ثنائي الأكسيجيناز

إنزيمات ثنائي الأكسجين هي إنزيمات مؤكسدة-مختزلة . تطورت الحياة الهوائية ، من أنواع البكتيريا وحيدة الخلية البسيطة إلى الكائنات حقيقية النواة المعقدة، لتعتمد على قدرة الأكسجين الجزيئي على الأكسدة في مسارات أيضية متنوعة. من توليد الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP) إلى تحلل المواد الغريبة ، يُعد استخدام الأكسجين الجزيئي كمؤكسد حيوي واسع الانتشار ومتنوعًا في آلية استخدامه. تستخدم الإنزيمات العديد من الطرق المختلفة لاستخدام الأكسجين الجزيئي، ويعتمد ذلك بشكل كبير على الركيزة والتفاعل قيد الدراسة.

في أحاديات الأكسجيناز ، تُدمج ذرة واحدة فقط من الأكسجين الجزيئي في الركيزة، بينما تُختزل الذرة الأخرى إلى جزيء ماء. أما ثنائيات الأكسجيناز ( EC 1.13.11 ) فتحفز أكسدة الركيزة دون اختزال ذرة أكسجين واحدة من الأكسجين الجزيئي إلى جزيء ماء. مع ذلك، يُعد هذا التعريف غامضًا لأنه لا يأخذ في الحسبان عدد الركائز المشاركة في التفاعل. تُدمج غالبية ثنائيات الأكسجيناز الأكسجين الجزيئي بالكامل في ركيزة واحدة، وتُستخدم مجموعة متنوعة من آليات العوامل المساعدة لتحقيق ذلك. على سبيل المثال، في الإنزيمات المعتمدة على ألفا-كيتوغلوتارات ، تُدمج ذرة واحدة من الأكسجين الجزيئي في ركيزتين، إحداهما دائمًا ألفا-كيتوغلوتارات، ويحدث هذا التفاعل بواسطة مركز حديدي أحادي النواة.

يُعد الحديد العامل المساعد الأكثر شيوعًا في تفاعلات الأكسدة الثنائية ، إلا أن الآلية التحفيزية التي تستخدمها هذه الإنزيمات المحتوية على الحديد شديدة التنوع. ويمكن تقسيم إنزيمات الأكسدة الثنائية المحتوية على الحديد إلى ثلاث فئات بناءً على كيفية دمج الحديد في الموقع النشط: تلك التي تستخدم مركزًا حديديًا أحادي النواة، وتلك التي تحتوي على عنقود ريسك [2Fe-2S]، وتلك التي تستخدم مجموعة الهيم الاصطناعية.

إنزيمات ديوكسيجيناز الحديد أحادية النواة

تستخدم جميع إنزيمات ثنائي الأكسجين أحادية النواة الحديدية، أو إنزيمات ثنائي الأكسجين غير المعتمدة على الحديد الهيمي كما تُسمى أيضًا، ذرة حديد واحدة كعامل حفاز لإدخال ذرة واحدة أو كلتا ذرتي الأكسجين في الركيزة. وعلى الرغم من عملية الأكسدة المشتركة هذه، فإن إنزيمات ثنائي الأكسجين أحادية النواة الحديدية تختلف في كيفية استخدام تنشيط الأكسجين لتحفيز تفاعلات كيميائية معينة. ^{[ 1 ]} على سبيل المثال، يُعدّ كل من انشطار الرابطة الكربونية، وبيروكسدة الأحماض الدهنية، وانشطار الرابطة الكربونية الكبريتية، وأكسدة الثيول، تفاعلات تحفزها إنزيمات ثنائي الأكسجين أحادية النواة الحديدية. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

