Reductasa de N-óxido de trimetilamina
La N-óxido de trimetilamina reductasa (TOR o TMAO reductasa, EC 1.7.2.3) es una enzima microbiana que puede reducir el N-óxido de trimetilamina (TMAO) a trimetilamina (TMA), como parte de la cadena de transporte de electrones. La enzima ha sido purificada a partir de E. coli y de la bacteria fotosintética Roseobacter denitrificans.
El óxido de trimetilamina se encuentra en altas concentraciones en los tejidos de los peces, y la reducción bacteriana de este compuesto a trimetilamina maloliente es un proceso importante en el deterioro del pescado.
Clasificación
La TMAO reductasa tiene un número de comisión enzimática (EC) de 1.7.2.3. Los números EC son un sistema de nomenclatura de enzimas y cada parte de esta nomenclatura se refiere a una clasificación progresiva de la enzima con respecto a su reacción. El primer número define el tipo de reacción, el segundo número proporciona información sobre los compuestos involucrados, el tercer número especifica el tipo de reacción y el cuarto número completa el número de serie único para cada enzima.
La trimetilamina N-óxido reductasa tiene el número CE 1.7.2.3 y estos componentes hacen referencia a las siguientes clasificaciones enzimáticas:
- EC 1 enzimas son enzimas oxidoreductasa, donde se produce una reacción de reducción de oxidación, y el sustrato oxidado es o bien un donante de oxígeno o hidrógeno
- EC 1.7 enzimas actúan en otros compuestos nitrógenos como donantes
- EC 1.7.2 enzimas tienen un citocromo como aceptador
- EC 1.7.2.3 es la enzima TMAO reductasa, que reduce el TorC citocromo
Distribución de especies
El TMAO es un osmolito orgánico que tiene la útil función biológica de proteger las proteínas contra estreses desnaturalizantes como la alta concentración de urea. Varias bacterias crecen anaeróbicamente utilizando TMAO como una cadena de transporte de electrones alternativa, lo que permite el crecimiento en fuentes de carbono no fermentables como el glicerol. Las bacterias capaces de reducir TMAO a TMA se encuentran en tres nichos ecológicos diferentes. La reducción de TMAO, hasta la fecha, se ha observado en bacterias marinas, bacterias fotosintéticas que viven en estanques poco profundos y en enterobacterias.
Las TMAO reductasas se han estudiado en varios organismos y una característica conservada común es la presencia de un cofactor de molibdeno en todas las enzimas terminales conocidas.
En función de su especificidad de sustrato, estas enzimas se pueden dividir en dos grupos:
- TMAO reductas que tienen alta especificidad de sustrato
- DMSO/TMAO reductas que pueden reducir una amplia gama de sustratos N y S-óxido.
El primer grupo está formado por especies como Escherichia coli, Shewanella putrefaciens y Roseobacter denitrificans, mientras que el segundo grupo está formado por especies como Proteus vulgaris, Rhodobacter capsulatus y Rhodobacter sphaeroides.
El sistema respiratorio del TMAO ha sido ampliamente estudiado a nivel molecular en las especies de E. coli y Rhodobacter.
Mecanismo de reacción
En E. coli, la TMAO reductasa está codificada por el operón torCAD. El gen torC codifica un citocromo de tipo C pentahémico (TorC). Es probable que TorC transfiera electrones directamente a la enzima terminal periplásmica TorA codificada por el gen torA. La expresión anaeróbica del operón torCAD está estrictamente controlada por la presencia de TMAO o compuestos relacionados.
