Нікель-вмісна супероксиддисмутаза (Ni-СОД) — металопротеїн що, як і інші супероксиддисмутази, захищає клітини від окисного пошкодження каталізуючи диспропорціонування цитотоксичного супероксидного радикалу (O2-) до перекису водню і молекулярного кисню. Супероксидний радикал є активною формою кисню, що уворюється у великих кількостях в процесі фотосинтезу і аеробного клітинного дихання. Рівняння реакції диспропорціонування супероксид-аніону показано нижче:
Нікель-вмісна супероксиддисмутаза | |
---|---|
![]() Структура гомогексамерої нікель-вмісної супероксиддисмутази в Streptomyces | |
Ідентифікатори | |
Символ | Sod_Ni |
Інші ідентифікатори | Pfam: |
Інша інформація |
Ni-СОД було вперше виділено в 1996 році з бактерій Streptomyces і здебільшого знайдені в прокаріотів. З тих пір вона спостерігалася в ціанобактерій і ряду інших водяних мікробів. Ni-СОД є гомогексамером, а це означає, що він має шість ідентичних субодиниць. Кожна субодиниця має один нікель-вмісний активний центр. Механізм диспропорціонування включає в себе цикл окислення-відновлення, де одне перенесення електрона каталізується Ni2+/Ni3+ окисно-відновною парою. Константа швидкості реакції Ni-СОД близька до тієї величини, яка притаманна дифузійним процесам.
Структура
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpODFMelZtTDA1cExWTlBSRjkzYVhSb1gwNXBZMnRsYkY5aGJtUmZRV04wYVhabFgxTnBkR1Z6WDBocFoyaHNhV2RvZEdWa0xuQnVaeTh5TWpCd2VDMU9hUzFUVDBSZmQybDBhRjlPYVdOclpXeGZZVzVrWDBGamRHbDJaVjlUYVhSbGMxOUlhV2RvYkdsbmFIUmxaQzV3Ym1jPS5wbmc=.png)
Ni-СОД є глобулярним білком і має форму порожнистої сфери. Це гомогексамер, а це означає, що він має шість ідентичних субодиниць. Кожна субодиниця являє собою структуру з чотирьох правих альфа-спіралей і має молекулярну масу 13,4 кДа (117 амінокислотних залишків).. Шість іонів нікелю є кофакторами (по одному для кожної із субодиниць). Субодиниці також мають гідрофобний кор, що потрібний для їх правильного згортання. Кор складається з 17 аліфатичних амінокислотних залишків.
Нікель-зв'язуючий гак
Цікаво відзначити, що всі амінокислотні залишки, що залучені до каталізу та зв'язування іона нікелю розташовані в межах перших шести залишків від N-кінця кожної субодиниці. Цей регіон має вигнуту і невпорядковану форму за відсутності іона нікелю, тому його називають "нікель-зв'язуючий гак". Після зв'язуння нікелю цей мотив набуває дуже впорядковану структуру і утворює активний центр. Нікель-зв'язуючий гак складається з консервативної послідовності H2N-His-Cys-X-X-Pro-Cys-Gly-X-Tyr (де Х може бути будь-яким амінокислотним залишком, тобто положення не зберігається). Проліновий залишок в положенні 5 створює різкий поворот, надаючи цьому регіону форму гака. His-1, Cys-2, Cys-6 і N-кінець фіксують нікелевий кофактор. Після зв'язування іона нікелю, формується впорядкована структура нікель-зв'язуючий гак, що стабілізується за рахунок утворення водневих зв'язків з амінокислотними залишками на стику двох різних субодиниць.
Активний центр
![image](https://www.wikidata.uk-ua.nina.az/image/aHR0cHM6Ly93d3cud2lraWRhdGEudWstdWEubmluYS5hei9pbWFnZS9hSFIwY0hNNkx5OTFjR3h2WVdRdWQybHJhVzFsWkdsaExtOXlaeTkzYVd0cGNHVmthV0V2WTI5dGJXOXVjeTkwYUhWdFlpODVMemt3TDA1cFUwOUVYMkZqZEdsMlpWOXphWFJsTG5CdVp5OHlNakJ3ZUMxT2FWTlBSRjloWTNScGRtVmZjMmwwWlM1d2JtYz0ucG5n.png)
Шість активних центрів розташовані в нікель-зв'язуючому гаку кожної субодиниці . Активний центр, як і решта нікель-зв'язуючого гаку, невпорядкована в нікель-незв'язаному стані.
