بيروكسيداز المنغنيز

في علم الإنزيمات ، يُعد بيروكسيداز المنغنيز ( EC 1.11.1.13 ) إنزيمًا يحفز التفاعل الكيميائي

2 Mn(II) + 2 H ⁺ + H ₂ O ₂${\displaystyle \rightleftharpoons }$2 Mn(III) + 2 H ₂ O

الركائز الثلاث لهذا الإنزيم هي Mn(II) و H + ^و H 2 _O 2 _، بينما منتجيه هما Mn (III) و H ₂ O.

ينتمي هذا الإنزيم إلى عائلة الأكسيدوريدوكتازات ، وتحديدًا تلك التي تعمل على البيروكسيد كمستقبل (البيروكسيدازات). الاسم النظامي لهذه الفئة من الإنزيمات هو أكسيدوريدوكتاز بيروكسيد الهيدروجين المرتبط بالمنغنيز (II). ومن الأسماء الشائعة الأخرى بيروكسيداز-M2 ، وبيروكسيداز معتمد على المنغنيز (مؤكسد NADH) . يستخدم هذا الإنزيم عاملًا مساعدًا واحدًا ، وهو الهيم . ويحتاج إلى أيونات الكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ لكي يعمل.

تفرز فطريات العفن الأبيض هذا الإنزيم للمساعدة في تحلل اللجنين .

تم اكتشاف إنزيم بيروكسيداز المنغنيز (المعروف اختصارًا بـ MnP) في عام 1985 بشكل متزامن من قبل مجموعتي بحث مايكل إتش. غولد ^{[ 1 ]} ورونالد كروفورد ^{[ 2 ]} في فطر Phanerochaete chrysoporium . وتم تحديد التسلسل الجيني للبروتين في P. chrysoporium عام 1989. ^{[ 3 ]} ويُعتقد أن هذا الإنزيم فريد من نوعه في شعبة الفطريات البازيدية، حيث لم يتم العثور حتى الآن على أي نوع من البكتيريا أو الخميرة أو العفن ينتجه بشكل طبيعي.

تحدث عملية التحفيز بواسطة إنزيم MnP من خلال سلسلة من تفاعلات الأكسدة والاختزال غير العكوسة، والتي تتبع آلية بينغ بونغ ذات حركية من الدرجة الثانية . ^{[ 4 ]} في الخطوة الأولى من دورة التحفيز، يدخل بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂)، أو بيروكسيد عضوي، إلى الموقع _النشط لإنزيم _MnP . هناك ، _يرتبط الأكسجين الموجود في _H₂O₂ بأيون الحديد الثلاثي (Fe³⁺) في العامل المساعد الهيمي لتكوين معقد بيروكسيد الحديد. ينتقل إلكترونان من Fe³⁺ ^إلى البيروكسيد، مما يؤدي إلى كسر الرابطة بين الأكسجين والبيروكسيد لتكوين الماء (H₂O _{) ومعقد} جذري من أوكسو بورفيرين الحديد الرباعي (Fe´⁺) . يُعرف هذا المركب الوسيط المؤكسد باسم مركب MnP الأول. يرتبط مركب MnP الأول بعد ذلك بأيون أحادي التمخلب منغنيز ثنائي (Mn²⁺)، والذي يتبرع بإلكترون لإخماد الجذر وتكوين منغنيز ثلاثي (Mn³⁺) ومركب MnP الثاني، وهو معقد أوكسو بورفيرين الحديد الرباعي (Fe´⁺). يؤكسد مركب MnP II أيون Mn(II) آخر إلى Mn(III)، ويُختزل بتفاعل أيوني هيدروجين مع الأكسجين المرتبط بالحديد. يؤدي هذا إلى إعادة تكوين أيون Fe(III) في الهيم وإطلاق جزيء ماء ثانٍ. ^{[ 5 ]} توجد العديد من الاختلافات عن هذه الدورة التحفيزية التقليدية. يمكن استخدام مركب MnP I لأكسدة Mn(II) الحر، وفيروسيانيد الحديد ، بالإضافة إلى المركبات الفينولية ، ومركبات عطرية أخرى . ^{[ 6 ]}