معظم إنزيمات ديوكسيجيناز الحديد أحادية النواة تنتمي إلى عائلة الكوبين الفائقة ، حيث يُوصف التركيب العام للمجال بأنه طية برميل بيتا سداسية الخيوط (أو نمط لفة الجيلي ). في مركز هذا التركيب البرميلي يوجد أيون معدني، غالباً ما يكون حديداً ثنائي التكافؤ، والذي غالباً ما توفر بيئته التنسيقية بقايا في نمطين بنيويين محفوظين جزئياً: G(X) ₅ HXH(X) ₃ - ₄ E(X) ₆ G و ​​G(X) ₅ - ₇ PXG(X) ₂ H(X) ₃ N. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

الشكل 1. انشطار حلقة إكستراديول

الشكل 2. انشطار الحلقة داخل الحلقة

تُعدّ ثنائيات أوكسيجيناز الكاتيكول وثنائيات أوكسيجيناز المعتمدة على 2-أوكسوغلوتارات (2OG) مجموعتين مهمتين من ثنائيات أوكسيجيناز أحادية النواة غير الهيمية الحديدية . ^{[ 6 ]} تستخدم ثنائيات أوكسيجيناز الكاتيكول ، وهي من أكثر إنزيمات ثنائيات أوكسيجيناز دراسةً، الأكسجين الجزيئي لكسر الرابطة الكربونية في نظام حلقة الكاتيكول العطرية . ^{[ 4 ]} تُصنّف ثنائيات أوكسيجيناز الكاتيكول إلى نوعين: "إكستراديول" و"إنتراديول"، ويستند هذا التصنيف إلى الاختلافات الآلية في التفاعلات (الشكلان 1 و2). تكسر إنزيمات "إنتراديول" الرابطة الكربونية بين مجموعتي الهيدروكسيل. يرتبط المركز الحديدي النشط بأربعة ليجاندات بروتينية - اثنان من بقايا الهيستيدين واثنان من بقايا التيروسينات - بشكل هرمي ثلاثي ثنائي، مع وجود جزيء ماء في موقع التنسيق الخامس. ^{[ 3 ]} بمجرد ارتباط ركيزة الكاتيكولات بالمركز المعدني برابطة ثنائية السن عبر مجموعات الهيدروكسيل منزوعة البروتون، يقوم الحديديك بتنشيط الركيزة عن طريق انتزاع إلكترون لتكوين جذر حر على الركيزة. وهذا يسمح بالتفاعل مع الأكسجين الجزيئي، ثم يحدث انشطار داخلي للرابطة عبر وسيط أنهيدريد حلقي. ^{[ 2 ] [ 4 ]} تستخدم مركبات إكستراديول الحديدوز كحالة أكسدة-اختزال نشطة، وعادةً ما يكون هذا المركز منسقًا ثماني السطوح عبر وحدة 2-هيستيدين-1-جلوتاميك، مع وجود جزيئات ماء غير مستقرة تشغل المواقع الفارغة. بمجرد ارتباط الركيزة بالمركز الحديدوز، يعزز ذلك ارتباط الأكسجين الجزيئي وتنشيطه لاحقًا. ^{[ 2 ] [ 4 ] [ 7 ]} ثم يتفاعل هذا النوع من الأكسجين المنشط مع الركيزة، مما يؤدي في النهاية إلى انشطار الرابطة الكربونية المجاورة لمجموعات الهيدروكسيل من خلال تكوين وسيط ألفا-كيتو لاكتون. ^{[ 3 ]}

