Biogeociclos: Uma visão molecular das enzimas e dos mecanismos

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Biogeociclos: Uma visão molecular das
enzimas e dos mecanismos envolvidos
nos ciclos dos elementos - Parte II
CARLA CA RNEIRO
Parte 2: Biogeociclo do Enxofre
Título corrente: Biogeociclos dos ele-
resultam, muitas delas, da análise estru-
vel e não reactivo, pelo que tem que ser
activado antes de ser novamente utiliza-
O artigo é dividido em 3 partes:
Palavras chave: Ciclos dos elementos,
1 - Biogeociclo do AZOTO
Nota prévia
E JOSÉ J. G. MOUR A
tural.
mentos
Azoto, Enxofre, Carbono, Hidrogénio
1
do, via adenilação, num processo que
requer ATP. O passo de activação envolve a transferência da porção adenosina
5-fosforilo da molécula de ATP para o
2- Biogeociclo do ENXOFRE
sulfato, formando um intermediário acti-
3- Biogeociclo do CARBONO e HIDRO-
vado, a adenosina 5'-fosfosulfato (APS),
GÉNIO
de acordo com a equação:
A circulação dos elementos químicos no
planeta é um processo complexo com
muitas e variadas vertentes. Os vários
ciclos elementares são muito mais do
que simples reacções químicas. São em
pa rt e biológicos e em parte geoquími-
MgATP + SO 4 2 MgPP, + APS
2. 0 Ciclo do enxofre
2.1. Introdução
Na natureza, os compostos de azoto e
Na maioria dos organismos o intermediário APS é conve rt ido no intermediário
adenosina 3'-fosfato 5'-fosfosulfato
de enxofre são continuamente sintetiza-
(PAPS), de acordo com a seguinte equa-
cos, pois envolvem a participação de
dos, degradados e conve rt idos noutras
ção:
microrganismos e estão associados a
formas. O metabolismo destes compos-
grupos de elementos metálicos. Uma
tos tem muito em comum, pois ambos
variedade de enzimas e múltiplos trans-
os elementos podem ser utilizados pelos
portadores electrónicos (que com estas
microrganismos em vários estados de
1), são compostos com elevado poten-
interactuam) asseguram a catálise,
valência, desde estados mais reduzidos
cial de transferência do grupo sulfato,
MgATP + APS -sMgADP + PAPS
Ambas as formas, APS e PAPS (figura
passo a passo, por formação de inter-
(amónia/sulfureto de hidrogénio) a esta-
devido à ligação anidrido mista ácido
mediários chave.
dos mais oxidados (nitrato/sulfato). As
fosfórico-ácido sulfúrico, e disponibili-
formas reduzidas (NH 3 e NO 2 ] H 2 S e S)
zam assim o sulfato para posteriores
podem ser utilizadas como doadores
reacções de transferência e redução.
electrónicos na formação aeróbica de
importância da PAPS, como doador de
energia e na fixação de dióxido de car-
grupos sulfidrilo na biossíntese de éste-
Conforme se indicou na Pa rt e I desta
série de artigos, é objectivo rever
aspectos estruturais dos enzimas envolvidos nos ciclos dos elementos. Os ci-
A
bono no escuro. As formas oxidadas
res sulfurados, é análoga ao da ATP
(NO 3 , NO 2 - /SO 4 2- , S0 3 2 ) servem como
(doador de grupos fosfato) na biossínte-
aceitadores electrónicos na respiração
se de ésteres fosfatados (Moura et al.,
anaeróbia (Schlegel, 1981).
2002).
da estrutura tridimensional do biocatali-
O sulfato, resultante da oxidação de S 2- ,
O ciclo do enxofre (figura 2) evidencia a
sador envolvido. Mais ainda, são apre-
S ou S 2 0 32 , é facilmente assimilável pela
interconversão do enxofre inorgânico
sentadas hipóteses mecanísticas que
maioria dos organismos, contudo é está-
nos vários estados de oxidação. A redu-
clos não são apresentados de modo
exaustivo, mas procura-se pôr em evidência as partes dos ciclos para os
quais há um conhecimento detalhado
REQUIMTE, Depa rtamento de Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, 2829-516 Monte de Caparica, Portugal
Morada: Professor José J. G. Moura, Departamento de Química, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade Nova de Lisboa, Quinta da
Torre, 2829 - 516 Monte de Caparica, Po rt ugal. Tel: +351-21-2948382, Fax: +351-21-2948550, e-mail: jose.moura©dq.fct.unl.pt ,
www.dq.fct.unl.pt/bioin/
1
Morada presente: Depa rt amento de Sistemas e Informática, Escola Superior de Tecnologia, Instututo Politécnico de Setúbal, Rua Vale de Cha-
ves, Estefanilha, 2910-761 Setúbal
48 I
QUÍMICA
sultantes da decomposição anaeróbica
NH 2
o O
N
N
da matéria orgânica, são libertados
O CHfo-P- O-S-OH
OH O
como sulfito. O sulfito formado pode
então ser oxidado a sulfato; dos vários
HO OH
organismos que efectuam esta oxidação, apenas as bactérias quimiossintéti-
Nkip
O O
cas acoplam a energia libe rt ada à redu-
C -11-04- OH
O
N
'
figura 1 Estrutura dos intermediários
formados na activação do sulfato, via
adenilação, adenosina 5'-fosfosulfato (APS) e
adenosina 3'-fosfato 5'-fosfosulfato (PAPS).
