Аконитаза

Активация железосерного кластера аконитазы, четвёртым атомом железа. Конформация структуры кластера изменяется от тетраэдра до октаэдра.

Аконитаза состоит из четырёх доменов, три из которых тесно связаны друг с другом. Четвёртый домен, с тремя другими, образует карман, в котором происходит катализ. Каталитическая активность фермента зависит от специфической конформации, за которую отвечают железосерный кластер [4Fe-4S] и несколько аминокислотных остатков, которые позволяют протекать стереоспецифической реакции переноса молекулы воды с ахирального цитрата исключительно на изоцитрат.

Митохондриальная аконитаза, содержит остатки цистеина в позициях -385, -458 и -451, а также железосерный кластер [4Fe-4S], который имеет решающее значение для её каталитической активности. В неактивном состоянии в кластере отсутствует четвёртый атом железа, который слабо связан и первоначально имеет координационное число 4 (тетраэдрическая структура): три атома серы и один ион гидроксида (воды) в качестве связующего партнёра (см. Рисунок). В каталитической фазе координационное число атома железа увеличивается до 6 (октаэдрическая структура), а затем присоединяется дополнительный изоцитрат и другая молекула воды[5].

В отличие от большинства железосернистых белков, которые функционируют в качестве электронных носителей, железо-серный кластер аконитазы непосредственно взаимодействует с субстратом фермента. Аконитаза имеет активный кластер [Fe₄S₄]²⁺, который может превращаться в неактивную форму [Fe₃S₄]⁺. Было показано, что три остатка цистеина (Cys) являются лигандами центра [Fe4S4]. В активном состоянии лабильный ион железа кластера [Fe4S4] координируется не Cys, а молекулами воды.

Железо-серный кластер очень чувствителен к воздействию супероксид иона и легко окисляется им.

Аконитаза использует механизм гидратации-дегидратации[6]. Каталитическими остатками являются His-101 и Ser-642[6]. Остаток His-101 протонирует гидроксильную группу на C3 атоме цитрата, этот процесс позволяет покинуть молекулу воды, и Ser-642 одновременно атакуют протон на C2, образуя двойную связь между C2 и C3, что приводит к образованию цис-аконитатного интермедиата. В этот момент образовавшийся интермедиат поворачивается на 180°, происходит так называемый «флип-переход»[6][7][8].

Как именно происходит процесс флип-перехода спорно. Одна из теорий заключается в том, что на лимитирующей стадии механизма цис-аконитат высвобождается из фермента, а затем повторно присоединяется в форме изоцитрата для завершения реакции. Другая гипотеза заключается в том, что цис-аконитат остается связанным с ферментом, когда происходит флип-переход молекулы цитрата в форму изоцитрата[8][9][6].

В любом случае переворачивание цис-аконитата на 180° позволяет проводить стадии дегидратации и гидратации на противоположных сторонах интермедиата. Аконитаза катализирует транс-элиминирование/гидратацию, а флип-переход гарантирует правильное стереохимическое строение интермедиата. Чтобы завершить реакцию, остатки серина и гистидина изменяют свои изначальные каталитические функции:гистидин, являясь основанием, отщепляет протон из воды, тем самым он становится нуклеофилом для атаки на С2-атом, а протонированный серин депротонируется двойным цис-аконитом, завершая реакцию гидратации образованием молекулы изоцитрата[6].

Молекулы фторуксусной кислоты или фторацетата встраиваются в цикл Кребса, метаболизируются до фторцитрата, который оказывает сильное ингибируюшее воздействие на аконитазу, тем самым происходит блокирование цикла Кребса.