/S0021889897006766
  17. Murshudov G.N., Vagin A.A., Dodson E.J. (1997) Refinement of macromolecular structures by the maximum-likelihood method. Acta Cryst. D53, 240–255. https://doi.org/10.1107/S0907444996012255
  18. McNicholas S., Potterton E., Wilson K.S., Noble M.E.M. (2011) Presenting your structures: the CCP4mg molecular-graphics software. Acta Cryst. D67, 386–394. https://doi.org/10.1107/S0907444910045749

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Димер pmTcDH из структуры комплекса с тиомочевиной. Субъединицы в “закрытой” и “открытой” конформациях показаны в виде ленточной модели справа и слева соответственно. Ионы меди pmTcDH показаны сферами. Молекула тиомочевины представлена в виде шаростержневой модели.

Скачать (942KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Совмещение структур субъединиц pmTcDH в “закрытой” и “открытой” конформациях. Светлым тоном показан ход полипептидной цепи субъединицы в “закрытой” конформации. В темных тонах показаны петли субъединицы в “открытой” конформации, положение которых различается в субъединицах в “закрытой” и “открытой” конформациях. Сферами показаны положения ионов меди для субъединицы в “закрытой” конформации. Молекула тиомочевины показана в виде шаростержневой модели. Вид со стороны входа в активный центр.

Скачать (893KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Активный центр субъединицы комплекса pmTcDH с тиомочевиной в “закрытой” конформации. а — Модель комплекса и электронная плотность (2Fobs–Fcalc) для уровней 1σ и 5σ. Первое состояние (б) и второе состояние (в) активного центра субъединицы pmTcDH в “закрытой” конформации. Аминокислотные остатки активного центра и тиомочевина представлены в виде шаростержневой модели. Молекулы воды показаны малыми сферами. Ионы меди в степенях окисления II и I показаны большими сферами. “Атакующая” молекула воды обозначена W. Координационные связи и водородные связи с остатками H101 и K68 показаны пунктирными линиями.

Скачать (889KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Первое состояние (a) и второе состояние (б) активного центра субъединицы pmTcDH в “открытой” конформации структуры комплекса с тиомочевиной. Аминокислотные остатки активного центра представлены в виде шаростержневой модели. Молекулы воды показаны малыми сферами. Ионы меди в степенях окисления II и I показаны большими сферами. “Атакующая” молекула воды обозначена W. Координационные связи и водородные связи с молекулой воды W показаны пунктирными линиями.

Скачать (724KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Активный центр субъединицы свободного pmTcDH в “закрытой” конформации. Аминокислотные остатки активного центра и молекулы воды представлены в виде шаростержневой модели. Ионы меди в степенях окисления II и I показаны большими сферами. “Атакующая” молекула воды обозначена W. Координационные связи и водородные связи с остатками H101 и K68 показаны пунктирными линиями.

Скачать (469KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Совмещение активных центров структуры комплекса с тиомочевиной в “закрытой” и “открытой” конформациях. Светлым тоном показана структура в “открытой” конформации. Фрагмент структуры, соответствующий “закрытой” конформации, выделен темным тоном. Ионы меди в структурах в “открытой” и “закрытой” конформациях в степенях окисления II и I показаны большими сферами (темный и светлый тон соответственно). Молекула тиомочевины показана в виде шаростержневой модели. “Атакующая” молекула воды обозначена W. Водородные связи показаны пунктирными линиями. Вид со стороны входа в активный центр. Боковая цепь Pro256 в закрытой конформации блокирует доступ в активный центр фермента.

Скачать (414KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Предполагаемый механизм каталитического цикла pmTcDH в реакции NCS– + H2O → NCO– + S0 + 2H+ + + 2e–. Ключевые координационные связи показаны светлыми линиями. Ковалентные связи показаны черными линиями. Пунктирные линии обозначают водородные связи. Окисленные и восстановленные ионы меди показаны большими сферами. Малые короткие стрелки показывают смещение иона меди Cu2 при изменении степени окисления. Длинные стрелки показывают перенос электронов, а также перемещение молекул в активном центре. Открытые и закрытые коробки обозначают “открытую” и “закрытую” конформации молекулы hbTcDH соответственно.

Скачать (766KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025