Ліганди
Ni-СОД володіє унікальним набором лігандів, це єдина супероксиддисмутаза, що має інші ліганди, окрім гістидину, аспартату або води. Амінокислотні залишки, які утворюють нікелеві кофактори-ліганди є цистеїн-2, цистеїн-6 та гістидин-1. Екваторіальні ліганди включають тіолати цистеїну-2 і цистеїну-6, а також депротонований каркасні атоми нітрогену аміду та N-кінцевого аміну. Це один з небагатьох прикладів каркасної амідної групи, що діє як метал-ліганд в білку. Нітроген з гістидину 1 діє як аксіальний ліганд.
Тіолати-ліганди є ключовими, вони регулюють окисно-відновний потенціал нікелевого кофактора при диспропорціонуванні супероксиду. Проте, сірко-нікелеві зв'язки повинні бути дуже чутливими до окисного пошкодження. Зважаючи на те, що Ni-СОД здійснює диспропорціонування активних форм кисню, а продуктом реакції є перекис водню, то цистеїн як ліганд здається поганим вибором. Цілком можливо, що каркасний амідний і амінокінцевий ліганди використовуються для захисту сірко-нікелевих зв'язків від окисного пошкодження. Іншим можливим поясненням цього є те, що сірко-нікелеві зв'язки просто ніколи не вступають в безпосередній контакт з O2- або перекисом водню.
Координаційна геометрія нікелевого кофактора
В окисленого ферменту координаційна геометрія нікелю (III) характеризується пірамідальним розташуванням донорних атомів. Проте, чи є атом нітрогену з гістидину 1 аксіальним лігандом досі невідомо. Якщо гістидин не є лігандом у відновленому ферменті, то кофактор нікель (II) матиме планарне розташування донорних атомів. Однак, His-1 може залишатися на місці протягом усього окисно-відновного циклу, а це означає, що нікелевий кофактор завжди буде мати пірамідальне з квадратом в основі розташування донорних атомів. His-1 утримується на місці над нікелевим кофактором в щільній мережі водневих зв'язків із залишками глутамату та аргініну.
Механізм реакції
Механізм реакції, що каталізують нікель-вмісні супероксиддисмутази є аналогом високоефективного механізму "пінг-понг" мідно-цинкової супероксиддисмутази, де O2- послідовно відновлює і окисляє нікелевий кофактор. Є дві окремі стадії переносу електрона, які каталізує нікелевий кофактор. Рівняння реакції цих стадій показано нижче:
Є кілька аспектів механізму диспропорціонування, що до сих пір незрозумілі. Наприклад, джерело H+ та механізм переносу як і раніше туманні. H+, швидше за все, надається в активному центрі субстратом, а це означає, що супероксид входить у фермент в його протонованій формі (HO2). Диспропорціонування, швидше за все, каталізується у другій координаційній сфері, але механізм перенесення електронів до сих пір обговорюється. Цілком можливо, що має місце тунельний ефект. Нікель-вмісна супероксиддисмутаза є неймовірно ефективним ферментом, що вказує дуже швидкий окисно-відновний механізм. Це означає, що великі структурні перебудови або драматичні зміни в координаційній сфері навряд чи будуть брати участь в каталітичному механізмі.
Поширеність
Нікель-вмісна супероксиддисмутаза в основному присутня в бактерій. Серед еукаріот нікель-вмісна супероксиддисмутаза знайдена лише в цитоплазмі ряду зелених водоростей. Ni-СОД був вперше виділений з бактерій Streptomyces, які переважно знаходяться в ґрунті. Нікель-вмісна супероксиддисмутаза Streptomyces є найбільш інтенсивно вивченою супероксиддисмутазою на сьогоднішній день. Ці ферменти, як в даний час відомо, існують в ряді інших прокаріотів, в тому числі ціанобактеріях і кількох видах актиноміцетів. Деякі з видів актиноміцетів, також містять нікель-вмісну супероксиддисмутазу Micromonospora rosia, Microtetraspora glauca та Kitasatospora griseola . Ni-СОД не було знайдено в археїв .