Existen varias vías metabólicas diferentes que involucran TMAO y TMA. La reducción de TMAO a TMA, catalizada por la TMAO reductasa, como parte de la cadena de transporte de electrones sigue la siguiente reacción:
NADH + H+ + trimethylamina N-oxide NAD+ + trimetilelamina + H2O Sin embargo, ambos R. denitrificans y E. coli enzimas pueden aceptar electrones de citocromos:
- trimetilelamina + 2 (ferrictocromo c)-subunidad + H2O → trimethylamine N-óxido + 2 (ferrocitocromo c)-subunidad + 2 H+
Otras reacciones que involucran TMAO y TMA incluyen:
- La oxidación de TMA a TMAO, que ocurre en algunos metilotrophs como un paso inicial en la utilización de TMA como fuente de carbono
- La demetilación de TMAO a dimetillamina y formaldehído por metilotrophs
- La desmetilación oxidativa de TMA a dimetillamina y formaldehído por metilotrophs
- La producción de metano de TMA y otros metilamines por algunos metanos
Estructura
En E. coli, se ha demostrado que una TMAO reductasa periplásmica inducible es responsable de casi toda la reducción de TMAO (y el resto es reducción por DMSO). Si bien no se ha publicado ningún análisis estructural de esta enzima de E. coli, se ha aislado y caracterizado la TMAO reductasa de Shewanella massilia con una resolución de 2,5 Å.
Las TMAO reductasas se han estudiado en varios organismos y una característica común es la presencia de un cofactor de molibdeno en todas las enzimas terminales conocidas. La forma común de la molécula de molibdopterina es un sistema de anillo tricíclico que comprende un grupo pterina fusionado a un anillo de pirano. El papel de este anillo de pirano podría ser una forma de controlar el estado de oxidación del cofactor de molibdeno y/o facilitar la difusión de protones. Además, la disposición de los residuos aromáticos en la entrada en forma de embudo que conduce al centro activo está estrechamente relacionada con la de las estructuras de la DMSO reductasa. Un bolsillo hidrofóbico, formado por dos residuos de triptófano y dos de tirosina, también está presente en la TMAO reductasa y contiene residuos altamente conservados.
Al comparar la TMAO reductasa de S. massilia con la DMSO reductasa de R. sphaeroides y R. capsulatus, la estructura general es sorprendentemente similar. Sin embargo, una diferencia importante en la TMAO reductasa es la falta de tirosina (Tyr114) en la DMSO reductasa de R. capsulatus. Esta tirosina es reemplazada por una treonina (Thr116) en la TMAO reductasa, y la extensión de la cadena principal alrededor de este residuo, desde el residuo 100 al 116, no es idéntica a la de las DMSO reductasas. Una consecuencia directa de la falta de residuo es un espacio accesible más amplio, adyacente al centro activo de molibdeno, que potencialmente existe para acomodar las moléculas de óxido de trimetilamina algo más voluminosas con mayor facilidad que las moléculas de dimetilsulfóxido. Esta diferencia demuestra cómo la forma de una enzima casi siempre está directamente relacionada con su función.
Sin embargo, recientemente han surgido discrepancias con respecto a la estructura del sitio activo de la TMAO reductasa. El sitio activo propuesto contiene varias longitudes de enlace anómalas; una longitud de enlace Mo-O es demasiado corta para una coordinación de enlace simple Mo-O, y las cuatro longitudes de enlace Mo-S son considerablemente más largas de lo esperado. Además, la coordinación de molibdeno propuesta del sitio activo está extremadamente abarrotada, con distancias entre varios átomos supuestamente no enlazantes que son significativamente más cortas que la suma de sus radios de van der Waals y algunos ángulos de enlace que son irrazonablemente pequeños. Ahora, se está planteando la hipótesis de que esta sobrepoblación se debe a la cocristalización de múltiples formas de la enzima.
Véase también
- Fosforilación oxidativa
- metabolismo microbiano
Referencias
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Más lectura
- Unemoto T, Hayashi M, Miyaki K, Hayashi M (noviembre de 1965). " Localización intracelular y propiedades de reductasa trimetilalina-N-óxido en Vibrio parahaemolyticus". Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Enzimología y oxidación biológica. 110 2): 319 –328. doi:10.1016/s0926-6593(65)80039-x. PMID 4286289.
Enlaces externos
- Entrada ENZYME para EC 1.7.2.3
- BRENDA entry for EC 1.7.2.3