OH
O
ção do dióxido de carbono (Schiff e
HO O
Frankhauser, 1981; Schlegel, 1981;
HO -P=0
OH
Lampreia etal., 1994).
2.2. Caracterização molecular de
ção assimilativa do sulfato a sulfureto é
seis electrões, ou, alternativamente, a
essencial na síntese de aminoácidos,
redução decorre em três passos, com
enzimas envolvidas no ciclo do
enxofre
proteínas e outros compostos sulfurados
formação de tritionato (S 3 0 62- ) e tiosulfa-
2.2.1. Sulfurilase da adenosina
(ácido lipoíco, tiamina, biotina, coenzi-
to (S 2 0 3 2- ), num processo denominado
trifosfato (ATPS) (passo 1)
ma A) e envolve a formação dos inter-
desulfuricação (respiração anaeróbia do
mediários APS (passo 1) ou PAPS (passo
sulfato) (Schlegel, 1981; Lampreia et
2). A via APS é comum aos organismos
al., 1994; Stroupe e Getzoff, 2001;
que realizam uma fotossíntese oxigénica
Moura et al., 2002). Contrariamente às
(cianobactérias, algas e plantas), en-
bactérias desnitrificantes, os organis-
quanto a via PAPS é utilizada por orga-
mos desulfuricantes, ana eróbios estri-
nismos que realizam uma fotossíntese
tos com um metabolismo fermentativo,
anoxigénica (bactérias como Escheri-
são incapazes de oxidar substratos or-
A sulfurilase da adenosina trifosfato
(ATPS) catalisa o primeiro passo para
assimilação do sulfato, de acordo com a
seguinte equação:
MgATP + SO 4 2- —>MgPP ; + APS
Esta família de enzimas, isolada de uma
variedade de organismos e com uma
chia (E.) coli e fermentos). A redução
gânicos (lactato) a CO 2 e H 2 0, devido à
dissimilativa é semelhante mas envolve
falta dum ciclo cio ácido cítrico (CAC)
apenas a formação do intermediário
completo, pelo que excretam acetato
APS, que é reduzido a sulfito (MacRae
(Schlegel, 1981; Lampreia et al., 1994;
et al., 2001, Moura et al., 2002).
Stroupe e Getzoff, 2001).
O sulfito pode ser directamente reduzi-
Desulfuração é o processo de minerali-
outras ATPS, das quais não existe refe-
do a sulfureto, um processo envolvendo
zação no qual
os grupos mercapto, re-
rência relativa à presença de metais, as
distribuição ubíqua, é consideravelmente heterogénea no que diz respeito à sequência de aminoácidos, massa molecular e organização das subunidades
(Gavel et al., 1998). Contrariamente a
SO 4 2Redução assimilativa/
dissimilativa
1
5
Sorg
<
> S^^ <
4
^
3
> S0 3 2 <
> APS
2
PAPS
Desulfuração
S,03 2S2062
figura 2 Ciclo biogeoquímico do enxofre. A redução assimilativa do sulfato (50 42 ) a sulfito (50 3 2 ) envolve a acção conjunta da ATPS (passo 1) e da
cinase da APS (passo 2). 0 sulfito formado por catálise da APSR (passo 3) é então reduzido a sulfureto (S 2 ) por intermédio da aSIR (passo 4). A redução
dissimilativa é semelhante, mas não envolve o passo 2. 0 sulfureto proveniente da hidrólise do enxofre orgânico é oxidado a sulfito e este a sulfato por
intermédio da SO (passo 5).
QUÍMICA
N
S(Cis)
2,07 (2,06)A
(Cts)S
^
n
/
2 31 (2 29) A
,
,
figura 3 Estrutura proposta para o local de
coordenação do cobalto e zinco para as ATPS
de D. desulfuricas ATCC 27774 e de D.
gigas. M representa o Co ou Zn, os
comprimentos de ligação são valores médios,
entre parêntesis são apresentados os valores
para o Co (Adaptado de Gavel et al., 1998).