Регуляція
Нікель є основним регулюючим фактором експресії Ni-СОД. Підвищена концентрація нікелю в цитозолі збільшує експресію гену sodN, який кодує Ni-СОД в Streptomyces. При відсутності нікелю sodN не транскрибується, вказуючи на позитивну регуляцію експресію Ni-СОД нікелем. Згортання ферменту також залежить від присутності нікелю в цитоплазмі. Як уже згадувалося вище, нікель-зв'язуючий гак невпорядкований за відсутності нвкелю.
Нікель також діє як негативний регултор, пригнічуючи транскрипцію інших супероксиддисмутаз. Зокрема, експресія залізо-вмісної супероксиддисмутази (Fe-СОД) пригнічується нікелем в Streptomyces coelicolor. Прикладом квінтесенцієї такого негативного регулювання є Nur (нікель-зв'язуючий репресор). За присутності нікелю Nur зв'язується з промотором sodF, зупиняючи експресію залізо-вмісної супероксиддисмутази.
Посилання
- Wuerges J, Lee JW, Yim YI, Yim HS, Kang SO, Djinovic Carugo K. Crystal structure of nickel-containing superoxide dismutase reveals another type of active site. Proc. Natl Acad. Sci. USA 2004;101:8569-8574.
- Shearer, Jason (2014). Insight into the Structure and Mechanism of Nickel-Containing Superoxide Dismutase Derived from Peptide-Based Mimics. Accounts of Chemical Research. 47: 2332—2341. doi:10.1021/ar500060s.
- Pelmenschikov, Vladimir (2006). Nickel Superoxide Dismutase Reaction Mechanism Studied by Hybrid Density Functional Methods. J. Am. Chem. Soc. 128 (23): 7466—7475. doi:10.1021/ja053665f. PMID 16756300.
- Zamble, Deborah B.; Li, Yanjie (2009). Nickel Homeostasis and Nickel Regulation: an Overview. Chemical Reviews. 109 (10): 4617—4643. doi:10.1021/cr900010n.
- Barondeau, David P. (2004). Nickel Superoxide Dismutase Structure and Mechanism. Biochemistry. 42 (25): 8038—8047. doi:10.1021/bi0496081. PMID 15209499.
- Abreu, Isabel, A.; Cabelli, Diane, E. (2009). Superoxide dismutateses-a review of the metal associated mechanistic variations. Biochimica et Biophysica Acta. 1804 (2): 272. doi:10.1016/j.bbapap.2009.11.005.
- Neupane, Kosh P.; Gearty, Kristie; Ashish, Francis; Shearer, Jason (2007). Probing Variable Axial Ligation in Nickel Superoxide Dismutase Utilizing Metallopeptide-Based Models: Insight into the Superoxide Disproportionation Mechanism. J. Am. Chem. Soc. 129 (47): 14605—14618. doi:10.1021/ja0731625. PMID 17985883.
- Sheng, Yuewei (2014). Superoxide Dismutases and Superoxide Reductases. Chemical Reviews. 114: 3854—3918. doi:10.1021/cr4005296.
- Mulrooney, Scott B.; Hausinger, Robert P. (2003). Nickel uptake and utilization by microorganisms. FEMS Microbiology Reviews. 27: 239—261. doi:10.1016/S0168-6445(03)00042-1.
