MORE COMPLEX COFACTORS: MoCo, FeMoC

MORE COMPLEX COFACTORS: MoCo, FeMoCo, P-CLUSTERS,
H-CLUSTERS AND CuZ
Our understanding of metal incorporation into metalloporphyrins and Fe–S clusters has
advanced greatly in recent years. These are cofactors, which are widely distributed in
great many metalloproteins. However, it has also become apparent that there are a growing
number of more complex cofactors with a more specific distribution. The transition
metal molybdenum (Mo) is found as an essential part of the active site in a wide range of
metalloenzymes in bacteria, fungi, algae, plants and animals. However, the metal itself is
biologically inactive unless it is incorporated into a special MoCo. In all organisms studied
to date, MoCo is synthesized by a highly conserved biosynthetic pathway that can be
divided into four steps (Figure 3.10). The six enzyme activities involved in MoCo biosynthesis
(and their corresponding genes) have been identified in plants, fungi and humans,
and are homologous to their counterparts in bacteria. The human genes are indicated in
the figure. In the first step of molybdenum cofactor synthesis MOCS1A and MOCS1B
catalyse the circularization of guanosine triphosphate (GTP) to precursor Z. Three
enzymes MOCS2A, MOCS2B and MOCS3 are then responsible for the formation of the
dithiolene group. The final steps of the pathway, transfer and insertion of Mo into MTP
are catalysed by the individual domains, Geph-G and Geph-E of a two-domain protein
called gephyrin5 in mammals. Since MoCo is labile and oxygen sensitive, it comes as no
surprise that in order to buffer the cellular supply and demand of MoCo, all cells contain
an MoCo carrier protein that binds the cofactor, and protects it from oxidation. It is not
known how MoCo is inserted into Mo enzymes, but for some bacterial Mo enzymes, specific
chaperones are required for MoCo insertion and protein folding.
Nitrogen fixation is carried out by a small number of microorganisms, called diazotrophs,
some of which (of the genus Rhizobium) function symbiotically in the root nodules of
nitrogen-fixing legumes (such as peas, clover). The reduction of the triple bond of dinitrogen
to ammonia is carried by nitrogenases, which are typically composed of two proteins,
the Fe-protein, which contains one [4Fe–4S] cluster and two ATP binding sites, and the
MoFe-protein, which contains both Fe and Mo. The MoFe protein contains two complex
metallo-clusters. Both clusters contain eight metal ions. The P-cluster (Figure 3.11a,b) can
be considered as two [4Fe–3S] clusters linked by a central sulfide ion which, in the
reduced form (a) of the cluster, forms the eighth corner of each of the two cubane-like
structure, coordinated to two iron atoms of each [4Fe–3S] unit. Two cysteine thiols
serve as bridging ligands, each coordinating one Fe atom from each cluster—these are thesame four Fe atoms that are also coordinated to the central sulfide ion. In the two-electron
oxidized cluster (b), two of the Fe atoms that were bridged to the central sulfide have
moved away from it, leaving it tetracoordinate. The two Fe atoms in question remain fourcoordinate,
through coordination to the amide nitrogen of Cys 87_ and the side-chain
hydroxyl of Ser 186_. The FeMo-cofactor (Figure 3.11c) consists of a [4Fe–3S] cluster
and a [1Mo–3Fe–3S] cluster, bridged by three sulfide ions, such that its overall inorganiccomposition is [1Mo–7Fe–9S]. The cofactor is bound to the protein by one Cys and one
His residue at either end of the structure, and the Mo ion is coordinated approximately
octahedrally by three sulfide ions from the cofactor itself, the terminal imidazole nitrogen
of the histidine residue of the protein and two oxygens from a molecule of the unusual tricarboxylic
acid homocitrate, which is an essential component of the cofactor. The complexity
of the enzyme systems required to synthesize both the P-cluster and the FeMoCo
cluster, together with the proteins required for their insertion into functionally active nitrogenase,
have combined to render the biotechnological dreams of cloning nitrogen fixation
into other crop plants an illusion.