S(Cis)
2,31 (2,29)A
de Desulfovibrio (D.) desulfuricans ATCC
considerando o modo particular como
ções de cada subunidade com outras
27774 e D. gigas, isoladas e caracteriza-
ligam a ATP, estas definem uma nova
quatro, pa rt icularmente por interacções
das recentemente, foram consideradas
classe de enzimas (MacRae et al.,
entre o "dímero do domínio alostérico",
como metaloproteínas. São homotríme-
2001; Ullrich et al., 2001). A estrutura
que permitem uma transição alostérica
ros contendo um centro metálico mono-
recentemente publicada para o sim-
concertada. Os resíduos Arg199,
nuclear, de cobalto ou zinco, por subu-
bionte do verme hidrotermal Riftia
His203 e His206 são essenciais para a
nidade, que surge alternativamente. Em
pachyptila revela um dímero e não um
actividade da sulfurilase (MacRae etal.,
2001).
ambos os centros, com uma geometria
hexamero podendo reflectir a forma an-
tetraédrica, o metal possui como ligan-
cestral das ATPS homo-oligoméricas
dos três enxofres (cisteína) e um azoto
(Beynon etal., 2001).
(histidina) (figura 3). A presença do
metal foi sugerida como factor essencial
na manutenção da conformação cataliticamente activa (Gavel et al., 1998;
Gavel et al., 2000).
Cada subunidade é composta por três
domínios (figura 4B): o N-terminal, cuja
A ATPS de P chrysogenum é um oligó-
função é desconhecida, o central catalí-
mero composto por seis subunidades
tico e o C-terminal alostérico (local de li-
idênticas de 63 kDa e pode ser conside-
gação da PAPS, inibidor alostérico). O
rada como um dímero de tríades (figura
N-terminal é constituído por um barril
4A). Dentro de cada tríade, o domínio
parcial de folha 13 rodeada de hélices a.
As estruturas de Raios-X conhecidas
alostérico de uma subunidade interac-
O domínio central, empacotado com o
para as ATPS de Penicillium (R) chryso-
tua com o domínio catalítico de outra
anterior, apresenta um enrolamento de
genum e Saccharomyces cerevisíae são
subunidade, de modo que cada subuni-
"Rossmann", tipicamente observado nas
idênticas e apresentam muitas seme-
dade interactua com outras duas, para
hidrogenases. O C-terminal está separa-
lhanças com transferases de nucleotí-
além de outras interacções adicionais
do dos anteriores por um pequeno tre-
deo (em termos de enrolamento e ar-
na inte rf ace da tríade. A estabilidade do
cho e apresenta uma topologia mista em
quitectura do sítio activo), no entanto,
hexãmero é determinada pelas interac-
hélice a/folha
13, semelhante à cinase da
domínio alostérico
B
A
C-terminal
, ^^ 1
n
^^
^ ^1
^ ;
domínio N -tennina.
.
^
t
^
,
^
^I
,^^^
,
N-terminal
figura 4 (A) Representação esquemática do hexãmero e (B) representação esquemática do nomónero da ATPS de P. chrysogenum (Adaptado de MacRae
et al., 2001).
49
50
QUÍMICA
do hexâmero, favorecendo a transmissão das alterações introduzidas por ligação do substrato, essencial no funcionamento de enzimas alostéricas (MacRae
etal., 2001).
Recentemente, a obtenção de uma estrutura de Raios-X para a ATPS de levedura revelou que, apesar desta não
figura 5 Representação esquemática dos
apresentar propriedades alostéricas, as
resíduos que interactuam com o substrato na
ATPS de P. chrysogenum (Adaptado de
MacRae et al., 2001).
características multidomínio são muito
semelhantes, mesmo relativamente à
topologia do sítio activo e dos resíduos
APS; no entanto, não apresenta activida-
A existência de um fosso que liga o do-
de de cinase, provavelmente pelas alte-
mínio catalítico de uma tríade ao domí-
rações na região do "loop P" e substitui-
nio alostérico da outra tríade pode ser
ção de uma leucina por um aspartato
reminiscência de uma actividade bifun-
(Asp61), que interactua com o complexo MgATP (MacRae etal., 2001).
2.2.2. Redutase da adenosina 5
fosfosulfato (APSR) (passo 3)
dois tipos de dímeros (figura 6): o díme-
lécula de APS no topo da região em
ro do domínio alostérico e o dímero do
folha (3 (figura 5). 0 sítio catalítico está
domínio catalítico, com uma rotação de
acessível apenas a partir do meio exte-
cerca de 35o entre si. A interface do dí-
central. O substrato é estabilizado por ligações por pontes de hidrogénio com
vários resíduos da cadeia polipeptídica,
et al.. 2001).
sição de cada monómero de tríades na
formação do hexâmero permite definir
ao solvente exterior e não da cavidade
pede comparações adicionais (MacRae
cional como sintetase da PAPS. A dispo-
0 domínio catalítico liga uma única mo-
rior, localiza-se numa cavidade contígua
"activos". Porém, o desconhecimento,
até ao momento, das coordenadas im-
mero do domínio alostérico é estabilizada por uma ligação salina (Arg457 e
"-
A redutase da adenosina 5"-fosfosulfato
(APSR) catalisa a reacção reversível de
redução de APS a sulfito, de acordo com
a seguinte equação:
APS + 2e-i AMP + S032- + 2H+
G1u443) e vários resíduos hidrofóbicos.