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Nikel vmisna superoksiddismutaza Ni SOD metaloproteyin sho yak i inshi superoksiddismutazi zahishaye klitini vid okisnogo poshkodzhennya katalizuyuchi disproporcionuvannya citotoksichnogo superoksidnogo radikalu O2 do perekisu vodnyu i molekulyarnogo kisnyu Superoksidnij radikal ye aktivnoyu formoyu kisnyu sho uvoryuyetsya u velikih kilkostyah v procesi fotosintezu i aerobnogo klitinnogo dihannya Rivnyannya reakciyi disproporcionuvannya superoksid anionu pokazano nizhche Nikel vmisna superoksiddismutazaStruktura gomogeksameroyi nikel vmisnoyi superoksiddismutazi v StreptomycesIdentifikatoriSimvolSod NiInshi identifikatoriPfam PF09055 Insha informaciya 2 O 2 2 H N i c k e l S u p e r o x i d e D i s m u t a s e H 2 O 2 O 2 displaystyle rm 2O 2 2H xrightarrow Nickel Superoxide Dismutase H 2 O 2 O 2 Ni SOD bulo vpershe vidileno v 1996 roci z bakterij Streptomyces i zdebilshogo znajdeni v prokariotiv Z tih pir vona sposterigalasya v cianobakterij i ryadu inshih vodyanih mikrobiv Ni SOD ye gomogeksamerom a ce oznachaye sho vin maye shist identichnih subodinic Kozhna subodinicya maye odin nikel vmisnij aktivnij centr Mehanizm disproporcionuvannya vklyuchaye v sebe cikl okislennya vidnovlennya de odne perenesennya elektrona katalizuyetsya Ni2 Ni3 okisno vidnovnoyu paroyu Konstanta shvidkosti reakciyi Ni SOD blizka do tiyeyi velichini yaka pritamanna difuzijnim procesam StrukturaZmodelovana programoyu Swiss PDB Viewer trivimirna struktura Ni SOD z nikelevimi kofaktorami sho pokazani sinim kolorom ta nikel zv yazuyuchimi gakami yaki pokazani zelenim kolorom Shist aktivnih centriv rozmisheni v nikel zv yazuyuchih gakah Ni SOD ye globulyarnim bilkom i maye formu porozhnistoyi sferi Ce gomogeksamer a ce oznachaye sho vin maye shist identichnih subodinic Kozhna subodinicya yavlyaye soboyu strukturu z chotiroh pravih alfa spiralej i maye molekulyarnu masu 13 4 kDa 117 aminokislotnih zalishkiv Shist ioniv nikelyu ye kofaktorami po odnomu dlya kozhnoyi iz subodinic Subodinici takozh mayut gidrofobnij kor sho potribnij dlya yih pravilnogo zgortannya Kor skladayetsya z 17 alifatichnih aminokislotnih zalishkiv Nikel zv yazuyuchij gak Cikavo vidznachiti sho vsi aminokislotni zalishki sho zalucheni do katalizu ta zv yazuvannya iona nikelyu roztashovani v mezhah pershih shesti zalishkiv vid N kincya kozhnoyi subodinici Cej region maye vignutu i nevporyadkovanu formu za vidsutnosti iona nikelyu tomu jogo nazivayut nikel zv yazuyuchij gak Pislya zv yazunnya nikelyu cej motiv nabuvaye duzhe vporyadkovanu strukturu i utvoryuye aktivnij centr Nikel zv yazuyuchij gak skladayetsya z konservativnoyi poslidovnosti H2N His Cys X X Pro Cys Gly X Tyr de H mozhe buti bud yakim aminokislotnim zalishkom tobto polozhennya ne zberigayetsya Prolinovij zalishok v polozhenni 5 stvoryuye rizkij povorot nadayuchi comu regionu formu gaka His 1 Cys 2 Cys 6 i N kinec fiksuyut nikelevij kofaktor Pislya zv yazuvannya iona nikelyu formuyetsya vporyadkovana struktura nikel zv yazuyuchij gak sho stabilizuyetsya za rahunok utvorennya vodnevih zv yazkiv z aminokislotnimi zalishkami na stiku dvoh riznih subodinic Aktivnij centrAktivnij centr nikel vmisnoyi superoksiddismutazi Shist aktivnih centriv roztashovani v nikel