في ثنائي أوكسيجينازات المعتمدة على 2OG، يرتبط الحديدوز ( Fe(II) ) أيضًا بنمط ثلاثي الوجه (His)2(Glu/Asp)1. يُكمل التنسيق ثنائي السن لـ 2OG والماء مجال تنسيق شبه ثماني السطوح. بعد ارتباط الركيزة، يتحرر جزيء الماء، مما يُتيح موقع تنسيق مفتوحًا لتنشيط الأكسجين. ^{[ 6 ]} عند ارتباط الأكسجين، يحدث تحول غير مفهوم جيدًا، حيث يُزال الكربوكسيل من 2OG تأكسديًا إلى سكسينات، وتُكسر الرابطة OO لتكوين وسيط Fe(IV)-أوكسو ( فيريل ). يُستخدم هذا المؤكسد القوي بعد ذلك لإجراء تفاعلات متنوعة، بما في ذلك الهيدروكسيل، والهالوجنة، وإزالة الميثيل. ^{[ 8 ]} في الحالة الأكثر دراسة، وهي الهيدروكسيلازات، ينتزع وسيط الفيريل ذرة هيدروجين من الموقع المستهدف للركيزة، مما يُنتج جذر الركيزة وFe(III)-OH. ثم يرتبط هذا الجذر الحر برابطة الهيدروكسيد، مما ينتج عنه المنتج المهدرج وحالة الراحة Fe(II) للإنزيم. ^{[ 8 ]}

ديوكسيجينازات ريسك

تحفز إنزيمات ريسك ثنائية الأكسجين عادةً عملية إضافة مجموعتي هيدروكسلة من نوع سيس إلى مركبات الأرينات لإنتاج مركبات سيس-ثنائي هيدرو-ديول. كما تحفز هذه الإنزيمات أيضًا تفاعلات الأكسدة الكبريتية، وإزالة التشبع، وأكسدة البنزيل. ^{[ 2 ]} وتوجد هذه الإنزيمات بكثرة في بكتيريا التربة مثل الزائفة ، ^{[ 3 ]} وتشكل تفاعلاتها الخطوة الأولى في التحلل البيولوجي للهيدروكربونات العطرية. ^{[ 2 ]} تتميز إنزيمات ريسك ثنائية الأكسجين ببنية أكثر تعقيدًا من إنزيمات ثنائية الأكسجين الأخرى نظرًا لحاجتها إلى مسار فعال لنقل الإلكترونات (الشكل 2) لتسهيل عملية الاختزال الإضافية والمتزامنة للركيزة العطرية بإلكترونين.

تتكون إنزيمات ريسك ديوكسيجيناز من ثلاثة مكونات: مختزلة FAD معتمدة على NADH ، وفيريدوكسين يحتوي على مجموعتين من ريسك [2Fe-2S]، وأكسيجيناز α3β3، حيث تحتوي كل وحدة فرعية α على مركز حديد أحادي النواة ومجموعة ريسك [2Fe-2S]. ^{[ 2 ]} ضمن كل وحدة فرعية α، تفصل مسافة 43 أنغستروم تقريبًا بين مجموعة الحديد والكبريت ومركز الحديد أحادي النواة، وهي مسافة كبيرة جدًا لانتقال الإلكترونات بكفاءة . وبدلًا من ذلك، يُقترح أن انتقال الإلكترونات يتم عبر هذين المركزين في وحدات فرعية متجاورة، حيث تنقل مجموعة الحديد والكبريت في إحدى الوحدات الفرعية الإلكترونات إلى مركز الحديد أحادي النواة في الوحدة الفرعية المجاورة، والتي تفصل بينهما مسافة 12 أنغستروم تقريبًا. على الرغم من أن هذه المسافة تبدو مثالية لنقل الإلكترونات بكفاءة، إلا أن استبدال بقايا الأسبارتات الرابطة يؤدي إلى فقدان وظيفة الإنزيم، مما يشير إلى أن نقل الإلكترونات يتم بدلاً من ذلك من خلال شبكة الروابط الهيدروجينية التي تثبتها بقايا الأسبارتات هذه. ^{[ 3 ]}

تم وصف آلية تنشيط الأكسجين (O2 _{) بواسطة هذه الفئة من ثنائي أوكسيجيناز.} ^{[ 7 ]} قد يمثل هذا النوع المؤكسد النشط، أو قد يخضع لانشطار رابطة الأكسجين-أكسجين (OO) عن طريق التحلل الدموي لإنتاج وسيط حديد(V)-أوكسو كعامل مؤكسد فعال. ^{[ 3 ] [ 7 ]}

