Alkaani 1-monooksügenaas

Alkaani hüdroksülaas (EC 1.14.15.3; süstemaatiline nimi alkaan,redutseeritud-rubredoksiin:hapnik 1-oksüdoreduktaas, kuid kasutatakse ka järgnevaid sünonüüme: alkaani 1-monooksügenaas, alkaani 1-hüdroksülaas, oomega-hüdroksülaas, rasvhape oomega-hüdroksülaas, alkaani monooksügenaas, 1-hüdroksülaas, alkaani monooksügenaas) on mitmekülgne biokatalüsaator, mis viib läbi erinevaid kasulikke oksüdatsiooniprotsesse, mille hulgas on ka aeroobne alkaanide lagundamine. Ensüümid võivad lagundada alkaane, kasutades nelja erinevat oksüdatsioonirada. Lagundatava alkaani pikkuse alusel eristatakse kolme tüüpi ensüüme. Alkaani hüdroksülaase omavad bakterid osalevad süsivesinike biodegradatsioonis ja naftareostuste puhastamisel. Alkaanide lagundamiseks on tarvis aktiveerida alkaani molekul. Sõltuvalt elektroni aktseptorist võivad mikroorganismid seda teha kas aeroobsetes tingimustes või anaeroobsetes tingimustes. Anaeroobsel aktiveerimisel elektroni aktseptoriks võivad olla kas nitraat, sulfaat, rauaioon või süsihappegaas. Aeroobsetes tingimustes elektroni aktseptoriks on hapnik. Mikroorganismides on kirjeldatud nelja alkanide oksüdatsioonirada: Terminaalse metüülrühma oksüdeerimise tulemusena tekib primaarne alkohol, mis omakorda oksüdeeritakse aldehüüdiks. Moodustunud rasvhapped sisenevad β-oksüdatsiooni rajale, kus moodustub rasvhappeatsetüül-CoA. Alkaani molekuli mõlemad terminaalsed metüülrühmad oksüdeeritakse astmeliselt ning tekib dikarboksüülhape, mis siseneb β-oksüdatsiooni rajale. Alkaani astmelise oksüdeerimise tulemusena tekib sekundaarne alkohol, mis muudetakse temale vastavaks ketooniks. Ketoon oksüdeeritakse omakorda Baeyer-Villiger monooksügenaasiga estriks, millest moodustub alkohol ja rasvhape. Dioksügenaaside abil moodustunud n-alküülhüdroperoksiidid oksüdeeritakse alküülaldehüüdideks, peroksühapeteks ja rasvhapeteks. Alkaanide aeroobse lagundamise esimene etapp on vahendatud alkaani hüdroksülaasi poolt. Lagundatava alkaani pikkusest sõltuvalt eristatakse kolme tüüpi ensüüme. Ensüümid, mis lagundavad gaasilisi alkaane (C1-C4) metaani monooksügenaas propaani monooksügenaas butaani monooksügenaas Ensüümid, mis lagundavad vedelaid alkaane (C5-C16) membraniseoselised alkaani hüdroksülaasid tsütokroom P450 perekonna ensüümid Ensüümid tahkeid alkaane (>C16) lagundamiseks AlmA LadA Metaani monooksügenaas on ensüüm, mis viib läbi metaani oksüdeerimise metanooliks. Tänapäeval tuntakse kahte tüüpi metaani monooksügenaasi komplekse – lahustuvad ehk tsütoplasmaatilised ja membraaniseoselised. Tsütoplasmaatiline metaani monooksügenaas oksüdeerib 1–8 süsinikuaatomi pikkusi alkaane. Membraaniseoseline metaani monooksügenaas oksüdeerib 1–5 süsinikuaatomi pikkusi alkaane. Metaani monooksügenaasi katalüüsi summaarne reaktsioon on järgmine: CH4 + O2 + NAD(P)H + H+ → CH3OH + H2O + NAD(P)+ Rohkem on uuritud tsütoplasmaatilist metaani monooksügenaasi, mis koosneb kolmest komponendist: hüdroksülaasist, reduktaasist ja regulatoorsest valgust. Hüdroksülaas (250 kDa) on katalüütilise aktiivsuse tsenter ja sisaldab 2 Fe-klastrit. Reduktaas (38,5 kDa) on monomeerne polüpeptiid, mis sisaldab FAD ja FeS-klastrit. Viimane kannab elektroni NADH-lt hüdroksülaasi klastrile üle. Regulatoorne valk (15 kDa) on monomeerne polüpeptiid, millele