zv yazuyuchomu gaku kozhnoyi subodinici Aktivnij centr yak i reshta nikel zv yazuyuchogo gaku nevporyadkovana v nikel nezv yazanomu stani Ligandi Ni SOD volodiye unikalnim naborom ligandiv ce yedina superoksiddismutaza sho maye inshi ligandi okrim gistidinu aspartatu abo vodi Aminokislotni zalishki yaki utvoryuyut nikelevi kofaktori ligandi ye cisteyin 2 cisteyin 6 ta gistidin 1 Ekvatorialni ligandi vklyuchayut tiolati cisteyinu 2 i cisteyinu 6 a takozh deprotonovanij karkasni atomi nitrogenu amidu ta N kincevogo aminu Ce odin z nebagatoh prikladiv karkasnoyi amidnoyi grupi sho diye yak metal ligand v bilku Nitrogen z gistidinu 1 diye yak aksialnij ligand Tiolati ligandi ye klyuchovimi voni regulyuyut okisno vidnovnij potencial nikelevogo kofaktora pri disproporcionuvanni superoksidu Prote sirko nikelevi zv yazki povinni buti duzhe chutlivimi do okisnogo poshkodzhennya Zvazhayuchi na te sho Ni SOD zdijsnyuye disproporcionuvannya aktivnih form kisnyu a produktom reakciyi ye perekis vodnyu to cisteyin yak ligand zdayetsya poganim viborom Cilkom mozhlivo sho karkasnij amidnij i aminokincevij ligandi vikoristovuyutsya dlya zahistu sirko nikelevih zv yazkiv vid okisnogo poshkodzhennya Inshim mozhlivim poyasnennyam cogo ye te sho sirko nikelevi zv yazki prosto nikoli ne vstupayut v bezposerednij kontakt z O2 abo perekisom vodnyu Koordinacijna geometriya nikelevogo kofaktora V okislenogo fermentu koordinacijna geometriya nikelyu III harakterizuyetsya piramidalnim roztashuvannyam donornih atomiv Prote chi ye atom nitrogenu z gistidinu 1 aksialnim ligandom dosi nevidomo Yaksho gistidin ne ye ligandom u vidnovlenomu fermenti to kofaktor nikel II matime planarne roztashuvannya donornih atomiv Odnak His 1 mozhe zalishatisya na misci protyagom usogo okisno vidnovnogo ciklu a ce oznachaye sho nikelevij kofaktor zavzhdi bude mati piramidalne z kvadratom v osnovi roztashuvannya donornih atomiv His 1 utrimuyetsya na misci nad nikelevim kofaktorom v shilnij merezhi vodnevih zv yazkiv iz zalishkami glutamatu ta argininu Mehanizm reakciyiMehanizm reakciyi sho katalizuyut nikel vmisni superoksiddismutazi ye analogom visokoefektivnogo mehanizmu ping pong midno cinkovoyi superoksiddismutazi de O2 poslidovno vidnovlyuye i okislyaye nikelevij kofaktor Ye dvi okremi stadiyi perenosu elektrona yaki katalizuye nikelevij kofaktor Rivnyannya reakciyi cih stadij pokazano nizhche 2 O 2 N i I I I S O D N i I I S O D O 2 displaystyle rm 2O 2 Ni III SOD xrightarrow Ni II SOD O 2 2 O 2 2 H N i I I S O D H 2 O 2 N i I I I S O D displaystyle rm 2O 2 2H Ni II SOD xrightarrow H 2 O 2 Ni III SOD Ye kilka aspektiv mehanizmu disproporcionuvannya sho do sih pir nezrozumili Napriklad dzherelo H ta mehanizm perenosu yak i ranishe tumanni H shvidshe za vse nadayetsya v aktivnomu centri substratom a ce oznachaye sho superoksid vhodit u ferment v jogo protonovanij formi HO2 Disproporcionuvannya shvidshe za vse katalizuyetsya u drugij koordinacijnij sferi ale mehanizm perenesennya elektroniv do sih pir obgovoryuyetsya Cilkom mozhlivo sho maye misce tunelnij efekt Nikel vmisna superoksiddismutaza ye nejmovirno efektivnim fermentom sho vkazuye duzhe shvidkij okisno vidnovnij mehanizm Ce oznachaye sho veliki strukturni perebudovi abo dramatichni zmini v koordinacijnij