ثنائي الأكسجين المحتوي على الهيم

بينما تستخدم معظم ثنائيات الأكسجين المعتمدة على الحديد عاملًا مساعدًا من الحديد غير الهيمي، فإن أكسدة التربتوفان (L وD) إلى N-فورميل كينورينين تُحفز بواسطة إما ثنائي أوكسيجيناز التربتوفان 2،3 (TDO) أو ثنائي أوكسيجيناز الإندولامين 2،3 (IDO)، وهما ثنائيات أكسجين هيمية تستخدم الحديد المرتبط بمجموعة هيم B الاصطناعية. ^{[ 9 ] [ 10 ]} وبينما تكتسب هذه الثنائيات أهمية جزئية لاستخدامها الفريد للهيم في التحفيز، فإنها تكتسب أهمية أيضًا لدورها في تنظيم التربتوفان داخل الخلية، وهو ما يترتب عليه آثار فسيولوجية عديدة. ^{[ 11 ]} ويُعتقد أن الارتباط الأولي للركيزة مع ثنائي الأكسجين-الحديد في الموقع النشط للإنزيم يتم إما عبر إضافة جذرية أو إضافة إلكتروفيلية، ويتطلب ذلك إما الحديدوز أو الحديديك، على التوالي. ^{[ 9 ]} على الرغم من أن آلية التفاعل الدقيقة للإنزيمات ثنائية الأكسجين المعتمدة على الهيم لا تزال محل نقاش، يُفترض أن التفاعل يتم إما عبر آلية الديوكسيتان أو آلية كريجي (الشكلان 4 و5). ^{[ 9 ] [ 11 ]}

الشكل 4. آلية إعادة ترتيب كريجي المحتملة بواسطة TDO/IDO

الشكل 5. آلية الديوكسيتان المحتملة بواسطة TDO/IDO

على الرغم من أن الحديد هو العامل المساعد الأكثر شيوعًا في عملية الأكسدة الثنائية الأنزيمية، إلا أنه ليس ضروريًا لجميع إنزيمات الأكسدة الثنائية للتحفيز. يحفز إنزيم كيرسيتين 2،3-ديوكسيجيناز (كيرسيتيناز، QueD) الانشطار الثنائي الأكسجيني للكيرسيتين إلى حمض 2-بروتوكاتيكويل فلوروغلوسينول كاربوكسيليك وأول أكسيد الكربون . ^{[ 12 ]} يتطلب الإنزيم الأكثر دراسة، والمستخلص من فطر Aspergillus japonicus ، وجود النحاس ، ^{[ 4 ]} وقد تم اكتشاف إنزيمات كيرسيتيناز بكتيرية ذات متطلبات متنوعة (تكيفية) ^{[ 13 ]} فيما يتعلق بالمركز المعدني، حيث تم الإبلاغ عن درجات متفاوتة من النشاط عند استبداله بالمنغنيز ثنائي التكافؤ ، والكوبالت ، والحديد، والنيكل ، والنحاس. ^{[ 12 ]} (الكيرسيتين، دوره في الأيض). يوجد إنزيم أسيريدوكتون (1،2-ثنائي هيدروكسي-5-(ميثيل ثيو)بنت-1-إين-3-ون) ديوكسيجيناز (ARD) في كل من بدائيات النوى وحقيقيات النوى . ^{[ 4 ] [ 12 ] [ 14 ]} ترتبط إنزيمات ARD من معظم الأنواع بالحديدوز وتحفز أكسدة الأسيريدوكتون إلى 4-(ميثيل ثيو)-2-أوكسوبوتانوات، وهو حمض ألفا كيتو للميثيونين ، وحمض الفورميك . مع ذلك، يحفز إنزيم ARD من بكتيريا كليبسيلا أوكسيتوكا تفاعلًا إضافيًا عند ارتباطه بالنيكل (II): إذ ينتج بدلًا من ذلك 3-(ميثيل ثيو)بروبيونات، وفورمات، وأول أكسيد الكربون من تفاعل الأسيريدوكتون مع الأكسجين. يرتبط نشاط Fe-ARD ارتباطًا وثيقًا بمسار إنقاذ الميثيونين، حيث يتم تحويل منتج ميثيل ثيوأدينوزين لتفاعلات S-أدينوزيل ميثيونين الخلوية (SAM) في النهاية إلى أسيريدوكتون.

