Katehhooli dioksügenaasid

Katehhooli dioksügenaasid on klass bakteriaalseid metalli sisaldavaid ensüüme, tavaliselt on selleks raud. Dioksügenaasid on looduses ulatuslikult levinud ja nad võivad osa võtta nii anaboolsest kui ka kataboolsest protsessist. Aromaatseid tuumi avavaid ensüüme, nagu katehhooli dioksügenaase, on leitud paljudest degradatsiooniradadest. Nad mängivad võtmerolli aromaatsete ühendite lagundamises ja on seega väga tavalised mikroorganismides. Katehhooli dioksügenaasid katalüüsivad molekulaarse hapniku mõlema aatomi lisamist katehhoolile ja tema derivaatidele, tekitades ava aine aromaatsesse tuuma. Näited radadest, kust neid ensüüme on leitud, sisaldavad kromosomaalselt kodeeritud radasid, mis on leitud Pseudomonas’e tüvedest. Need rajad on mõeldud bensoaadi ja hüdroksübensoaadi lagundamiseks. Samuti on olemas ka plasmiidselt kodeeritud rada klorobensoaadi lagundamiseks. Organismid, mis sisaldavad bensoaadi või hüdroksübensoaadi lagundamise radasid, võivad kasutada neid molekule kui oma ainsaid süsiniku- ja energiaallikaid. Plasmiidselt kodeeritud haloaromaatilised lagundavad rajad võimaldavad samuti pinnasebakteritel kasutada halogeenitud orgaanilisi ühendeid kui ainsaid süsiniku- ja energiaallikaid. Need plasmiidid on tegelikult osa masinavärgist, mis lubab kindlatel bakteritel mitte ainult ellu jääda saastatud pinnasel halogeenitud orgaaniliste ühendite tõttu, vaid seda tehes ka puhastada pinnast. Katehhool ehk 1,2-dihüdroksübenseen on põhiline metaboliit, mis moodustub paljude aromaatsete lagundamiste radades ja siis töödeldakse seda katehhooli-1,2-dioksügenaasi (intradioolne ensüüm) poolt, et saada cis, cis-mukonaat või teise võimalusena katehhooli-2,3-dioksügenaasi (ekstradioolne ensüüm) poolt, et saada 2-hüdroksümukonosemialdehüüd, sõltuvalt bakteriliigist. Esimesena mainitud rada tekitab lõpuks suktsinaati ja atsetüülCoA-d, teisena mainitud rada toodab lõpuks püruvaati ja atseetaldehüüdi. Mõlemal puhul muudetakse toksilised aromaatsed ühendid bakterite poolt metaboliitideks, mis sisenevad edasi põhilistesse metaboolsetesse radadesse. Tuuma avamine võib toimuda kahes orientatsioonis: kahe kõrvuti oleva hüdroksüülrühma vahelt või kõrvalt. Just see erinevus avamissaidis on tavaliselt tunnus, mille järgi katehhooli dioksügenaasid jaotatakse kahte gruppi: intradioolsed ja ekstradioolsed dioksügenaasid. Tuuma avavate dioksügenaaside substraadid sisaldavad tavaliselt hüdroksüülrühmi kõrvutiolevatel aromaatsetel süsinikel. Intradioolsed dioksügenaasid kasutavad ära mitteheemset Fe(III), et siduda aromaatne tuum vesiniku asemel hüdroksüülrühmaga ortho-rada pidi. Samas ekstradioolsed dioksügenaasid kasutavad ära mitteheemset Fe(II), et siduda aromaatne tuum hüdroksüülrühmadega meta-rada pidi. Intradioolsed ensüümid lõhuvad aromaatse tuuma just nende kahe hüdroksüülrühma vahelt. Ekstradioolsed ensüümid aga lõhuvad tuuma ühe hüdroksüleeritud süsiniku aatomi ja tema kõrvaloleva mittehüdroksüleeritud süsiniku aatomi vahelt. Nii intradioolsete kui ka ekstradioolsete ensüümide puhul kasutavad need samad ensüümid korrapärast mehhanismi, milles katehhooli sidumine eelneb O2 