Аконитаза

Аконитаза
Структура бычьей аконитазы (PDB 1AMI).
Идентификаторы
Шифр КФ	4.2.1.3
Номер CAS	9024-25-3
Базы ферментов
IntEnz	IntEnz view
BRENDA	BRENDA entry
ExPASy	NiceZyme view
MetaCyc	metabolic pathway
KEGG	KEGG entry
PRIAM	profile
PDB structures	RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum
Gene Ontology	AmiGO • EGO
Поиск
PMC	статьи
PubMed	статьи
NCBI	NCBI proteins
CAS	9024-25-3
Медиафайлы на Викискладе

Семейство аконитазы (аконитатгидратазы)
Структура аконитазы[1].
Идентификаторы
Символ	Аконитаза
Pfam	PF00330
InterPro	IPR001030
PROSITE	PDOC00423
SCOP	1aco
SUPERFAMILY	1aco
Доступные структуры белков
Pfam	структуры
PDB	RCSB PDB; PDBe; PDBj
PDBsum	3D-модель
Медиафайлы на Викискладе

Аконитаза, также аконитатгидратаза — фермент (КФ 4.2.1.3), из семейства гидратазы (класс лиазы), который катализирует стереоспецифическую реакцию изомеризации цитрата в изоцитрат, посредством образования цис-аконитата в цикле Кребса, без окислительно-восстановительного механизма[2][3][4].

Аконитаза встречается у всех эукариот и бактерий в цитозоле. Многоклеточные организмы имеют дополнительную митохондриальную форму (так называемая аконитаза-2).

У человека аконитаза-1 кодируется геном ACO1, который локализован на коротком плече (p-плече) 9-й хромосомы. Ген аконитазы-2 — ACO2, локализуется на длинном плече (q-плече) 22-й хромосомы.

Структура

Активация железосерного кластера аконитазы, четвёртым атомом железа. Конформация структуры кластера изменяется от тетраэдра до октаэдра.

Аконитаза состоит из четырёх доменов, три из которых тесно связаны друг с другом. Четвёртый домен, с тремя другими, образует карман, в котором происходит катализ. Каталитическая активность фермента зависит от специфической конформации, за которую отвечают железосерный кластер [4Fe-4S] и несколько аминокислотных остатков, которые позволяют протекать стереоспецифической реакции переноса молекулы воды с ахирального цитрата исключительно на изоцитрат.

Митохондриальная аконитаза, содержит остатки цистеина в позициях -385, -458 и -451, а также железосерный кластер [4Fe-4S], который имеет решающее значение для её каталитической активности. В неактивном состоянии в кластере отсутствует четвёртый атом железа, который слабо связан и первоначально имеет координационное число 4 (тетраэдрическая структура): три атома серы и один ион гидроксида (воды) в качестве связующего партнёра (см. Рисунок). В каталитической фазе координационное число атома железа увеличивается до 6 (октаэдрическая структура), а затем присоединяется дополнительный изоцитрат и другая молекула воды[5].

Выполняемые функции

В отличие от большинства железосернистых белков, которые функционируют в качестве электронных носителей, железосерный кластер аконитазы непосредственно взаимодействует с субстратом фермента. Аконитаза имеет активный кластер [Fe₄S₄]^2+, который может превращаться в неактивную форму [Fe₃S₄]^+. Было показано, что три остатка цистеина (Cys) являются лигандами центра [Fe₄S₄]. В активном состоянии лабильный ион железа кластера [Fe₄S₄] координируется не Cys, а молекулами воды.

Железосерный кластер очень чувствителен к воздействию супероксид анион-радикала (O₂^•-) и легко окисляется им[6].

Механизм катализа

Цитрат и железосерный кластер Fe-S в активном центре аконитазы: пунктирные жёлтые линии показывают взаимодействие между субстратом и близлежащими остатками[7].

Аконитаза использует механизм гидратации-дегидратации[8]. Каталитическими остатками являются His-101 и Ser-642[8]. Остаток His-101 протонирует гидроксильную группу на C3 атоме цитрата, этот процесс позволяет покинуть молекулу воды, и Ser-642 одновременно атакуют протон на C2, образуя двойную связь между C2 и C3, что приводит к образованию цис-аконитатного интермедиата. В этот момент образовавшийся интермедиат поворачивается на 180°, происходит так называемый «флип-переход»[8][9][10].