Esta enzima encontra-se largamente
A transição alostérica pode ser transmi-
distribuída em bactérias redutoras de
tida por uma arginina (Arg515) de um
sulfato e outros organismos relaciona-
dos domínios alostéricos que interactua
dos. Um estudo detalhado das proprie-
com um aspartato (Asp111) do N-termi-
dades bioquímicas e espectroscópicas
ligação da porção fosfosulfato e um pa-
nal adjacente. O dímero do domínio ca-
de várias APSRs foi apresentado e revis-
drão 203HXXH206, na ligação do nu-
talítico, menos extenso, é estabilizado
to por Lampreia et al., 1994). Estes es-
cleosideo (porção adenilil). Uma valina
por empacotamento das hélices a.
tudos conduzidos por RPE em pa rt icular
definindo um padrão 197QXRN200, na
(Va1333) funciona como doador protóni-
Deste modo, cada subunidade está em
permitiram antecipar uitas das proprie-
co (MacRae etal., 2001)
contacto com quatro das subunidades
dades estruturais posteriormente revela-
figura 6 (A) Representação do dímero do domínio alostérico e (B) representação esquemática do dímero do domínio catalítico da ATPS de P. chrysogenum
(Adaptado de MacRae et al., 2001).
QUÍMICA I
figura 7 Representação esquemática da APSR de Arch. fulgidus (Adaptado de Fritz et
a1., 2002).
A da super-
da molécula (a cerca de 30
fície), expõe apenas o átomo de azoto
nos distorcidos, estão coordenados por
na interacção com o substrato) e dois
N5 do anel de isoaloxazina ao solvente.
quatro cisteínas e exibem potenciais
centros ferro-enxofre.
O anel de isoaloxazina é estabilizado por
redox significativamente distintos, em
vários resíduos (Asn74, Trp234, Leu7O),
consequência do diferente ambiente
numa conformação em borboleta, que
proteico que os rodeia; o aumento con-
favorece os estados reduzido e com o
siderável do número de interacções po-
A APSR de Archaeoglobus (Arch.) fulgi-
dus (figura 7) é um heterodímero a13
com uma massa molecular de 95 kDa; a
subunidade a (75 kDa) possui uma mo-
9,7
A. Estes agregados (figura 8), cuba-
das. Estas enzimas contêm em geral um
grupo FAD (que participa directamente
lares no agregado I e a matriz proteíca,
sulfito ligado (Fritz etal., 2002).
comparativamente com o agregado II,
lécula de FAD não covalentemente liga-
O canal que dá acesso ao sítio activo é
da e a subunidade 13 (20 kDa) contém
definido pela interface entre os domí-
dois centros de [4Fe-4S], semelhantes
nios de ligação do FAD e "em chapéu" e
aos das ferredoxinas (Roth et al., 2000;
alberga resíduos carregados (Arga83,
Fritz et al., 2002). É semelhante à enzi-
composto por três folhas 13 antiparalelas
Lisa281, Lisa283, Arga317), envolvi-
ma de D. desulfuricans ATCC 27774,
e o terceiro domínio, o C-terminal, forma
dos na selecção de iões que funcionam
uma cauda que envolve a subunidade
como substrato. Adicionalmente, o
a, aumentando desde modo a área de
substrato é estabilizado por ligações por
contacto entre as duas subunidades
pontes de hidrogénio com um resíduo
(Fritz etal., 2002).
ambas citoplasmáticas; enquanto a de
-
D. termophilus está associada à membrana (Lampreia etal., 1994; Fritz etal.,
2002).
pode ser o factor de modelação destes
potenciais. O segundo domínio, que
constitui a interface das subunidades, é
de asparagina (Asna74) e interacções
As estruturas de Raios-X obtidas para a
salinas com outros resíduos carregados
APSR de Arch. fulgidus, para o estado
(Trpa234, Arga265, Hisa398).
reduzido e com o sulfito ligado, permitiram estabelecer, por formação do aducto FAD-sulfito, que a molécula de FAD é
o sítio activo. Os centros de ferro-enxofre pa rt icipam na transferência electrónica (de dois electrões), a pa rt ir dum
O ciclo catalítico (figura 9) tem início
com a redução da molécula de FAD (a
FADH 2 ), a partir do doador fisiológico
[3 pode ser também divi-
desconhecido, via agregado II (adjacen-
dida em três domínios: a topologia do
te à superfície) e agregado I. A subse-
primeiro é semelhante à das ferredoxi-
quente ligação da molécula de APS, por
nas bacterianas e alberga os dois cen-
ataque nucleofílico do átomo de azoto
tros de [4Fe-4S1 que distam cerca de
N5 da molécula de FADH 2 ao enxofre da
A subunidade
doador ainda desconhecido; um triptofano (Trp1348) facilita a transferência
electrónica entre o agregado I e a molé-
Agregado I
yNP
828
ASS Be
cula de FAD. O heterodímero, com uma
forma elipsoidal compacta, revela que a
parte globular da subunidade 13 está in-
a. A sua longa cauda envolve
a subunidade a, contribuindo para a es-
01_0 149.044"/ pr
oyssuNH }I
HNCIN B"
N^..
