Crystal structure of human indoleamine 2,3-dioxygenase: Catalytic mechanism of O 2 incorporation by a heme-containing dioxygenase

双加氧酶 血红素 化学 立体化学 活动站点 吲哚胺2,3-双加氧酶 氧化还原酶 配体(生物化学) 基质(水族馆) 蛋白质结构 细胞色素 氨基酸 色氨酸 催化作用 生物化学 海洋学 受体 地质学
作者
Hiroshi Sugimoto,Shun-ichiro Oda,Takashi Ôtsuki,Tomoya Hino,Tadashi Yoshida,Yoshitsugu Shiro
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:103 (8): 2611-2616 被引量:426
标识
DOI:10.1073/pnas.0508996103
摘要

Human indoleamine 2,3-dioxygenase (IDO) catalyzes the cleavage of the pyrrol ring of L-Trp and incorporates both atoms of a molecule of oxygen (O2). Here we report on the x-ray crystal structure of human IDO, complexed with the ligand inhibitor 4-phenylimidazole and cyanide. The overall structure of IDO shows two alpha-helical domains with the heme between them. A264 of the flexible loop in the heme distal side is in close proximity to the iron. A mutant analysis shows that none of the polar amino acid residues in the distal heme pocket are essential for activity, suggesting that, unlike the heme-containing monooxygenases (i.e., peroxidase and cytochrome P450), no protein group of IDO is essential in dioxygen activation or proton abstraction. These characteristics of the IDO structure provide support for a reaction mechanism involving the abstraction of a proton from the substrate by iron-bound dioxygen. Inactive mutants (F226A, F227A, and R231A) retain substrate-binding affinity, and an electron density map reveals that 2-(N-cyclohexylamino)ethane sulfonic acid is bound to these residues, mimicking the substrate. These findings suggest that strict shape complementarities between the indole ring of the substrate and the protein side chains are required, not for binding, but, rather, to permit the interaction between the substrate and iron-bound dioxygen in the first step of the reaction. This study provides the structural basis for a heme-containing dioxygenase mechanism, a missing piece in our understanding of heme chemistry.

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