Как именно происходит процесс флип-перехода спорно. Одна из теорий заключается в том, что на лимитирующей стадии механизма цис-аконитат высвобождается из фермента, а затем повторно присоединяется в форме изоцитрата для завершения реакции[10]. Эта лимитирующая стадия обеспечивает образование в конечном продукте нужного стереоизомера, а именно (2R,3S)[10][11]. Другая гипотеза заключается в том, что цис-аконитат остаётся связанным с ферментом, когда происходит флип-переход молекулы цитрата в форму изоцитрата[10][11][8].

Механизм катализа.

В любом случае переворачивание цис-аконитата на 180° позволяет проводить стадии дегидратации и гидратации на противоположных сторонах интермедиата. Аконитаза катализирует транс-элиминирование/гидратацию, а флип-переход гарантирует правильное стереохимическое строение интермедиата. Чтобы завершить реакцию, остатки серина и гистидина изменяют свои изначальные каталитические функции: гистидин, являясь основанием, отщепляет протон из воды, тем самым он становится нуклеофилом для атаки на С2-атом, а протонированный серин депротонируется двойным цис-аконитом, завершая реакцию гидратации образованием молекулы изоцитрата[8].

Ингибирование катализа

Молекулы фторуксусной кислоты или фторацетата встраиваются в цикл Кребса, метаболизируются до фторцитрата, который оказывает сильное ингибирующее воздействие на аконитазу, тем самым происходит блокирование цикла Кребса.

Примечания

1. PDB 1ACO; Lauble, H; Kennedy, MC; Beinert, H; Stout, C.D. Crystal Structures of Aconitase with Trans-aconitate and Nitrocitrate Bound (англ.) // Journal of Molecular Biology^[англ.] : journal. — 1994. — Vol. 237, no. 4. — P. 437—451. — doi:10.1006/jmbi.1994.1246. — PMID 8151704.
2. Beinert H., Kennedy M.C. Aconitase, a two-faced protein: enzyme and iron regulatory factor (англ.) // The FASEB Journal^[англ.] : journal. — Federation of American Societies for Experimental Biology^[англ.], 1993. — December (vol. 7, no. 15). — P. 1442—1449. — PMID 8262329.
3. Flint, Dennis H.; Allen, Ronda M. Iron−Sulfur Proteins with Nonredox Functions (англ.) // Chemical Reviews^[англ.] : journal. — 1996. — Vol. 96, no. 7. — P. 2315—2334. — doi:10.1021/cr950041r.
4. Beinert H., Kennedy M.C., Stout C.D. Aconitase as Ironminus signSulfur Protein, Enzyme, and Iron-Regulatory Protein (англ.) // Chemical Reviews^[англ.] : journal. — 1996. — November (vol. 96, no. 7). — P. 2335—2374. — doi:10.1021/cr950040z. — PMID 11848830.
5. Robbins A.H., Stout C.D. Structure of activated aconitase: formation of the [4Fe-4S] cluster in the crystal (англ.) // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America : journal. — 1989. — May (vol. 86, no. 10). — P. 3639—3643. — PMID 2726740. — PMC 287193.
6. Gardner, Paul R. Aconitase: Sensitive target and measure of superoxide // Superoxide Dismutase. — 2002. — Vol. 349. — P. 9–23. — ISBN 978-0-12-182252-1. — doi:10.1016/S0076-6879(02)49317-2.
7. PDB 1C96; Lloyd SJ, Lauble H, Prasad GS, Stout CD (December 1999). "The mechanism of aconitase: 1.8 A resolution crystal structure of the S642a:citrate complex". Protein Sci. 8 (12): 2655–62. doi:10.1110/ps.8.12.2655. PMC 2144235. PMID 10631981.
8. Takusagawa F. Chapter 16: Citric Acid Cycle  (неопр.). Takusagawa’s Note. The University of Kansas. Дата обращения: 10 июля 2011. Архивировано 24 марта 2012 года.
9. Beinert H., Kennedy M.C., Stout C.D. Aconitase as Ironminus signSulfur Protein, Enzyme, and Iron-Regulatory Protein (англ.) // Chemical Reviews^[англ.] : journal. — 1996. — November (vol. 96, no. 7). — P. 2335—2374. — doi:10.1021/cr950040z. — PMID 11848830. Архивировано 11 августа 2011 года.
10. Lauble H., Stout C.D. Steric and conformational features of the aconitase mechanism (англ.) // Proteins : journal. — 1995. — May (vol. 22, no. 1). — P. 1—11. — doi:10.1002/prot.340220102. — PMID 7675781.
11. Aconitase family  (неопр.). The Prosthetic groups and Metal Ions in Protein Active Sites Database Version 2.0. The University of Leeds (2 февраля 1999). Дата обращения: 10 июля 2011. Архивировано 8 июня 2011 года.