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Solfito ossidoreduttasi

enzima

La solfito ossidasi è un enzima che catalizza l'ossidazione del solfito a solfato secondo la seguente reazione:

solfito ossidasi
Modello tridimensionale dell'enzima
Modello tridimensionale dell'enzima
Numero EC1.8.3.1
ClasseOssidoreduttasi
Altri nomi
SO; SOx (nel caso dell'enzima ossidasi); SDH (nel caso della deidrogenasi)
Banche datiBRENDA, EXPASY, GTD, PDB (RCSB PDB PDBe PDBj PDBsum)
Fonte: IUBMB

SO32- + O2 + H2O ⇄ SO42- + H2O2

L'enzima è fa parte della famiglia dei molibdo-enzimi mononucleari. Nell'uomo la solfito ossidasi rappresenta l'unico enzima essenziale individuato di tale famiglia[1]. Il gruppo delle solfito ossidasi si compone di due sottoclassi in base alla loro capacità di trasferire elettroni all'ossigeno molecolare[2], le solfito ossidasi (SO, trovate in animali e piante) e le solfito deidrogenasi (SDH, trovate in batteri).

Negli animali la reazione catalizzata dalla SO è fisiologicamente vitale. Essa rappresenta il passaggio finale nella degradazione ossidativa degli aminoacidi contenenti zolfo, cisteina e metionina, fondamentale per la disintossicazione di solfito in eccesso. La carenza di SO è una malattia genetica mortale che porta a morte precoce, mentre una alterata attività di SO è implicata nella neurotossicità da solfito.

Carenza nell'uomo

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Solfito ossidasi è essenziale nell'ultimo stadio della metabolizzazione di aminoacidi contenenti zolfo come cisteina e metionina. La mancanza di una solfito ossidasi funzionale causa una malattia nota come carenza di solfito ossidasi. Questa malattia rara, ma fatale, provoca disturbi neurologici, ritardo mentale, malformazioni fisiche, il degrado del cervello, e la morte. La causa della mancanza di una solfito ossidasi funzionale può derivare da una mutazione puntiforme nell'enzima o un difetto genetico che porta alla mancanza del cofattore molibdopterina[3]. Entrambe causano un pericoloso innalzamento della concentrazione di solfito nei fluidi corporei. La mutazione puntiforme compromette la struttura dell'enzima e di consuquenza l'ossidazione del solfito. La carenza di cofattore molibdeno è causata da un disturbo nella sua biosintesi. Oltre alla non maturazione della solfito ossidasi esso comporta anche la non maturazione di altri enzimi quali la xantina ossidoriduttasi e la aldeide ossidasi. Nonostante sia difficile distinguere tra le due forme di carenza di solfito ossidasi, in alcuni casi della seconda forma una possibile terapia consiste nella somministrazione di molibdato[4][5].

Strutture

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Negli animali la SO è un dimero di cui ogni monomero possiede tre domini. Un primo dominio (9 kDa) è associato a un eme di un tipo b (Dominio Eme, DE), un secondo contenente il cofattore molibdeno (dominio Moco, DM) e un terzo dominio coinvolto nella dimerizzazione tra i due monomeri. Il DE e il DM sono collegati da un flessibile laccio di raccordo di circa 10 amminoacidi[6]. Nel meccanismo di ossidazione del solfito il citocromo c è usato come accettore di elettroni fisiologico[7] in aggiunta all'ossiggeno.

In contrasto alla conservata architetture degli enzimi vertebrati e vegetali, gli enzimi batterici ossidanti il solito sono molto più vari in termini di struttura. Sono stati individuate strutture eterodimeriche, omodimeriche e perfino monomeriche, tutte sempre contenenti un Moco e un gruppo eme. Abbastanza comunemente però la struttura è come nel caso della solfito deidrogenasi un eterodimero αβ, costituito da una subunità contenente un Moco e una contenente un C552. L'accettore di elettroni naturale per SDH sembra essere il citocromo c550 come osservato per quella derivata da Thiobacillus Novellus[8][9].

La SO vegetale, come quella da Arabidopsis thaliana, consiste in un semplice dominio legante il Moco mentre è completamente assente un dominio contenente eme[10][11]. È stato dimostrato che l'ossigeno agisce come accettore terminale di elettroni per la SO vegetale[12][13].

Differenti strutture di enzimi ossidanti solfito. In verde è riportato il gruppo Moco e in verde il gruppo eme. I monomeri presenti nelle strutture sono colorati diversamente.
 
Struttura della solfito ossidasi di Gallina, esempio di solfito ossidasi animale
 
Struttura della solfito deidrogenasi della Starkeya novella, esempio di solfito deidrogenasi batterica
 
Struttura della solfito ossidaasi della Arabidopsis Thaliana, esempio di solfito ossidasi vegetale

Meccanismo catalitico

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Ciclo catalitico della Solfito Ossidasi.
 