Yet another organic cofactor of extraordinary complexity is represented by the H-cluster
of microbial hydrogenases. In this case, an unusual coordination of cyanide and carbon
monoxide ligands to a metal centre was found, notably by spectroscopic methods, since
the electron density of carbon, nitrogen and oxygen cannot easily be differentiated by
X-ray crystallography. This is illustrated in Figure 3.12 for the Fe-only hydrogenase from
Desulfovibrio desulfuricans. The two active site Fe atoms are each coordinated by one CO
and one CN ligand and are bridged by an unusual organic 1,3-dithiolate ligand. The Fe
atom designated FeP is bound to the protein by a cysteine residue, which is itself bridged
to a 4Fe–4S cluster. The other, FeD has a second CO ligand bound in the reduced form,
which changes to become a bridging ligand upon oxidation. The nature of the bridgehead
atom (C, N or O) in the 1,3-dithiolate ligand could not be determined unequivocally from
the X-ray data, and is therefore shown as X in the figure.Finally in this gallery of extraordinary ligands, we have the CuZ cluster of nitrous oxide
reductase. This enzyme is found in denitrifying bacteria where it catalyses the final step in
the nitrogen cycle, the reduction of nitrous oxide (N2O) to dinitrogen, thereby returning
fixed nitrogen to the atmosphere. Nitrous oxide reductase contains two types of copper
centres, CuA and CuZ. The CuA centre (which is described in Chapter 14) serves as an
electron-transfer centre, while the CuZ centre is associated with the active site of nitrous
oxide reduction. The CuZ site comprises four copper ions arranged in a tetranuclear cluster
bound to a central sulfide (Figure 3.13) with a bridging oxygen ligand (not shown)
assigned between Cu1 and Cu4. Seven histidine residues complete the coordination of the
cluster, three of the Cu atoms bound to two His residues while Cu4 is liganded by a single
His ligand. It has been suggested that Cu4 is the binding site for N2O, since it has only one His
ligand and coordinates the bridging oxygen species. In addition to the structural gene for
the N2O reductase protein, a number of other gene products are required for cofactor
assembly and insertion, which have been well characterized.

Results (Vietnamese) 1:

Phức tạp hơn COFACTORS: MoCo, FeMoCo, P-cụm,H-cụm và CuZChúng tôi hiểu các kết hợp kim loại vào metalloporphyrins và Fe-S cụm cónâng cao rất nhiều trong những năm qua. Đây là cofactors, được phân bố rộng trongrất nhiều metalloproteins. Tuy nhiên, nó cũng đã trở nên rõ ràng rằng đó là một ngày càng tăngsố phức tạp hơn cofactors với một phân phối cụ thể hơn. Quá trình chuyển đổikim loại molypden (Mo) được tìm thấy như là một phần thiết yếu của trang web đang hoạt động trong một phạm vi rộng củametalloenzymes trong vi khuẩn, nấm, tảo, thực vật và động vật. Tuy nhiên, kim loại riêng của mình làsinh học không hoạt động trừ khi nó được kết hợp vào một MoCo đặc biệt. Trong tất cả các sinh vật họcđến nay, MoCo được tổng hợp bởi một con đường rất bảo tồn viêm có thểchia thành bốn bước (hình 3,10). Các hoạt động sáu enzym tham gia vào MoCo sinh tổng hợp(và gen tương ứng của họ) đã được xác định trong thực vật, nấm và con người,và tương đồng với đối tác của họ trong vi khuẩn. Các gen của con người được chỉ định trongCác con số. Trong bước đầu tiên của molypden cofactor tổng hợp MOCS1A và MOCS1Bcatalyse circularization guanosine triphosphate (GTP) để tiền thân của Z. baenzym MOCS2A, MOCS2B và MOCS3 được sau đó chịu trách nhiệm cho sự hình thành của cácdithiolene nhóm. Bước cuối cùng của con đường, chuyển giao và chèn các Mo vào MTPđược phản bởi các lĩnh vực cá nhân, Geph-G và Geph-E của một protein hai tên miềnđược gọi là gephyrin5 trong động vật có vú. Kể từ khi MoCo là labile và oxy nhạy cảm, nó đến như không cóbất ngờ rằng để đệm di động của MoCo của cung và cầu, tất cả các tế bào chứamột MoCo tàu sân bay protein liên kết với cofactor, và bảo vệ nó khỏi quá trình oxy hóa. Nó không phải làđược biết đến như thế nào MoCo được đưa vào Mo enzym, nhưng đối với một số enzyme Mo vi khuẩn, cụ thểchaperones được yêu cầu cho MoCo chèn và protein gấp.Sự cố định nitơ được thực hiện bởi một số ít các vi sinh vật, được gọi là diazotrophs,một số trong đó (thuộc chi