يُعدّ المنغنيز الثلاثي (Mn(III)) غير مستقر في الأوساط المائية ، ولذلك يُحرره إنزيم بيروكسيداز المنغنيز (MnP) على شكل مُخلّب من المنغنيز الثلاثي مع حمض الكربوكسيل . تتنوع مُخلّبات حمض الكربوكسيل ، بما في ذلك الأكسالات والمالونات والطرطرات واللاكتات ، إلا أن الأكسالات هي الأكثر شيوعًا. يُفضّل تركيب البيروكسيداز مُخلّبات المنغنيز الثلاثي على أيونات المنغنيز الثلاثي الحرة. يتفاعل مُخلّب المنغنيز الثلاثي مع الموقع النشط لتسهيل إطلاق الناتج من الإنزيم. ^{[ 7 ]} قد يؤثر المُخلّب على معدل التفاعل الحركي، بل وحتى على التفاعل المُحفّز نفسه. إذا كان الركيزة المنغنيز الثنائي (Mn(II)) مُخلّبًا مع اللاكتات، فإن إنزيم بيروكسيداز المنغنيز يُحفّز بدلًا من ذلك انطلاق الأكسجين ( O₂ ₎ . مع ذلك، فإن لهذا التفاعل الجانبي تأثيرًا ضئيلًا على النشاط الإنزيمي لأنه يتبع حركية من الدرجة الثالثة أبطأ. ^{[ 4 ]}

اعتبارًا من أواخر عام 2007، تم حل 6 هياكل لهذه الفئة من الإنزيمات، مع رموز الوصول PDB : PDB : 1MN1 ،PDB : 1MN2 ،PDB : 1YYD ،PDB : 1YYG ،PDB : 1YZP ، و PDB : 1YZR .

على الرغم من أن إنزيم MnP، كغيره من بيروكسيدازات اللجنين ، يُصنف ضمن فئة البيروكسيدازات الثانية ، إلا أنه يمتلك بنية ثلاثية مشابهة لبيروكسيدازات الفئة الأولى في بدائيات النوى ، ولكنه يحتوي على روابط ثنائية الكبريتيد مثل بيروكسيدازات الفئة الثالثة في النباتات. ^{[ 8 ]} يتميز إنزيم MnP ببنية كروية تحتوي على 11-12 حلزون ألفا، وذلك تبعًا لنوع الكائن الحي الذي يُنتج فيه. ويتم تثبيته بواسطة 10 بقايا من حمض السيستين الأميني التي تُشكل 5 روابط ثنائية الكبريتيد، إحداها قريبة من الطرف الكربوكسيلي . يحتوي الموقع النشط على عامل مساعد من الهيم يرتبط بأيونين من الكالسيوم (Ca2 ⁺⁾ ، أحدهما أعلى الهيم والآخر أسفله. بالقرب من بروبيونات الهيم الداخلية ، توجد ثلاث بقايا حمضية تُستخدم لتثبيت أيونات المنغنيز الثنائي (Mn(II)) أو الثلاثي (Mn(III)) عند ارتباطها بالإنزيم. تختلف البقايا المحددة بين الأنواع، ولكن عددها وموقعها النسبي في البروتين المطوي محفوظان. يحتوي إنزيم MnP الخاص بـ P. chrysosoporium على ما مجموعه 357 من بقايا الأحماض الأمينية ، وعدد مماثل في الإنزيمات التي تنتجها الفطريات البازيدية الأخرى. ^{[ 9 ]}

تتمثل الوظيفة الرئيسية لأيونات المنغنيز الثلاثي (Mn(III)) الناتجة عن إنزيم بيروكسيداز المنغنيز (MnP) في أكسدة وتحلل اللجنين. ^{[ 10 ]} ولهذا الغرض، تفرز الفطريات البازيدية إنزيم MnP بدلاً من المنغنيز الثلاثي، ويعمل هذا الإنزيم خارج الخلية الفطرية. تستطيع أيونات المنغنيز الثلاثي الناتجة عن إنزيم MnP أكسدة المركبات الفينولية في اللجنين مباشرةً، كما يمكنها أيضاً أكسدة بعض مركبات الكبريت العضوية والأحماض الدهنية غير المشبعة . ينتج عن هذه الأكسدة جذور الثييل والبيروكسيل، والتي يمكنها، في وجود الأكسجين (O2 ₎ ، أكسدة اللجنين أو التفاعل مع الماء لتكوين بيروكسيد الهيدروجين (H2O2 ) _{. [} 11 ^{] [ 12 ] يستطيع أيون} المنغنيز الثلاثي (Mn3 ⁺⁾ نفسه تحلل اللجنين عن طريق تحفيز انشطار الروابط بين الألكيل والأريل وأكسدة ذرة الكربون ألفا في الفينولات. ^{[ 13 ]}

يتم التحكم في نشاط إنزيم MnP عبر تنظيم النسخ الجيني . ويزداد نشاط هذا الإنزيم بزيادة تركيز أيونات المنغنيز الثنائي (Mn(II)) خارج الخلية ^{[ 14 ]} وتركيز بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂ ₎ . _وقد وُجد أن زيادة تركيز الأكسجين (O₂ ₎ والإجهاد الحراري يُنشّطان إنزيم MnP أيضًا. ^{[ 15 ]}