sferi navryad chi budut brati uchast v katalitichnomu mehanizmi PoshirenistNikel vmisna superoksiddismutaza v osnovnomu prisutnya v bakterij Sered eukariot nikel vmisna superoksiddismutaza znajdena lishe v citoplazmi ryadu zelenih vodorostej Ni SOD buv vpershe vidilenij z bakterij Streptomyces yaki perevazhno znahodyatsya v grunti Nikel vmisna superoksiddismutaza Streptomyces ye najbilsh intensivno vivchenoyu superoksiddismutazoyu na sogodnishnij den Ci fermenti yak v danij chas vidomo isnuyut v ryadi inshih prokariotiv v tomu chisli cianobakteriyah i kilkoh vidah aktinomicetiv Deyaki z vidiv aktinomicetiv takozh mistyat nikel vmisnu superoksiddismutazu Micromonospora rosia Microtetraspora glauca ta Kitasatospora griseola Ni SOD ne bulo znajdeno v arheyiv RegulyaciyaNikel ye osnovnim regulyuyuchim faktorom ekspresiyi Ni SOD Pidvishena koncentraciya nikelyu v citozoli zbilshuye ekspresiyu genu sodN yakij koduye Ni SOD v Streptomyces Pri vidsutnosti nikelyu sodN ne transkribuyetsya vkazuyuchi na pozitivnu regulyaciyu ekspresiyu Ni SOD nikelem Zgortannya fermentu takozh zalezhit vid prisutnosti nikelyu v citoplazmi Yak uzhe zgaduvalosya vishe nikel zv yazuyuchij gak nevporyadkovanij za vidsutnosti nvkelyu Nikel takozh diye yak negativnij regultor prignichuyuchi transkripciyu inshih superoksiddismutaz Zokrema ekspresiya zalizo vmisnoyi superoksiddismutazi Fe SOD prignichuyetsya nikelem v Streptomyces coelicolor Prikladom kvintesenciyeyi takogo negativnogo regulyuvannya ye Nur nikel zv yazuyuchij represor Za prisutnosti nikelyu Nur zv yazuyetsya z promotorom sodF zupinyayuchi ekspresiyu zalizo vmisnoyi superoksiddismutazi PosilannyaWuerges J Lee JW Yim YI Yim HS Kang SO Djinovic Carugo K Crystal structure of nickel containing superoxide dismutase reveals another type of active site Proc Natl Acad Sci USA 2004 101 8569 8574 Shearer Jason 2014 Insight into the Structure and Mechanism of Nickel Containing Superoxide Dismutase Derived from Peptide Based Mimics Accounts of Chemical Research 47 2332 2341 doi 10 1021 ar500060s Pelmenschikov Vladimir 2006 Nickel Superoxide Dismutase Reaction Mechanism Studied by Hybrid Density Functional Methods J Am Chem Soc 128 23 7466 7475 doi 10 1021 ja053665f PMID 16756300 Zamble Deborah B Li Yanjie 2009 Nickel Homeostasis and Nickel Regulation an Overview Chemical Reviews 109 10 4617 4643 doi 10 1021 cr900010n Barondeau David P 2004 Nickel Superoxide Dismutase Structure and Mechanism Biochemistry 42 25 8038 8047 doi 10 1021 bi0496081 PMID 15209499 Abreu Isabel A Cabelli Diane E 2009 Superoxide dismutateses a review of the metal associated mechanistic variations Biochimica et Biophysica Acta 1804 2 272 doi 10 1016 j bbapap 2009 11 005 Neupane Kosh P Gearty Kristie Ashish Francis Shearer Jason 2007 Probing Variable Axial Ligation in Nickel Superoxide Dismutase Utilizing Metallopeptide Based Models Insight into the Superoxide Disproportionation Mechanism J Am Chem Soc 129 47 14605 14618 doi 10 1021 ja0731625 PMID 17985883 Sheng Yuewei 2014 Superoxide Dismutases and Superoxide Reductases Chemical Reviews 114 3854 3918 doi 10 1021 cr4005296 Mulrooney Scott B Hausinger Robert P 2003 Nickel uptake and utilization by microorganisms FEMS Microbiology Reviews 27 239 261 doi 10 1016 S0168 6445 03 00042 1