Rhizobium) chức năng symbiotically trong nốt gốc củaSửa chữa nitơ đậu (chẳng hạn như đậu Hà Lan, cỏ ba lá). Việc giảm sự liên kết ba của Đinitơđể amoniac được thực hiện bởi nitrogenases, mà thường được tạo thành hai protein,Fe-protein, có chứa một [4Fe-4S] cụm và hai ATP liên kết trang web, và cácMoFe-protein, mà chứa cả Fe và Mo. MoFe protein chứa hai phức tạpmetallo-cụm. Cả hai cụm chứa tám ion kim loại. P-cụm (con số 3.11a, b) có thểđược coi là hai cụm [4Fe-3] liên kết bởi một ion Trung sulfua đó, trong cácgiảm hình thức (a) của cụm, các hình thức góc thứ tám của mỗi hai giống như cubanecấu trúc, phối hợp để hai nguyên tử sắt của mỗi đơn vị [4Fe-3]. Hai cysteine thiolphục vụ như là cầu nối giữa ligand, mỗi phối hợp 1 Fe nguyên tử từ mỗi nhóm — đây là các nguyên tử bốn Fe tương tự cũng được phối hợp để ion Trung sulfua. Trong hai-điện tửoxidized cluster (b), two of the Fe atoms that were bridged to the central sulfide havemoved away from it, leaving it tetracoordinate. The two Fe atoms in question remain fourcoordinate,through coordination to the amide nitrogen of Cys 87_ and the side-chainhydroxyl of Ser 186_. The FeMo-cofactor (Figure 3.11c) consists of a [4Fe–3S] clusterand a [1Mo–3Fe–3S] cluster, bridged by three sulfide ions, such that its overall inorganiccomposition is [1Mo–7Fe–9S]. The cofactor is bound to the protein by one Cys and oneHis residue at either end of the structure, and the Mo ion is coordinated approximatelyoctahedrally by three sulfide ions from the cofactor itself, the terminal imidazole nitrogenof the histidine residue of the protein and two oxygens from a molecule of the unusual tricarboxylicacid homocitrate, which is an essential component of the cofactor. The complexityof the enzyme systems required to synthesize both the P-cluster and the FeMoCocluster, together with the proteins required for their insertion into functionally active nitrogenase,have combined to render the biotechnological dreams of cloning nitrogen fixationinto other crop plants an illusion.Yet another organic cofactor of extraordinary complexity is represented by the H-clusterof microbial hydrogenases. In this case, an unusual coordination of cyanide and carbonmonoxide ligands to a metal centre was found, notably by spectroscopic methods, sincethe electron density of carbon, nitrogen and oxygen cannot easily be differentiated byX-ray crystallography. This is illustrated in Figure 3.12 for the Fe-only hydrogenase fromDesulfovibrio desulfuricans. The two active site Fe atoms are each coordinated by one COand one CN ligand and are bridged by an unusual organic 1,3-dithiolate ligand. The Featom designated FeP is bound to the protein by a cysteine residue, which is itself bridgedto a 4Fe–4S cluster. The other, FeD has a second CO ligand bound in the reduced form,which changes to become a bridging ligand upon oxidation. The nature of the bridgeheadatom (C, N or O) in the 1,3-dithiolate ligand could not be determined unequivocally fromthe X-ray data, and is therefore shown as X in the figure.Finally in this gallery of extraordinary ligands, we have the CuZ cluster of nitrous oxidereductase. This enzyme is found in denitrifying bacteria where it catalyses the final step inthe nitrogen cycle, the reduction of nitrous oxide (N2O) to dinitrogen, thereby returningfixed nitrogen to the atmosphere. Nitrous oxide reductase contains two types of coppercentres, CuA and CuZ. The CuA centre (which is described in Chapter 14) serves as anelectron-transfer centre, while the CuZ centre is associated with the active site of nitrousoxide reduction. The CuZ site comprises four copper ions arranged in a tetranuclear clusterbound to a central sulfide (Figure 3.13) with a bridging oxygen ligand (not shown)assigned between Cu1 and Cu4. Seven histidine residues complete the coordination of thecluster, three of the Cu atoms bound to two His residues while Cu4 is liganded by a singleHis ligand. It has been suggested that Cu4 is the binding site for N2O, since it has only one Hisligand and coordinates the bridging oxygen species. In addition to the structural gene forthe N2O reductase protein, a number of other gene products are required for cofactorassembly and insertion, which have been well characterized.