reaktiivsusele. Ometi intradioolsed ensüümid aktiveerivad O2 nukleofiilse rünnaku jaoks katehhoolidele ja ekstradioolsed ensüümid paistavad aktiveerivat katehhoole elektrofiilse rünnaku jaoks O2 poolt. Intradioolsed ensüümid on pruunika värvusega, ekstradioolsed ensüümid on aga värvitud. Intradioolsed ensüümid on kas homomultimeersed või on loodud kahest erinevast alajaotusest ja sisaldavad erinevaid koguseid Fe(III) ioone ühe mooli ensüümi kohta. Ekstradioolsed ensüümid on aga tavaliselt ühte tüüpi alajaotuse multimeerid ja üks Fe(II) ioon on seostatud iga alajaotusega, millest multimeer koosneb. Nende ensüümide sarnasus seisneb selles, et nad on täiesti sõltuvad oma seotud raua aatomi aktiivsusest. Intradioolsetel katehhooli dioksügenaasidel on aktiivsaidis Fe(III) ja ekstradioolsetel dioksügenaasidel Fe(II). Katehhooli-1,2-dioksügenaas on Fe(III)-seoseline intradioolne ensüüm, mida on uuritud nii mitmestki bakteriliigis. On näidatud, et see ensüüm on indutseeritav aniliini, bensamiidi, benseeni, bensüülalkoholi, bensoaadi ja fenooli olemasolu poolt. Mittearomaatsete molekulide seas käitub mukonaat kui induktormolekul ja suktsinaat, lõpp-produkt, on tugev inhibiitor katehhooli-1,2-dioksügenaasile. Spektroskoopia meetodite põhjal koosnevad need ensüümid aktiivsaidis kõrge spinniga Fe(III) tsentrist kooskõlastatult koos kahe türosiini, kahe histidiini ja ühe vee molekuliga. Reaktsioonimehhanism koosneb algsest substraadi seondumisest Fe(III) tsentriga, tekitades Fe(III)-katehholaadi kompleksi, ja järgnevast O2 rünnakust ensüüm-substraadi kompleksile. Spektroskoopia meetodid viitavad, et raudtsenter on kõrge spinniga Fe(III) läbi kogu reaktsiooni. Ramani spektroskoopia põhjal saab öelda, et ensüüm-substraadi kompleks ei oma türosiinile omaseid võnkumisi, tõstes sellega võimalust, et katehhoolse substraadi sidumine tõrjub türosiinist ligandid raudtsentrist eemale. Teine võimalus peale substraadi aktivatsiooni on hapniku aktivatsioon, aga see vajab aktiivsaidis Fe(III) reduktsiooni Fe(II)-ks. Selle sammu kohta ei ole ka veel tõestust leitud, kuigi see on vajalik samm hapniku aktivatsioonimehhanismiks. Orgaanilise substraadi sidumine katehhooli dioksügenaasi raudtsentri külge on tähtis samm ensümaatilises reaktsioonis ja võib anda olulisi vihjeid katalüütilise mehhanismi kohta. Katehhooli-2,3-dioksügenaas on ekstradioolne dioksügenaas, mis mängib tähtsat rolli aromaatsete ühendite lagundamises saastatud kohtades. Vähe on teada C23O geenide mitmekesisuse kohta mittereostatud kohtades. Sellistes keskkondades võivad mitmed faktorid, näiteks lahustunud orgaanilise aine kvaliteet ja kvantiteet, mõjutada bakterite, kes omavad C230 geene, käitumist ja koosseisu. Evolutsiooniline analüüs näitab, et mitmesugused katehhooli-2,3-dioksügenaasid võib klassifitseerida 5 alamperekonda. Üldiselt need alamperekonnad vastavad taksonoomilistele grupeeringutele 16S rRNA põhjal. See viitab sellele, et C23O geenid on arenenud samaaegselt bakteriaalse lahknemisega. Erandlikult on mõned katehhooli-2,3-dioksügenaasid jagatud teistsugustesse alamperekondadesse võrreldes taksonoomilise grupeeringuga. Selle põhjuseks võib