CYS 850
ALA B81
ASP B1
molécula de FAD, localizada no interior
„HoSER B52
HH^,i
B
GLy ROO
domínios helicoidal e "em chapéu", num
arranjo semelhante ao encontrado na
KiRP B IS
CYS 350 TYW B51
^
família das redutases do fumarato. A
HNcys 653
•
CYS 847 ^
A subunidade a, a subunidade catalítio de ligação da molécula de FAD e os
-"ifil PBar
°•HN C
CYS 853
tabilidade do dímero (Fritz etal., 2002).
ca, pode ser dividida em três domínios:
.
SER B 0 H..~
N µ^
serida numa cavidade superficial da subunidade
5 827
N^
r+
VA. 654N ^
B1a
=AROBta
HNCYS B21
cys e odir
f
^NN BUS 12122
1/4.1r3
ary61BNH621
Agregado II
figura 8 Representação esquemática dos
centros de [4Fe-4S] da APSR de Arch. Fulgidus
(Adaptado de Fritz et al., 2002).
51
52 I QUÍMICA
A
B
R
,R ^
N^O
_ 1^
HN.,
/
lü^j ^-0.^n 74
H NvNIt
•
Hi 398
l
Hlq 398
265
kV 265 NH
^O
NH ,
\P
oo--
Ck
R
C
R
r
His
398
IG O
-
p „.HN
O
Mecanismo de catálise da APSR de
Arch. fulgidus (Adaptado de Fritz et al.,
2002).
figura 9
N
265
`
HN-
74
^
NHj -- v
NHZ-Q , 'C'R
D
^^ >-.. .
.(5 NH,e
_ G, •
O
HN
.N H
n74
\
O
4R
APS (A) forma o aducto FAD-APS (B), es-
2.2.3. Redutase do Sulfito (SiR)
o último passo da respiração anaeróbia,
tabilizado por interacções electrostáticas
(passo 4)
conve rt endo o sulfito em sulfureto ou al-
com a cadeia polipeptídica. Uma molé-
A redutase do sulfito (SiR) catalisa a
cula de água da vizinhança, que actua
reacção de redução do sulfito a sulfure-
como aceitador de protões do N5, favo-
to, de acordo com a seguinte equação:
rece a formação deste intermediário covalente, que se decompõe espontaneamente em adenosina monofosfato
(AMP) e o sulfito é libertado. Dois resí-
S032- + 6H+ + 6e - S2- + 3 H20
Reduz igualmente o nitrito a amónia,
utilizando electrões provenientes do
duos carregados positivamente desem-
NADPH dissociável ou de flavinas coor-
penham um papel fundamental neste
denadas (Stroupe e Getzoff, 2001).
ciclo: a Arga265 na ligação de ambos
ternativamente via tritionato. A redutase
do sulfito assimilativa (aSiR) incorpora o
enxofre em aminoácidos (Stroupe e Getzoff, 2001).
A aSiR de E. coif é um complexo a8134
de 784 kDa e cada subunidade da holoenzima possui uma função única.
Cada subunidade maior (SiRFP), de 66
kDa, liga uma molécula de FAD, uma
molécula de FMN e uma molécula dis-
Existem duas classes de redutases do
sociável de NADPH e funciona como
sulfito que diferem na sua função e
doador electrónico. A SiRFP é seme-
composição, mas ambas possuem um
lhante à redutase do
da estabilização do substrato, por liga-
sirohemo acoplado a um centro de
de menor (SiRHP), de 64 kDa, o sítio
ção por ponte de hidrogénio, pode fun-
[4Fe-4S], por uma cisteína endógena. A
catalítico, localizado no lado distal do si-
cionar como doador de protões durante
redutase do sulfito dissimilativa (dSiR) é
rohemo, está acoplado por uma cisteí-
a clivagem (Fritz et al., 2002).
um heterotetrâmero (a2132) que catalisa
na, a um centro de [4Fe-4S]. Alguns re-
os grupos, fosfato e sulfato, da molécula de APS e a Hisa398 que, para além
P450
Na subunida-
Cis 483'.
