微生物尼古丁代谢的酶

由于尼古丁的毒性和烟草中的高水平以及烟草加工产生的废物，人们对识别能够降解烟草的细菌非常感兴趣。已经鉴定了许多用于尼古丁降解的微生物途径。第一个也是最好理解的是吡啶途径，最好的特征是烟草节杆菌（Arthrobacter nicotinovorans）其中第一反应是吡啶环的羟基化。随后以吡咯烷环中的碳 - 氮键氧化开始的吡咯烷途径在许多假单胞菌中表征。最近，已经描述了杂合途径，其结合了吡啶途径中的早期步骤并且以吡咯烷途径中的步骤结束。本综述总结了我们对这些途径的理解的现状，重点关注所涉及的各种酶的已知情况。

关键词： 生物降解; 酶机制; 黄素蛋白; 代谢途径; 尼古丁

有毒生物碱（S） - 尼古丁（L-尼古丁）在烟叶中含量很高，烟草加工产生的废物也很多。由此产生的开发对环境友好的降解尼古丁方法的兴趣推动了用于代谢化合物的微生物途径的研究，使用所涉及的酶来合成特种化学品可能具有额外的益处[1,2]。迄今为止，最佳表征的细菌途径是Arthrobacter nicotinovorans的细菌途径和几个假单胞菌。由于各自的初始反应，它们分别称为吡啶和吡咯烷途径。最近，已经描述了结合来自吡啶和吡咯烷途径的步骤的其他途径。在很大程度上，这种代谢的描述集中在所涉及的基因上。一个例外是Brandsch [3]的综述，其描述了生化水平的节杆菌途径。自该评价发表十多年以来，人们已经了解了关于尼古丁代谢和所涉及的酶的其他途径。本报告的目的是总结我们目前对微生物代谢尼古丁的不同途径的理解，重点是酶。

吡啶途径

在A. nicotinovorans中，在质粒pAO1 [4]上发现了参与尼古丁代谢的酶，该质粒的测序是阐明该途径的主要步骤[5]。已经描述了针对Nocardioides sp的类似途径。JS614; 在这种情况下，基因是染色体[6]。如方案1中所示，该途径开始于尼古丁的吡啶基环被烟碱脱氢酶羟基化以产生6-羟基烟碱[7]。基于该基因序列，该酶被鉴定为钼喋呤酶家族的成员，其中还包括黄嘌呤氧化还原酶和醛氧化酶[8]。。pAO1序列与黄嘌呤氧化还原酶的比较鉴定出ndhs，ndhm和ndh1（最初命名为ndhABC）编码三种蛋白质：含有铁硫簇的14.9kDa亚基，含有FAD结合位点的30kDa亚基，和分别含有钼喋呤位点的87.7 kDa亚基[9,10]。与此鉴定一致，活性酶的表达需要钼喋呤[9]，而pAO1含有许多基因，这些基因已经被鉴定为编码参与钼摄取和钼喋呤辅助因子生物合成的蛋白质[11]。方案2的机制可以通过类似于黄嘌呤氧化还原酶的机制来编写尼古丁脱氢酶[8]。这里，掺入产物中的氧最初来自水，产生的两个电子通过铁 - 硫亚基转移到FAD，然后转移到最终的电子受体。

L-6-羟基烟碱氧化酶（LHNO）催化L-6-羟基烟碱随后氧化成6-羟基-N-甲基赖氨酸[12]。纯化的LHNO含有非共价结合的FAD [13]，基因序列与真核单胺氧化酶基因序列最相似[14]。可以获得来自烟碱杆菌的几种高分辨率结构酶，包括底物和产物复合物[15]。这些结构证实该蛋白质是黄素蛋白单胺氧化酶（MAO）家族的成员（图1）[16]。最初鉴定反应产物是由吡咯烷环的C2-C3键氧化产生的[17]。基于该结构和该产品鉴定，提出了一种详细的机制，其中在活性位点中L-6-羟基尼古丁的初始氧化之后在第二位点水解氧化胺以产生6-羟基假氧代烟碱（方案3）[ 15]。然而，最近对利用NMR和连续流动质谱法的LHNO反应产物结构的分析证实，该酶催化C2-N键的氧化，而不是C2-C3键，与催化的典型反应一致。由MAO家庭成员[18]。此外，His187，Glu300和Tyr407的诱变证实它们不参与催化。随后使用pH和溶剂同位素效应对反应进行的机理研究证实，LHNO催化的反应与其他黄素胺氧化酶相同，直接氢化物从不带电荷的胺转移至黄素（方案4）[19,20]。在从酶中释放氧化胺后，在溶液中发生水解形成6-羟基假氧代烟碱。