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 Fe^3+[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.

Si le fer est de loin le cofacteur le plus fréquent des dioxygénases, d'autres cofacteurs peuvent également être utilisés. Par exemple, la quercétine 2,3-dioxygénase (en), qui catalyse le clivage par dioxygénation de la quercétine en acide 2-protocatéchuoyl-phloroglucinol-carboxylique et monoxyde de carbone^[12]. La mieux caractérisée de ces enzymes, celle d'Aspergillus violaceofuscus (en), fonctionne en présence de cuivre^[5], tandis qu'on a découvert des quercétinases bactériennes particulièrement cambialistiques^[13], présentant divers degrés d'activité enzymatique en présence de cations divalents de manganèse Mn²⁺, de cobalt Co²⁺, de fer Fe²⁺, de nickel Ni²⁺ et de cuivre Cu^2+[12]. L'aciréductone dioxygénase fer(II)-dépendante (en) (ARD) est présente à la fois chez les procaryotes et les eucaryotes^{[5],[12],[14]} ; les ARD de la plupart des espèces se lient au fer ferreux et catalysent l'oxydation de la 1,2-dihydroxy-5-(méthylthio)pent-1-én-3-one en formiate et 4-(méthylthio)-2-oxobutanoate, ce dernier étant l'α-cétoacide de la méthionine. L'ARD de Klebsiella oxytoca catalyse une autre réaction lorsqu'elle est liée au nicket Ni²⁺, produisant du monoxyde de carbone, du formiate et du 3-(méthylthio)propionate à partir d'aciréductone et de dioxygène.

La Fe-ARD est étroitement liée à la voie de sauvetage de la méthionine, dans laquelle la méthylthioadénosine produite à partir de la S-adénosylméthionine cellulaire est finalement convertie en aciréductone. Le rôle de la Ni-ARD est moins bien compris, mais on pense qu'elle aide à réguler le taux de méthionine en agissant comme une déviation de la voie de sauvetage. L'enzyme de Klebsiella oxytoca est l'un des seuls exemples où la nature du cation métallique détermine la réaction catalysée. Les quercétinases et les ARD appartiennent à la superfamille des cupines (en), qui contient également les enzymes à fer mononucléaire^[15].

La capacité qu'ont ces dioxygénases à conserver une activité enzymatique en présence de divers cofacteurs métalliques présentant des potentiels d'oxydoréduction variables suggèrent que le centre métallique ne joue pas un rôle actif dans l'activation du dioxygène mais qu'il intervient plutôt dans la configuration du substrat par rapport à ce dernier, ce qui rappelle le fonctionnement des intradiol catéchol dioxygénases (en).

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