على الرغم من أن الدور الدقيق لإنزيم Ni-ARD غير معروف، يُشتبه في أنه يُساعد في تنظيم مستويات الميثيونين من خلال العمل كقناة تحويل في مسار إعادة التدوير. يُمثل هذا الإنزيم من بكتيريا Klebsiella oxytoca مثالًا فريدًا حيث يُحدد أيون المعدن الموجود التفاعل الذي يتم تحفيزه. تنتمي إنزيمات الكيرسيتينيز وإنزيمات ARD إلى عائلة الكوبين الفائقة ، التي تنتمي إليها أيضًا إنزيمات الحديد أحادية النواة. ^{[ 15 ]} يكون مخطط تنسيق المعدن لإنزيمات QueD إما 3-His أو 3-His-1-Glu، ويختلف الترتيب الدقيق باختلاف الكائن الحي. ^{[ 4 ]} ترتبط جميع إنزيمات ARD بالمعدن المحفز (إما Ni أو Fe) من خلال وحدة 3-His-1-Glu. ^{[ 15 ]} في هذه الإنزيمات ثنائية الأكسجين، يتم توفير الروابط المنسقة بواسطة كلتا وحدتي الكوبين النموذجيتين. في إنزيمات ARD، يوجد المعدن في ترتيب ثماني السطوح، حيث تشكل بقايا الهيستيدين الثلاثة ثلاثية وجهية. ^{[ 14 ]} عادةً ما تمتلك المراكز المعدنية للكيرسيتيناز البكتيري بيئة تنسيق ثنائية الهرم المثلثي أو ثمانية السطوح عند وجود أربعة روابط بروتينية؛ أما المراكز المعدنية لإنزيمات QueD المعتمدة على النحاس فتمتلك هندسة رباعية السطوح مشوهة، حيث توفر بقايا الهيستيدين الثلاثة المحفوظة فقط روابط التنسيق. ^{[ 4 ] [ 12 ]} تشغل روابط الماء مواقع التنسيق الفارغة في جميع المراكز المعدنية حتى يتم إزاحتها بواسطة الركيزة الداخلة.

تشير قدرة هذه الإنزيمات ثنائية الأكسجين على الحفاظ على نشاطها في وجود عوامل مساعدة معدنية أخرى ذات نطاقات واسعة من جهود الأكسدة والاختزال إلى أن المركز المعدني لا يلعب دورًا فعالًا في تنشيط الأكسجين الجزيئي. بل يُعتقد أن وظيفة المركز المعدني هي تثبيت الركيزة في التكوين الهندسي المناسب لتفاعلها مع الأكسجين الجزيئي. وفي هذا الصدد، تُشبه هذه الإنزيمات إنزيمات ثنائي الأكسجين الكاتيكولية داخل الحلقة ، حيث تُنشط المراكز المعدنية الركيزة للتفاعل اللاحق مع الأكسجين الجزيئي.