koostisse ei kuulu metallide ioonid ega kofaktorid. Membraaniseoseline metaani monooksügenaas koosneb hüdroksülaasist, millel on 3 subühikut: tsütokroom C (13 kDa), vase aatomit sisaldav valk (47 kDa) ja valk, mille suurus on 9,4 kDa. Metaani monooksügenaase on leitud paljudel metanotroofsetel bakteritel, näiteks Methylococcus capsulatus. Propaani ja butaani monooksügnaasid on ehituselt sarnased tsütoplasmaatilise või membraanseoselise metaani monooksügenaasiga. Butaani monooksügenaas koosneb rauda sisaldavast hüdroksülaasist, väävlit sisaldavast NADH-oksüdoreduktaasist ja väikesest regulatoorsest valgust. Butaani monooksügenaas võib oksüdeerida 2–9 süsinikuaatomi pikkusi alkaane. Membraaniseoseline alkaani hüdroksülaasi kompleks koosneb kolmest valgust: rubredoksiinist , rubredoksiini reduktaasist ja alkaani hüdroksülaasist. Rubredoksiin on madalamolekulaarne rauaioone sisaldav valk, mis vahendab NADH-lt saadavate elektronide ülekannet alkaani hüdroksülaasile rubredoksiini reduktaasi abil. AlkB-l on kuus transmembraanset segmenti ja tsütoplasmapoolne katalüütiline sait, mis koosneb neljast histidiini sisaldavast järjestuse motiivist. Motiivid on seotud kahe klastrit moodustavate raua aatomitega. Kuus transmembraanset molekuli moodustavad sügava hüdrofoobse tasku, kuhu asetub alkaani molekul nii, et tema terminaalne metüülrühm paikneks lähestikku vastava raua aatomitega seotud histidiini järjestusega. Üks hapniku aatom seostub alkaani terminaalse metüülrühmaga, teine redutseeritakse veeks elektronide transpordil rubredoksiinile. Membraaniseoselised alkaani hüdroksülaasid oksüdeerivad 5–16 süsinikuaatomi pikkusi alkaane. Kuigi membraaniseoselise alkaani hüdroksülaasi järjestused on väga erinevad, on nad struktuurselt ühesugused. Tsütokroom P450 ensüümi perekond on suur rühm, mille hulka kuuluvad ensüümid, mis viivad läbi erinevate orgaaniliste ühendite oksüdatsiooni. Tsütokroomid P450 sisaldavad rauda ning elektroni ülekandmiseks NADH molekulilt tsütokroomile vajavad nad ferredoksiini ja ferredoksiini reduktaasi. Eristatakse kahte tsütokroomi P450 perekonna ensüümide põhitüüpi: tsütoplasmaatiline tsütokroom (CYP153), mis oksüdeerib 5–12 süsinikuaatomi pikkusi alkaane (CYP153 tsütokroom on leitud bakteritest) membraanseoseline tsütokroom (CYP52), mis oksüdeerib 10–16 süsinikuaatomi pikkusi alkaane (CYP52 tsütokroom on leitud pärmidest). Sellesse rühma kuuluvad alkaani hüdroksülaasid AlmA ja LadA. LadA on ekstratsellulaarne termofiilne flaviinisõltuv oksügenaas, mis koosneb kahest komponendist. See valk kuulub bakteriaalse lutsiferaasi valkude perekonda ja oksüdeerib 10–30 süsinikuaatomi pikkusi alkaane. AlmA on tsütaplasmaatiline flaviiniseoseline Baeyer-Villiger tüüpi monooksügenaas, mis oksüdeerib 20–36 süsinikuaatomi pikkusi alkaane. Kõige paremini on uuritud alkaani lagundamise rada, mis on kodeeritud Pseudomonas putida Gpo1 OCT plasmiidi poolt. Geenid paiknevad kahes operonis ja selline rada on horisontaalselt ülekantud paljudesse bakteritüvedesse. Seda tõestab alkaane lagundamise geenide olemasolu transposoonides ja plasmiidides. Tavaliselt asuvad alkaani hüdroksülaasi kodeerivad geenid eraldi nende geenide ekspressiooni kontrollitavatest regulaatoritest, rubredoksiini ja rubredoksiini reduktaasi geenist. Kui tüves on mitu alkaani