-íï- =::rii [4Fe-4S]
Representação esquemática da SiRHP da aSiR de E. coli. Os
co-factores estão representados por modelos "stick and ball"
(Adaptado de Stroupe e Getzoff, 2001).
figura 10
Representação esquemática dos co factores da SiRHP de E. coli
(Stroupe e Getzoff, 2001).
figura 11
QUÍMICA
HO N I /O-
O
N-I— N
2e
HPOg
Fe + 3 /
2
N— N
Fe +2/
N—, N
;
S
S
, +2
,S
Fe\SFé\
Fe
S•
Fe
S' -
OHO I /O
S
N-I — N
H+
+\ S03-2
\
Fe + 3/
,
Fe
N N
S
Fe
S'•
/,S •S
Fe\ S Fé\
Fe Fé\
Fe
S
_
+2
Fe
HS / H+
HS -
H. + 2é
H 2O
H ++HPOg z
0
S -2
•
-
N-I— N
/ Fe +3/
N
Fe\SFé\
-
Í ^O
7 - 1 —/N
Fe + 3/
F
S'• e + 2
,S
O
2
S
N-1 — N
N
-
N^ N
N^ N
H20
I
2H + + 2e -
Fe + 2
S'/, S ,S
1i20
2H+ +2e
S' Fe
,S
Fe Fe
Fe
+2
/j S
Fe\Fé\
• Fe
Fe
S
figura 12 Mecanismo de catálise proposto para a SiR de E. coli (Stroupe e Getzoff, 2001).
síduos carregados (Arg83, Arg153,
coordenam o centro de [4Fe-4S], prote-
enxofre, enquanto que a Arg153 é des-
Lis215, Lis217) conferem uma densida-
gendo-o simultaneamente do contacto
locada da sua posição original. Ligações
de positiva ao sítio activo, favorecendo a
com o solvente. O segundo "loop" forne-
por pontes de hidrogénio, com uma mo-
ligação do substrato (Stroupe e Getzoff,
ce a cisteína (Cis483) que liga em ponte
lécula de água existentes na cavidade,
2001).
o centro de ferro-enxofre (Fe,) e o siro-
estabilizam o substrato ligado. Um se-
hemo, pelo que os co-factores se en-
gundo protão é doado por uma cadeia
contram relativamente próximos (cerca
lateral da proteína (ou por moléculas de
de 5 A) (figura 11). 0 sirohemo está li-
água), sai uma molécula de água, mas o
A SiRHP (figura 10) é uma proteína tri-
geiramente dobrado, sugerindo que
intermediário sulfurado reduzido perma-
lobular com os co-factores ligados na in-
existe mais do que um percurso electró-
nece ligado á SiRHP. Por repetição do
te rface dos três domínios. O domínio 1,
nico ou esta distorção favorece a aproxi-
ciclo anterior, a Arg153 retorna à sua
em forma de paraquedas, é composto
mação dos dois co-factores. Adicional-
posição original e o intermediário sulfu-
por duas folhas (3 antiparalelas, que
mente, estes "loops" têm duas funções:
rado reduzido continua ligado; o seu oxi-
A subunidade catalítica da SiRHP
ligam uma capota de hélices a, expos-
permitem o acoplamento da flavoproteí-
génio estabelece uma ligação, por ponte
tas ao solvente, a um "loop" em forma
na e ajustam o potencial redox do cen-
de hidrogénio, com uma molécula de
de gancho de cabelo. Os domínios 2 e 3
tro de ferro-enxofre (Stroupe e Getzoff,
água. Um novo ciclo (de dois electrões e
são compostos por cinco folhas 13, ro-
2001).
dois protões) sem alterações na argini-
deadas por três hélices a, em contacto
com o solvente. A inte rface dos domínios é formada essencialmente por ligações salinas (Stroupe e Getzoff, 2001).
A redução do sulfito (figura 12), que en-
na, origina a saída da terceira molécula
volve seis electrões, decorre sem liberta-
de água e o intermediário reduzido
ção de intermediários, apesar das gran-
mantém-se ligado; finalmente, a entra-
des alterações na geometria do
da de um protão origina a libertação do
Os resíduos do domínio 2, carregados
substrato. Dois electrões, provenientes
produto final (SH ) ou um fosfato liga-se,
positivamente, criam uma cavidade que
da flavoproteína, reduzem ambos os co-
deslocando-o. A flexibilidade do sítio ac-
permite a ligação do substrato, no lado
factores, com consequente libertação
tivo, por participação activa da Arg153,
distal do sirohemo, e que na sua ausên-
do fosfato (que ocupa o sítio activo na
e as alterações conformacionais no
cia, coordena uma molécula de fosfato
ausência do substrato). O sulfito, com
"loop", induzidas pela ligação do subs-
por um dos oxigénios. Dois "loops" do
um dos seus oxigénios protonados, liga-
trato, sugerem que a catálise, rápida e
domínio 3 fornecem as cisteínas que
se ao lado distal do sirohemo através do
eficiente, está relacionada com a ordem
-
53
54 QUÍMICA
figura 13 Representação esquemática da SO
de fígado de galinha. Os co-factores estão
apresentados por modelos "stick and ball"
(Adaptado de Kisker, 2001).