تُعدّ ثنائيات الأكسجين التي تحفز التفاعلات دون الحاجة إلى عامل مساعد أكثر ندرة في الطبيعة من تلك التي تتطلبه. وقد ثبت أن اثنين من ثنائيات الأكسجين، وهما 1H-3-هيدروكسي-4-أوكسو-كينولين 2،4-ثنائي الأكسجين (QDO) و 1H-3-هيدروكسي-4-أوكسوكوينالدين 2،4-ثنائي الأكسجين (HDO)، لا يتطلبان أي عامل مساعد عضوي أو معدني. ^{[ 16 ]} تحفز هذه الإنزيمات تحلل مركبات الكينولون الحلقية غير المتجانسة بطريقة مشابهة لثنائي أوكسيجيناز الكيرسيتين ، ولكن يُعتقد أنها تتوسط تفاعلًا جذريًا لجزيء ثنائي الأكسجين مع أيون الكربون على الركيزة (الشكل 5). ^{[ 17 ]} ينتمي كل من HDO وQDO إلى عائلة إنزيمات الهيدرولاز α/β الفائقة، على الرغم من أن البقايا التحفيزية في HDO وQDO لا يبدو أنها تؤدي نفس الوظيفة التي تؤديها في بقية الإنزيمات في عائلة إنزيمات الهيدرولاز α/β الفائقة. ^{[ 16 ]}

التنوع في عائلة ثنائي الأكسيجيناز يعني نطاقًا واسعًا من الأدوار البيولوجية:

• يُساعد إنزيم تريبتوفان 2،3-ديوكسيجيناز (TDO) في تنظيم مستوى التربتوفان في الجسم، ويُعبر عنه في العديد من الأورام البشرية. ^{[ 18 ]} كما أن إنزيم ديوكسيجيناز IDO، وهو إنزيم آخر يعتمد على الحديد في الهيم، له أهمية في صحة الإنسان، إذ يعمل في الاستجابات الالتهابية في سياق بعض الأمراض. ^{[ 19 ]} يؤثر إنزيم IDO على كلٍ من التربتوفان والكينورينين ، وقد رُبط بالاكتئاب لدى البشر. ^{[ 20 ]}
• داء الألكابتونوريا هو مرض وراثي ينتج عنه نقص في إنزيم هوموجنتيسات 1،2-ديوكسيجيناز ، المسؤول عن تحفيز تكوين 4-ماليل أسيتو أسيتات من الهوموجنتيسات . ^{[ 21 ]} يمكن أن يؤدي تراكم حمض الهوموجنتيسيك إلى تلف صمامات القلب، وحصى الكلى، وتلف الغضاريف في الجسم. ^{[ 22 ]}
• يُعدّ التنكس العصبي المرتبط بكيناز البانتوثينات (PKAN) اضطرابًا وراثيًا متنحيًا يُؤدي إلى تكوّن حبيبات الحديد وأجسام ليوي في الخلايا العصبية . وقد أظهرت دراسة أن المرضى المُشخّصين بـ PKAN لديهم مستويات مرتفعة من السيستين في الكرة الشاحبة نتيجةً لنقص إنزيم ديوكسيجيناز السيستين . ^{[ 23 ]} غالبًا ما يُصاب مرضى PKAN بأعراض الخرف ، وكثيرًا ما يتوفون في سن مبكرة من البلوغ.
• في عملية إصلاح الحمض النووي، يعمل إنزيم ديوكسيجيناز AlkB المعتمد على الحديد الثنائي/2-أوكسوغلوتارات على إزالة تلف الألكلة في الحمض النووي عن طريق الأكسدة. وقد يؤدي عدم إزالة هذا التلف إلى سمية خلوية أو طفرات أثناء تضاعف الحمض النووي.
• تُعدّ إنزيمات الأكسدة الحلقية (COX)، المسؤولة عن تكوين البروستانويدات في جسم الإنسان، هدفًا للعديد من مسكنات الألم غير الستيرويدية المضادة للالتهابات . ^{[ 10 ]} يؤدي تثبيط إنزيمات الأكسدة الحلقية إلى تقليل الالتهاب وله تأثير مسكن للألم نتيجة لانخفاض مستوى تخليق البروستاجلاندين والثرومبوكسان.