Animazione del ciclo catalitico della Solfito Ossidasi animale, per chiarezza è mostrato un solo monomero

Il solfito viene ossidato a solfato al cofattore Moco, e gli equivalenti riducenti vengono trasferiti all'eme, che a sua volta riduce il trasportatore terminale di elettroni, il citocromo c[14][15][16]. La semireazione riduttiva della sequenza catalitica comporta la reazione dell'enzima ossidato con solfito per produrre l'enzima ridotto e solfato, mentre la semireazione ossidativa comporta la reazione della solfito ossidasi con citocromo c per ottenere l'enzima ossidato e il ridotto citocromo c. Mentre l'ossidazione del solfito avviene con un trasferimento di 2 elettroni, la riossidazione del Moco avviene per mezzo di due successive trasferimenti elettronici da 1 elettrone da parte dell'eme per trasferimento elettronico intramolecolare (TEI). Il trasferimento tra citocromo c e l'eme della solfito ossidasi è di solo 1 elettrone per volta.

La semireazione riduttiva inizia con la reazione del Mo(VI), nella SO completamente ossidata, con solfito per produrre solfato. La forma transitoria di Mo(IV) / Fe(III) tramite un trasferimento elettronico intramolecolare (TEI) genera la forma Mo(V) / Fe(II)[17]. La semireazione ossidativa dà luogo prima alla forma ridotta, Mo(V) / Fe(III) tramite trasferimento di un elettrone al citocromo c esogeno. Un secondo TEI, formando Mo(VI) / Fe(II) seguita da riduzione di un secondo equivalente di citocromo c, rigenera l'enzima completamente ossidato nello stato Mo(VI) / Fe(III).

Per compiere il proprio ciclo catalitico la solfito ossidasi animale ha bisogno di un riarrangiamento strutturale. Un orientamento produttivo deve avvenire prima del TEI, il che suggerisce che i centri contenenti il Mo e il Fe richiedano un posizionamento delicato e preciso per l'orientamento e l'avvcinamento della coppia redox. Il raccordo flessibile tra i due domini costituenti la proteina fornisce al dominio eme (DE) la mobilità necessaria per consentire alla sua faccia caricata negativamente di interagire elettrostaticamente con il dominio Moco (DM) carico positivamente. Una volta avvenuto il TEI, il DE si allontana dal DM per interagire con il citocromo c caricato positivamente. La flessibilità sembra garantire sia il trasferimento intra- che intermolecolare di elettroni. La velocità di reazione nel TEI è influenzata da svariati fattori come gli ioni Cl-, SO42- e PO43- che possiedono differenti effetti inibitori[18], il pH[6] e la forza ionica[19] che ne determinano le interazioni di carica e la viscosità[20] che probabilmente condiziona la mobilità dei domini .

Nel batterica SDH contrariamente, l'eterodimero comprendente le subunità Moco ed Eme sono vincolanti ed occupano posizioni fisse durante la catalisi[8].