Results (Vietnamese) 2:

Cofactors THÊM COMPLEX: Moco, FeMoCo, P-CỤM,
H-CỤM Cuz
sự hiểu biết của chúng tôi thành lập công ty kim loại vào metalloporphyrins và Fe-S cụm đã
tiến rất nhiều trong những năm gần đây. Đây là những yếu tố then, được phân phối rộng rãi trong
nhiều metalloproteins tuyệt vời. Tuy nhiên, nó cũng đã trở nên rõ ràng rằng có một phát triển
số lượng nhiều hơn yếu tố then phức tạp với một phân phối cụ thể hơn. Việc chuyển đổi
molypden kim loại (Mo) được tìm thấy như là một phần thiết yếu của các trang web đang hoạt động trong một phạm vi rộng của
metalloenzymes trong vi khuẩn, nấm, tảo, thực vật và động vật. Tuy nhiên, các kim loại chính là
hoạt tính sinh học, trừ khi nó được kết hợp vào một Moco đặc biệt. Trong tất cả các sinh vật được nghiên cứu
cho đến nay, Moco được tổng hợp bằng con đường tổng hợp sinh học bảo tồn cao có thể được
chia thành bốn bước (Hình 3.10). Sáu hoạt động enzyme liên quan đến Moco sinh tổng hợp
(và các gen tương ứng của họ) đã được xác định trong thực vật, nấm và con người,
và là tương đồng với các đối tác của họ ở vi khuẩn. Các gen của con người được chỉ ra trong
hình vẽ. Trong bước đầu tiên của molypden đồng yếu tố tổng hợp MOCS1A và MOCS1B
xúc tác của guanosine triphosphate circularization (GTP) để tiền chất Z. Ba
enzyme MOCS2A, MOCS2B và MOCS3 là sau đó chịu trách nhiệm cho sự hình thành của các
nhóm dithiolene. Bước cuối cùng của con đường, chuyển giao và chèn của Mo vào MTP
được xúc tác bởi các lĩnh vực cá nhân, Geph-G và Geph-E của một protein hai miền
được gọi là gephyrin5 ở động vật có vú. Kể từ Moco là không ổn định và hàm lượng oxy, nó đến như không có
gì ngạc nhiên khi để đệm các nguồn cung cấp tế bào và nhu cầu của Moco, tất cả các tế bào có chứa
một protein vận chuyển Moco mà liên kết với các đồng yếu tố, và bảo vệ nó khỏi quá trình oxy hóa. Nó không
biết làm thế nào Moco được chèn vào các enzym Mo, nhưng đối với một số enzyme Mo vi khuẩn, cụ thể
giám sát đi kèm được yêu cầu cho Moco chèn và gấp protein.
Nitơ cố định được thực hiện bởi một số lượng nhỏ các vi sinh vật, được gọi là diazotrophs,
một số trong đó (của chi Rhizobium) chức năng cộng sinh trong các nốt sần rễ
cây họ đậu cố định đạm (như đậu Hà Lan, cỏ ba lá). Việc giảm các liên kết ba của đinitơ
amoniac được thực hiện bởi nitrogenases, mà thường được gồm hai loại protein,
Fe-protein, trong đó có một [4Fe-4S] cụm và hai điểm ATP ràng buộc, và
MoFe-protein, mà chứa cả Fe và Mo. Các protein MoFe chứa hai phức tạp
metallo-cụm. Cả hai cụm chứa tám ion kim loại. P-cluster (hình 3.11a, b) có thể
được coi là hai [4Fe-3S] cụm liên kết bởi một ion sulfide trung tâm đó, trong các
hình thức giảm (a) của các cụm, tạo thành góc thứ tám của mỗi người trong hai cubane giống như
cấu trúc, phối hợp với hai nguyên tử sắt của mỗi [4Fe-3S] đơn vị. Hai thiol cysteine
​​phục vụ như cầu nối, phối tử phối hợp mỗi một nguyên tử Fe từ mỗi cụm này là thesame bốn nguyên tử Fe cũng được phối hợp với các ion sulfide trung ương. Trong hai electron
bị oxy hóa cluster (b), hai trong số các nguyên tử Fe đã được bắc cầu với sulfide trung tâm đã
chuyển đi từ nó, để lại nó tetracoordinate. Hai nguyên tử Fe trong câu hỏi vẫn fourcoordinate,