que se gera no sítio activo por ligação do
tilo sulfóxido (DMSO), a desidrogenase
53 kDa, contém um co-factor de molib-
substrato (Stroupe e Getzoff, 2001).
do formato e a oxidase do sulfito. No en-
dénio, uma pterina de molibdénio
2.2.4. Oxidase do sulfito (SO) (passo 5)
tanto, com base em dados cristalográfi-
(MPD, ligado a um domínio C-terminal
cos, e tendo em conta a estrutura do
extenso e um pequeno domínio N-ter-
A oxidase do sulfito (SO) catalisa a oxi-
centro de molibdénio, podem conside-
minal que alberga um hemo b5 , ligado
dação do sulfito a sulfato, a reacção ter-
rar-se três famílias:
(1) a família da oxi-
de um modo não covalente com uma
minal na degradação dos aminoácidos
dase da xantina, (2) a família da reduta-
coordenação bis-histidina. O co-factor
sulfurados (cisteína e metionina), de
se do DMSO e (3) a família da oxidase
de molibdénio é o sítio catalítico que
acordo com a seguinte equação:
do sulfito. Actualmente, são conhecidas
transfere os electrões para o hemo b 5 e
estruturas de Raios-X para cada uma
daí para um citocromo c. Uma cisteína
S0 32- + H 2 O —) SO 4 2 + 2H' + 2e
das famílias: a oxidoredutase do aldeído
(Cis185) coordenada ao molibdénio é
de D. gigas pertence à família da oxida-
essencial para a catálise e uma arginina
Desempenha igualmente um papel im-
se da xantina; as redutases do DMSO de
(Arg138) está envolvida na transferên-
portante na detoxificação do sulfito e do
Rhodobacter (R.) capsulatus e de R.
cia electrónica entre os dois co-factores
dióxido de enxofre fornecido exogena-
sphaeroides e a desidrogenase do for-
(Kisker, 2001).
mente (Kisker, 2001).
mato de E. coli pe rt encem à segunda fa-
As enzimas de molibdénio podem ser
genericamente agrupadas em duas
classes: a primeira das nitrogenases,
Cada monómero, com uma topologia
mília e a oxidase do sulfito de fígado de
mista em hélice afolha
galinha à família da oxidase do sulfito
G3, está dividido
em três domínios. O domínio I (N-termi-
(Romão etal., 1997).
nal) é estruturalmente semelhante ao
nas quais o molibdénio incorpora um
A oxidase do sulfito (SO) de fígado de
hemo b5 de cavalo; compreende três fo-
centro multinuclear, e a das enzimas de
galinha, é um homodímero localizado
lhas (3 antiparalelas, rodeadas por duas
molibdénio mononucleares, tais como a
no espaço intermembranar mitocon-
folhas (3 pequenas, e seis hélices a defi-
oxidase da xantina, a redutase do dime-
drial. Cada subunidade, com cerca de
nindo uma cavidade. O hemo b 5 , que
MPT
•
•
s ^
.111, Mo
His 65
{
•
s? T
..
à,
Cis 185
hemo b5
figura 14 Representação esquemática dos co-factores da SO de fígado de galinha (Adaptado de Kisker, 2001).
QUÍMICA
apresenta, como ligandos axiais, duas
sulfato estabelecem ligações por pontes
histidinas (His40 e His65), está localiza-
de hidrogénio com estes resíduos (Kis-
do no fundo desta cavidade, protegido
ker, 2001).
(2002) "Structure of adenylylsulfate reductase from the hyperthermophilic Archaeoglobus fulgidus at 1,6
A resolution", PNAS. 99,
1836-1841
do solvente. O domínio II contém 13
cordões
(3, organizados em três folhas Í 3
e nove hélices a, cuja disposição não
apresenta semelhanças com outras estruturas. Este pode ser subdividido em
três regiões e alberga, na pa rt e central,
o co-factor de molibdénio. 0 C-terminal,
domínio Ill, contém sete cordões
postos em duas folhas
R dis-
(3 antiparalelas,
formando um motivo em "Greek-key";
esta topologia é homóloga à encontrada
no subtipo C2 da superfamília das imunoglobulinas (Kisker, 2001).