olla horisontaalne C23O geenide ülekanne. Paljud uuringud on vaadelnud C23O geene pinnases ja põhjavees, mis on tugevasti reostatud antropogeensete aromaatsete ksenobiootikumide nagu benseen, tolueen, etüülbenseen, ksüleen ja PAH-ide (polütsüklilised aromaatsed süsivesinikud) poolt. Erinevad ksenobiootilised aromaatsed ühendid on tööstuslikult toodetud ja mõned neist on inimestele toksilised. Nende ühendite esinemine looduskeskkonnas on üldsusele suur mure. Kuigi need ensüümid on palju tavalisemad kui eelpool kirjeldatud, teati nende struktuursete ja mehaaniliste aspektide kohta alles hiljuti vähem. See oli põhjustatud Fe(II) suhtelise ligipääsmatuse tõttu enamuse saadaval olevate spektroskoopiliste meetodite poolt. On leitud, et raudtsentrile on seotud radikaalne NO, seeläbi lubades ka metalltsentrit uurida spektroskoopiaga. Esimene samm mehhanismis on orgaanilise substraadi sidumine kelaadi laadis koos samaaegse ligandide ümberpaigutamisega. Nende ensüümide puhul paigutatakse ümber kaks eksogeenset (mitte valgust tuletatud) ligandi. Arvatavasti tänu madalamale astmele ja madalamale Lewise happelisusele võrreldes Fe(III)-ga. Järgmine samm on dihapniku seondamine, Fe(II) olemasolu peaks lubama otsest O2 sidumist metalltsentrile. Tänu aromaatsete reostajate laialt levinud difusioonile nii tööstuslikus heitvees kui ka kogemata saastatud pinnases on igasugune biotervenduskatse kasulik. Biotervendus on mikroorganismide kasutamine, et hävitada või vähendada ohtlike jääkide kontsentratsiooni reostatud kohas. Joan B. Broderick. Catechol dioxygenases. Department of Chemistry, Michigan State University, East Lansing, MI 488241322, U.S.A. Enrica Pessione, M. Gabriella Giuffrida, Roberto Mazzoli, Patrizia Caposio, Santo Landolfo, Amedeo Conti, Carlo Giunta, Giorgio Gribaudo. The Catechol 1,2 Dioxygenase System of Acinetobacter radioresistens: Isoenzymes, Inductors and Gene localisation. Biol. Chem.,Vol.382, pp. 1253–1261, August 2001 Shigeaki Harayama and Monique Rekik. Bacterial Aromatic Ring-cleavage Enzymes Are Classified into Two Different Gene Families. The Journal of Biological Chemistry, Vol.264, No. 26, Issue of September 15, pp. 15328-15333, 1989. Frederic H. Vaillancourt, Jeffrey T. Bolin, Lindsay D. Eltis. The Ins and Outs of Ring-Cleaving Dioxygenases. Critical reviews in Biochemistry and Molecular Biology, 41:241–267, 2006 David D. Cox, Lawrence. Que. Functional models for catechol 1,2-dioxygenase. The role of the iron(III) center. http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/ja00232a021; kasutatud 04.10.14 Ikuro Kasuga, Fumiyuki Nakajima, Hiroaki Furumai. Diversity of catechol 2,3-dioxygenase genes of bacteria responding to dissolved organic matter derived from different sources in a eutrophic lake. FEMS Microbiol Ecol 61 (2007) 559-458 Akiko Okuta, Kouhei Ohnishi, Shigeaki Harayama. PCR isolation of catechol 2,3-dioxygenase gene fragments from environmental samples and their assembly into functional genes. Gene 212 (1998) 221–228 R. Boopathy. Factors limiting bioremediation technologies. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0960852499001443; kasutatud 05.10.14