thông qua sự phối hợp với nitơ amide của Cys 87_ và phụ chuỗi
hydroxyl của Ser 186_. Các FeMo-cofactor (Hình 3.11c) bao gồm một [4Fe-3S] cụm
và một [1Mo-3Fe-3S] cluster, cầu nối bởi ba ion sulfide, như vậy mà inorganiccomposition tổng thể của nó là [1Mo-7Fe-9]. Các cofactor được gắn với protein của một Cys và một
dư lượng của ông ở hai đầu của kết cấu, và các ion Mo được điều phối khoảng
octahedrally bởi ba ion sulfide từ đồng yếu tố chính nó, imidazole nitơ thiết bị đầu cuối
của dư lượng histidine của protein và hai oxy từ một phân tử của các bất thường tricarboxylic
axit homocitrate, mà là một thành phần thiết yếu của các đồng yếu tố. Sự phức tạp
của các hệ thống enzyme cần thiết để tổng hợp cả hai P-cụm và FeMoCo
cluster, cùng với các protein cần thiết cho chèn mình vào nitrogenase chức năng hoạt động,
đã kết hợp để làm cho những giấc mơ công nghệ sinh học của nhân bản cố định đạm
vào cây trồng khác là một ảo tưởng.
Tuy nhiên, một cofactor hữu cơ phức tạp khác thường được biểu diễn bởi H-cluster
của hydrogenases vi sinh vật. Trong trường hợp này, một sự phối hợp bất thường của cyanide và carbon
monoxide ligand đến một trung tâm kim loại đã được tìm thấy, đặc biệt là bằng phương pháp quang phổ, vì
mật độ electron của cacbon, nitơ và oxy có thể không dễ dàng được phân biệt bằng
X-quang tinh thể. Điều này được minh họa trong hình 3.12 cho Fe-chỉ hydrogenase từ
Desulfovibrio desulfuricans. Hai trang web đang hoạt động nguyên tử Fe được mỗi điều phối bởi một CO
và một CN ligand và sẽ được kết nối bởi một ligand hữu cơ 1,3-dithiolate bất thường. Các Fe
nguyên tử được FEP được gắn với protein của một dư lượng cysteine, mà là chính nó nối
đến một cụm 4Fe-4S. Các khác, Fed có ligand CO thứ hai bị ràng buộc trong các hình thức giảm,
trong đó thay đổi để trở thành một cầu nối ligand vào quá trình oxy hóa. Bản chất của các đầu cầu
nguyên tử (C, N hoặc O) trong các ligand 1,3-dithiolate không thể xác định được một cách rõ ràng từ
các dữ liệu X-ray, và do đó được thể hiện như X trong figure.Finally trong bộ sưu tập này của các phối tử phi thường , chúng tôi có các Cuz cụm nitrous oxide
reductase. Enzyme này được tìm thấy trong vi khuẩn khử Nitơ nơi mà nó xúc tác làm cho bước cuối cùng trong
chu trình nitơ, việc giảm nitrous oxide (N2O) để đinitơ, qua đó trở về
nitơ cố định vào khí quyển. Nitrous oxide reductase có chứa hai loại đồng
trung tâm, cửa và Cuz. Các trung tâm cua (được mô tả trong Chương 14) phục vụ như là một
trung tâm điện tử-chuyển giao, trong khi trung tâm Cuz được liên kết với các trang web đang hoạt động của nitơ
giảm oxit. Các trang web Cuz bao gồm bốn ion đồng bố trí trong một cụm tetranuclear
ràng buộc với một sulfide trung tâm (Hình 3.13) với một ligand bắc cầu oxy (không hiển thị)
giao giữa Cu1 và Cu4. Bảy dư lượng histidine hoàn chỉnh sự phối hợp của các
cụm, ba trong số các nguyên tử Cu bị ràng buộc vào hai dư lượng của ông trong khi Cu4 được liganded bởi một đơn
phối tử của Ngài. Nó đã được gợi ý rằng Cu4 là vị trí gắn cho N2O, vì nó chỉ có một ông
ligand và điều phối các loài ôxy bắc cầu. Ngoài các gen cấu trúc cho
các protein reductase N2O, một số sản phẩm gen khác được yêu cầu cho cofactor
lắp ráp và chèn vào, đã được mô tả tốt.