0 meio ciclo redutivo compreende a re-
• Gavel, 0.Y., Bursakov, S.A., Calvete, J.J.,
dução do molibdénio, Mo(VI) a Mo(IV),
George, G.N., Moura, J.J.G., Moura, I.
enquanto o sulfito é oxidado a sulfato. A
(1998) 'ATP sulfurylases from sulfate redu-
catálise é iniciada pelo ataque do par
cing bacteria of the genus Desulfovibrio. A
electrónico isolado, do sulfito ao ligando
oxo equatorial; o sulfato é libe rt ado do
novel metalloprotein containing cobalt and
zinc", Biochem., 37, 16225-16232
sítio activo e um hidroxilo do solvente
• Kisker, C. (2001) "Sulfite oxidase" in Hand-
preenche a posição de coordenação do
book of Metalloproteins, (A. Messerschmidt,
molibdénio. O meio ciclo oxidativo, necessário para regenerar o centro dioxo,
compreende uma transferência electrónica intramolecular, do molibdénio para
o hemo b5 , e deste para um citocromo
A forma alongada da SO (figura 13), re-
c. Uma segunda transferência electróni-
sultado de uma disposição de topo entre
ca, com concomitante desprotonação
os domínios Ill de cada monómero, é
do hidroxilo ligado ao molibdénio, rege-
responsável pela grande distância entre
nera a forma completamente oxidada,
os dois co-factores (32 A). Apesar do
Mo(VI) (Kisker, 2001).
plano de simetria existente na molécula,
R. Huber, T. Poulos, K. Wieghardt, Eds). Vol
2, pp 1121-1135, John Wiley & Sons, LTD
• Lampreia, J., Pereira, A.S., Moura, J.J.G.
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243. pp 241-260, Academic Press
• MacRae, I.J., Segel, I.H., Fisher, A.J. (2001)
"Crystal structure of ATP sulfurylase from Penicillium chrysogenum: insights into the allosteric regulation of sulfate assimilation",
os dois hemos b5 adoptam orientações
A grande distância existente entre os co-
Biochem., 40. 6795-6804
diferentes, relativamente ao centro da
factores pode ser obviada, consideran-
• Moura, J.J.G., Bursakov, S.A., Gaavel, O.,
molécula (estão rodados cerca de 50 ). A
do a adopção de uma conformação di-
Moura, I. (2002) Encyclopidea of Catalysis,
interface do dímero é estabilizada por li-
ferente, por parte do domínio do hemo
John Wiley and Sons, Inc.
gações por pontes de hidrogénio e pon-
b5, facilitada pela região fléxivel que liga
• Romão, M.J., Knãblein, J., Huber, R.,
tes salinas, enquanto que as interac-
os domínios dos dois co-factores, e num
Moura, J.J.G. (1997) "Structure and function
ções entre os domínios I e II são
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of molybdopterin containing enzymes", Prog.
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A molibdopterina (MPT), localizada no
ganic nitrogen and sulfur (H. Bothe, A.
milatory sulfate redution" in Biology of inor-
interior do domínio II, é estabilizada por
inúmeras ligações por pontes de hidrogénio com os resíduos deste domínio. O
molibdénio, com uma geometria em pirâmide quadrangular, é pentacoordenado (figura 14); um grupo oxo terminal
ocupa a posição axial, enquanto que as
posições equatoriais são ocupadas por
três enxofres e um segundo grupo oxo;
Trebst Eds), Vol 1, pp 153-168, Springer-
Agradecimentos
Verlag
Autores agradecem ao PRAXIS e COST
• Schlegel, H.G. (1981) "Microorganisms in-
apoio financeiro. Um agradecimento
volved in the nitrogen and sulfur cycles" in
aos grupos de Bioinorgânica, Biofísica
Biology of inorganic nitrogen and sulfur (H.
de Proteínas e Cristalografia de Proteinas do CQFB/DQ/FCT/UNL por muitas
contribuições. Ao Jorge Pereira pela
ajuda na obtenção de inúmera figuras.
Bothe, A. Trebst Eds), pp 3-12, Springer-Verlag
• Schmid, B., Chiu, H.-J., Ramakrishnan, V.,
Howard, J.B., Rees, D.C. (2001) "Nitrogena-
dois dos enxofres são os ditiolenos da
se" in Handbook of metalloproteins (A. Mes-
pterina e o terceiro provém de uma cis-
serschmidt, R. Huber, T. Poulos, K. Wieg-
teína (Cis185). Dos dois ligandos oxo,
hardt, Eds). Vol 1, pp 1025-1036, John
apenas o equatorial pa rt icipa na catáli-
Wiley & Sons, LTD
se, funcionando como ponte entre o sul-
Bibliografia
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No sítio activo, três argininas (Arg138,
Arg190 e Arg450), Trp204, Tir322 e a
Lis202 formam uma cavidade carregada positivamente, ideal para ligação de
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"Crystal structure of ATP sulfurylase from the
T. Poulos, K. Wieghardt, Eds), Vol 1, pp
bacterial symbiont of the hydrotermal vent
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from Saccharomyces cerevisiae, a key enzy-
Bourenkov, G., Bartunik, H.D., Huber, H.,
me in sulphate activation", EMBO Journal, 3,
Stetter, K.O., Kroneck, P.M.H., Ermler, U.
316-329
55
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