The fundamental, versatile role of diiron enzymes in lipid metabolism

Abstract

Diiron enzymes catalyze many essential O2-dependent reactions required for eukaryotic and bacterial metabolism. Both membrane bound and soluble classes are now known. The integral membrane class of diiron enzymes contains desaturases, hydroxylases, and other oxidative enzymes involved in the synthesis of nutritionally or commercially desirable unsaturated fats, steroids, and other hydrophobic molecules. The soluble class of diiron enzymes has essential roles in DNA biosynthesis, desaturation of various acyl-ACPs, and the oxidation of hydrocarbons including toxic environmental pollutants. Biochemical, spectroscopic, and crystallographic studies of these enzymes have provided structures for the active sites and proposals for the mechanism of action. Two key features of the reaction cycles are the flexibility of the diiron coordination environment and the activation of O2 to generate a series of related but not identical intermediates used for diverse catalytic processes. Most recently, the alpha helical bundle containing the diiron center has proven to be a robust scaffold for mutagenesis studies, allowing the relationship between protein structure and catalytic function to be further refined and adapted. Die fundamentale, vielseitige Rolle von Zweieisen-Enzymen im Lipidstoffwechsel Nicht-Häm-Zweieisen-Enzyme katalysieren eine Menge sauerstoffabhängiger Reaktionen, die für den Metabolismus von Eukaryoten und Bakterien essentiell sind. Sowohl membrangebundene als auch lösliche Klassen dieser Enzyme sind nun bekannt. Membrangebundene Zweieisen-Enzyme, wie Desaturasen, Hydroxylasen und andere Oxidasen, sind an der Biosynthese ungesättigter Fette, Steroide und anderer hydrophober Moleküle beteiligt, die aus ernährungswissenschaftlicher und kommerzieller Sicht interessant sind. Lösliche Zweieisen-Enzyme katalysieren wichtige Schritte in der DNA-Biosynthese, der Dehydrierung von verschiedenen acylierten ACPs und der Oxidation von Kohlenwasserstoffen, zu denen auch einige Umweltgifte zählen. Diverse biochemische, spektroskopische und kristallographische Untersuchungen dieser Enzyme zeigen die Strukturen der katalytischen Zentren auf und liefern Hinweise auf den möglichen Mechanismus der von den jeweiligen Enzymen katalysierten Reaktionen. Die beiden zentralen Eigenschaften dieser enzymatischen Reaktionen sind die flexible Koordination der Zweieisen-Zentren und die Aktivierung des Sauerstoffs, wodurch eine Vielzahl verwandter, aber nicht identischer Zwischenstufen der diversen katalytischen Prozesse entstehen. Erst kürzlich fand man heraus, daß das alpha-helikale Bündel, welches den Zweieisen-Komplex enthält, eine stabile Grundlage für Mutagenese-Untersuchungen darstellt. Diese ermöglichen ein besseres Verständnis und eine neuorientierte Anwendung der Zusammenhänge zwischen der Struktur dieser Enzyme und ihrer katalytischen Funktion.