Note

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  1. ^ R. Hille, The Mononuclear Molybdenum Enzymes, in Chemical reviews, vol. 96, 1996, pp. 2757-2816, DOI:10.1021/cr950061t.
  2. ^ Russ Hille, Molybdenum enzymes containing the pyranopterin cofactor: an overview, in Metal Ions in Biological Systems, vol. 39, 2002, pp. 187-226, ISSN 0161-5149 (WC · ACNP). URL consultato il 7 giugno 2011.
  3. ^ Karakas E, Kisker C, Structural analysis of missense mutations causing isolated sulfite oxidase deficiency, in Dalton Transactions, n. 21, novembre 2005, pp. 3459-63, DOI:10.1039/b505789m, PMID 16234925.
  4. ^ Witkowski, Prokop: „Lexikon der Syndrome und Fehlbildungen, 7. Auflage“ Springer, Berlin - Heidelberg 2003
  5. ^ OrphaNet: Encephalopathy due to sulphite oxidase deficiency.
  6. ^ a b A. Pacheco, J. T. Hazzard, G. Tollin, J. H. Enemark, The pH dependence of intramolecular electron transfer rates in sulfite oxidase at high and low anion concentrations, in Journal of Biological Inorganic Chemistry, vol. 4, n. 4, 1999-08, pp. 390-401, ISSN 0949-8257 (WC · ACNP). URL consultato il 19 maggio 2011.
  7. ^ C A Temple, T N Graf, K V Rajagopalan, Optimization of expression of human sulfite oxidase and its molybdenum domain, in Archives of Biochemistry and Biophysics, vol. 383, n. 2, 15 novembre 2000, pp. 281-287, DOI:10.1006/abbi.2000.2089, ISSN 0003-9861 (WC · ACNP). URL consultato il 24 giugno 2011.
  8. ^ a b Ulrike Kappler, Brian Bennett, Jörg Rethmeier, Günter Schwarz, Rainer Deutzmann, Alistair G. McEwan, Christiane Dahl, Sulfite: Cytochrome c oxidoreductase from Thiobacillus novellus. Purification, characterization, and molecular biology of a heterodimeric member of the sulfite oxidase family., in The Journal of Biological Chemistry, vol. 275, n. 18, 2000, pp. 13202-13212.
  9. ^ Ulrike Kappler, Susan Bailey, Molecular Basis of Intramolecular Electron Transfer in Sulfite-oxidizing Enzymes Is Revealed by High Resolution Structure of a Heterodimeric Complex of the Catalytic Molybdopterin Subunit and a c-Type Cytochrome Subunit, in Journal of Biological Chemistry, vol. 280, n. 26, 1º luglio 2005, pp. 24999-25007, DOI:10.1074/jbc.M503237200. URL consultato il 25 agosto 2010.
  10. ^ T Eilers, G Schwarz, H Brinkmann, C Witt, T Richter, J Nieder, B Koch, R Hille, R Hänsch, R R Mendel, Identification and biochemical characterization of Arabidopsis thaliana sulfite oxidase. A new player in plant sulfur metabolism, in The Journal of Biological Chemistry, vol. 276, n. 50, 14 dicembre 2001, pp. 46989-46994, DOI:10.1074/jbc.M108078200, ISSN 0021-9258 (WC · ACNP). URL consultato il 14 giugno 2011.
  11. ^ Nils Schrader, Katrin Fischer, Karsten Theis, Ralf R Mendel, Günter Schwarz, Caroline Kisker, The crystal structure of plant sulfite oxidase provides insights into sulfite oxidation in plants and animals, in Structure, vol. 11, n. 10, 2003-10, pp. 1251-1263, ISSN 0969-2126 (WC · ACNP). URL consultato il 14 giugno 2011.
  12. ^ Robert Hänsch, Christina Lang, Erik Riebeseel, Rainer Lindigkeit, Arthur Gessler, Heinz Rennenberg, Ralf R Mendel, Plant sulfite oxidase as novel producer of H2O2: combination of enzyme catalysis with a subsequent non-enzymatic reaction step, in The Journal of Biological Chemistry, vol. 281, n. 10, 10 marzo 2006, pp. 6884-6888, DOI:10.1074/jbc.M513054200, ISSN 0021-9258 (WC · ACNP). URL consultato il 14 giugno 2011.
  13. ^ Robert S Byrne, Robert Hänsch, Ralf R Mendel, Russ Hille, Oxidative half-reaction of arabidopsis thaliana sulfite oxidase: generation of superoxide by a peroxisomal enzyme, in The Journal of Biological Chemistry, vol. 284, n. 51, 18 dicembre 2009, pp. 35479-35484, DOI:10.1074/jbc.M109.067355, ISSN 1083-351X (WC · ACNP). URL consultato il 15 giugno 2011.
  14. ^ M. S. Brody, R. Hille, The reaction of chicken liver sulfite oxidase with dimethylsulfite, in Biochimica Et Biophysica Acta, vol. 1253, n. 2, 6 dicembre 1995, pp. 133-135, ISSN 0006-3002 (WC · ACNP). URL consultato il 15 giugno 2011.
  15. ^ M. S. Brody, R. Hille, The kinetic behavior of chicken liver sulfite oxidase, in Biochemistry, vol. 38, n. 20, 18 maggio 1999, pp. 6668-6677, DOI:10.1021/bi9902539, ISSN 0006-2960 (WC · ACNP). URL consultato il 15 giugno 2011.
  16. ^ Russ Hille, The Mononuclear Molybdenum Enzymes, in Chemical Reviews, vol. 96, n. 7, 1º gennaio 1996, pp. 2757-2816, DOI:10.1021/cr950061t. URL consultato il 6 aprile 2010.
  17. ^ Andrei V Astashkin, Arnold M Raitsimring, Changjian Feng, Jean L Johnson, K V Rajagopalan, John H Enemark, Pulsed EPR studies of nonexchangeable protons near the Mo(V) center of sulfite oxidase: direct detection of the alpha-proton of the coordinated cysteinyl residue and structural implications for the active site, in Journal of the American Chemical Society, vol. 124, n. 21, 29 maggio 2002, pp. 6109-6118, ISSN 0002-7863 (WC · ACNP). URL consultato il 16 giugno 2011.
  18. ^ E.P. Sullivan Jr., Hazzard, J.T., Tollin, G., Enemark, J.H., Electron transfer in sulfite oxidase: effects of pH and anions on transient kinetics., in Biochemistry, n. 32, 1993, pp. 12465-12470.
  19. ^ Stefano Frasca, Oscar Rojas, Johannes Salewski, Bettina Neumann, Konstanze Stiba, Inez M. Weidinger, Brigitte Tiersch, Silke Leimkühler, Joachim Koetz, Ulla Wollenberger, Human sulfite oxidase electrochemistry on gold nanoparticles modified electrode, in Bielectrochemistry, vol. 87, 2012, pp. 33-41, DOI:10.1016/j.bioelechem.2011.11.012.
  20. ^ Changjian Feng, Rohit V. Kedia, James T. Hazzard, John K. Hurley, Gordon Tollin e John H. Enemark, Effect of Solution Viscosity on Intramolecular Electron Transfer in Sulfite Oxidase, in Biochemistry, vol. 41, n. 18, 2022, pp. 5816-5821.

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