hüdroksülaasi kodeerivat geeni, paiknevad nad ka eraldi ja peale selle asuvad nad kromosoomi erinevates piirkondades. Alkaanide lagundamise rajad on eriomaselt reguleeritud nii, et nendega seotud geene ekspresseeritakse ainult vastava alkaani olemasolul. Spetsiifilised regulaatorid kuuluvad sellistesse perekondadesse nagu LuxR/MalT, AraC/XylS või GntR. Alkaane on võimelised lagundama paljud organismid nagu bakterid (näiteks hõimkonnad Actinobacteria, Bacteroidetes, Firmicutes ja Proteobacteria ) ja seened, kelle jaoks on nad süsiniku- ja energiaallikaks. Vaatamata sellele kasutavad mõned bakterid eelistamatult süsinikuallikana teisi komponente. Eksisteerivad ikkagi ka bakteriliigid, mis kasvavad ainult alkaanide lagundamise arvel. Neid nimetatakse süsivesinikklastilisteks bakteriteks. Väga huvitav liik on Alcanivorax borkumensis. Ta suudab lagundada alkaane, aga mitte tavalisi süsinikuallikaid nagu aromaatseid ühendeid ja suhkruid. Bakterirakud produtseerivad ekstratsellulaarseid pindaktiivsete omadustega glükolipiide. Sellega osalevad Alcanivorax perekonna bakteriliigid süsivesinike biodergadatsiooni teostades mereökosüsteemide naftareostuse biopuhastuses. KEGG ENZYME: 1.14.15.3, DBGET integrated database retrieval system. Vaadatud 31.10.2013. Theo H. M. Smits, Stefanie B. Balada, Bernard Witholt, and Jan B. van Beilen (2002) "Functional Analysis of Alkane Hydroxylases from Gram-Negative and Gram-Positive Bacteria" Journal of Bacteriology 1733–42 Watkinson, R. J., Morgan, P. (1990) "Physiology of aliphatic hydrocarbon-degrading microorganisms" Ashraf, W., Mihdhir, A., Murrell, J. C. (1994) "Bacterial oxidation of propane" Ji, Y., Mao, G., Wang, Y., Bartlam, M. (2013) "Structural insights into diversity and n-alkane biodegradation mechanisms of alkane hydroxylases" van Beilen, J. B. ja Funhoff, E. G. (2007) "Alkane hydroxylases involved in microbial alkane degradation" Basch, Harold et al. (1999) "Mechanism of the Methane -> Methanol Conversion Reaction Catalyzed by Methane Monoxygenase: A Density Function Study" J. Am. Chem. Soc. 121 (31): 7249–7256 Dubbels, B. L., Sayavedra-Soto, L. A., Arp, D. J. (2007) "Butane monooxygenase of ‘Pseudomonas butanovora’: purification and biochemical characterization of a terminal-alkane hydroxylating diiron monooxygenase" Fernando Rojo (2009) "Degradation of alkanes by bacteria" Environmental Microbiology 11(10), 2477–2490 Li, L., Liu, X., Yang, W., Xu, F., Wang, W., Feng, L., Bartlam, M., Wang, L., Rao, Z. (2008) "Crystal structure of long-chain alkane monooxygenase (LadA) in complex with coenzyme FMN: unveiling the long-chain alkane hydroxylase" Throne-Holst, M., Markussen, S., Winnberg, A., Ellingsen, T. E., Kotlar, H. K., Zotchev, S.B. (2006) "Utilization of n-alkanes by a newly isolated strain of Acinetobacter venetianus: the role of two AlkB-type alkane hydroxylases" Prince, R. C., Gramain, A., McGenity, T. J. (2010) "Prokaryotic hydrocarbon degraders" Harayama, S., Kasai, Y., Hara, A. (2004) "Microbial communities in oil-contaminated seawater" Michail M. Yakimov, Peter N. Golyshin, Siegmund Lang, Edward R. B. Moore, Wolf-Rainer Abraham, Heinrich LUnsdorf and Kenneth N. Timmis (1998) "Alcanivorax borkurnensis gen. now, sp. nov.,a new, hydrocarbon-degrading and surfactant-producing marine bacterium"