Dioxygénase

Les dioxygénases à fer mononucléaire, également appelées dioxygénases à fer non héminique, utilisent un cation de fer unique pour incorporer à un substrat un ou deux atomes d'oxygène d'une molécule de dioxygène O₂. Elles mettent en œuvre divers modes d'activation de l'oxygène pour amorcer ces réactions[2]. Par exemple, le clivage d'une liaison carbone-carbone ou d'une liaison carbone-soufre, l'hydroperoxydation d'un acide gras et l'oxydation d'un thiol sont des réactions catalysées par des dioxygénases à fer mononucléaire[2] - [3] - [4].

La plupart des dioxygénases à fer mononucléaire appartiennent à la superfamille des cupines (en), dans lesquelles la structure du domaine est décrite comme un tonneau β à six feuillets au centre duquel se trouve un cation métallique, le plus souvent de fer, coordonné à des résidus situés dans deux motifs partiellement conservés, notés G(X)₅HXH(X)_3-4E(X)₆G et G(X)_5-7PXG(X)₂H(X)₃N[5] - [6]. Les catéchol dioxygénases (en) et les hydroxylases alpha-cétoglutarate-dépendantes (en) sont des exemples de dioxygénases à fer mononucléaire[7].

Les dioxygénases de Rieske catalysent la cis-dihydroxylation d'arènes en cis-dihydro-diols. Ces enzymes sont présentes avant tout chez les bactéries du sol, telles que celles du genre Pseudomonas[4], et catalysent souvent l'étape initiale de la biodégradation des hydrocarbures aromatiques[3]. Elles sont structurellement plus complexes que les autres dioxygénases afin de permettre un double transfert d'électrons pour réduire le substrat aromatique.

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  Oxydation couplée à une réduction dans une dioxygénase de Rieske.

Une dioxygénase de Rieske fonctionnelle est constituée de trois éléments : une FAD réductase NADH-dépendante (en), une ferrédoxine avec deux centres fer-soufre [2Fe-2S] de type Rieske, et une oxygénase α₃β₃ dont chaque sous-unité α contient un cation de fer mononucléaire et un centre [2Fe-2S][3]. Ces deux structures sont éloignées d'environ 43 Å dans chacune des sous-unités α, distance bien trop grande pour permettre un transfert d'électrons efficace, de sorte qu'on pense que le transfert d'électrons intervient entre sous-unités adjacentes, dans la mesure où le centre [2Fe-2S] d'une sous-unité α n'est éloigné que de 12 Å environ du centre de fer mononucléaire de la sous-unité α voisine. Le remplacement du résidu d'aspartate pontant fait disparaître l'activité enzymatique, ce qui suggère que le transfert d'électrons intervient le long du réseau de liaisons hydrogène maintenu par ce résidu[4].

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  Structure du site actif d'une dioxygénase de Rieske indiquant le centre fer-soufre [2Fe-2S] à gauche, le fer monocaténaire à droite, et le résidu d'aspartate pontant en bas (PDB 2B1X).

Le mécanisme réactionnel de cette classe de dioxygénases n'est pas encore très clair, mais des éléments indiquent qu'il se forme un hydroperoxyde de fer(III) intermédiaire[8]. Ces enzymes sont des oxydoréductases puissantes qui, outre la dioxygénation, peuvent également intervenir dans des réactions de sulfoxydation, de désaturation et d'oxydation benzylique.

Certaines dioxygénases comme la tryptophane 2,3-dioxygénase (en) (TDO) et l'indoleamine 2,3-dioxygénase (IDO), qui catalysent l'oxydation du tryptophane en N'-formylkynurénine, utilisent un cation de fer coordonné dans un groupe prosthétique de type hème b[9] - [10]. Ces enzymes jouent un rôle important dans la régulation du tryptophane dans les cellules, ce qui a diverses implications physiologiques[11]. L'interaction entre le dioxygène O₂ et le fer dans le site actif de l'enzyme fait probablement intervenir une addition radicalaire ou une addition électrophile sur du fer respectivement ferreux Fe²⁺ ou ferrique Fe³⁺[9]. On pense que ces réactions mettent en œuvre un réarrangement de Criegee ou passent par un dioxétane[9] - [11].

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  Hypothèse de l'oxydation du tryptophane par réarrangement de Criegee.

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  Hypothèse de l'oxydation du tryptophane via un dioxétane.