ไดออกซิเจเนส
โครงสร้างผลึกของ โปรโตคาเทชูเอต 3,4-ไดออกซิเจเนสจาก แบคทีเรีย Acinetobacterสายพันธุ์ ADP1 ในรูปสารประกอบเชิงซ้อนกับ 3,4-ไดไฮดรอกซีเบนโซเอต
ตัวระบุ
เครื่องหมาย	ไดออกซิเจเนส_ซี
พีแฟม	PF00775
ตระกูลพีแฟม	ซีแอล0287
อินเตอร์โปร	IPR000627
โปรไซต์	PDOC00079
สโคป2	2pcd / SCOPe / SUPFAM
โครงสร้างโปรตีนที่มีอยู่: พีดีบี   IPR000627 PF00775 ( ECOD ; PDBsum )   อัลฟาโฟลด์ IPR000627 PF00775

ไดออกซิเจเนสเป็นเอนไซม์ออกซิโดรีดักเทส สิ่ง มีชีวิตที่ใช้ออกซิเจนในการ หายใจ ตั้งแต่ แบคทีเรียเซลล์เดียวอย่างง่ายไปจนถึง สิ่งมีชีวิตยูคาริโอ ต ที่ซับซ้อน ได้ วิวัฒนาการให้พึ่งพาพลังในการออกซิไดซ์ของออกซิเจนในกระบวนการเมตาบอลิซึมต่างๆ ตั้งแต่การสร้างอะดีโนซีนไตรฟอสเฟต (ATP) ที่ให้พลังงานสูงไปจนถึง การย่อยสลาย สารแปลกปลอมการใช้ออกซิเจนเป็นตัวออกซิ ไดซ์ทางชีวภาพ นั้นแพร่หลายและมีความหลากหลายในกลไกการใช้งานที่แน่นอน เอนไซม์ใช้รูปแบบต่างๆ มากมายในการใช้ออกซิเจน ซึ่งส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับสารตั้งต้นและปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น

ในโมโนออกซิเจเนสจะมีการรวมอะตอมออกซิเจนเพียงหนึ่งอะตอมเข้าไปในสารตั้งต้น ส่วนอีกอะตอมหนึ่งจะถูกรีดิวซ์เป็นโมเลกุลน้ำ ส่วนไดออกซิเจเนส ( EC 1.13.11 ) จะเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของสารตั้งต้นโดยไม่ต้องรีดิวซ์อะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอมจากออกซิเจนให้กลายเป็นโมเลกุลน้ำ อย่างไรก็ตาม คำจำกัดความนี้มีความกำกวม เนื่องจากไม่ได้คำนึงถึงจำนวนสารตั้งต้นที่เกี่ยวข้องในปฏิกิริยา ไดออกซิเจเนสส่วนใหญ่จะรวมออกซิเจนเข้าไปในสารตั้งต้นเพียงตัวเดียวอย่างสมบูรณ์ และ มีการใช้กลไก โคแฟคเตอร์ ที่หลากหลาย เพื่อให้บรรลุเป้าหมายนี้ ตัวอย่างเช่น ใน เอนไซม์ที่ขึ้นอยู่กับ α-ketoglutarateจะมีการรวมอะตอมออกซิเจนหนึ่งอะตอมเข้าไปในสารตั้งต้นสองตัว โดยตัวหนึ่งจะเป็น α-ketoglutarate เสมอ และปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นโดยศูนย์กลางเหล็กโมโนนิวเคลียร์

โคแฟคเตอร์ที่พบเห็นได้ทั่วไปมากที่สุดในปฏิกิริยาไดออกซิเจเนชันคือเหล็กแต่ รูปแบบ การเร่งปฏิกิริยาที่เอนไซม์ที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบเหล่านี้ใช้นั้นมีความหลากหลายมาก เอนไซม์ไดออกซิเจเนสที่มีเหล็กเป็นองค์ประกอบสามารถแบ่งย่อยได้เป็นสามประเภทตามวิธีการที่เหล็กถูกรวมเข้ากับบริเวณเร่งปฏิกิริยา ได้แก่ ประเภทที่ใช้ศูนย์กลางเหล็กแบบโมโนนิวเคลียร์ ประเภทที่มี คลัสเตอร์ Rieske [2Fe-2S] และประเภทที่ใช้กลุ่มโปรสเตติกฮีม

โมโนนิวเคลียร์ไอรอนไดออกซิเจเนส

ไดออกซิเจเนสเหล็กโมโนนิวเคลียร์ หรือไดออกซิเจเนสที่ขึ้นอยู่กับเหล็กที่ไม่ใช่ฮีมตามที่เรียกกันนั้น ล้วนใช้เหล็กเร่งปฏิกิริยาเพียงอะตอมเดียวในการรวมอะตอมของออกซิเจนหนึ่งอะตอมหรือทั้งสองอะตอมเข้ากับสารตั้งต้น แม้ว่าจะมีเหตุการณ์การเติมออกซิเจนที่เหมือนกัน แต่ไดออกซิเจเนสเหล็กโมโนนิวเคลียร์ก็มีความหลากหลายในวิธีการใช้การกระตุ้นออกซิเจนเพื่อส่งเสริมปฏิกิริยาเคมีบางอย่าง^{[ 1 ]}ตัวอย่างเช่น การแตกพันธะคาร์บอน-คาร์บอน การไฮโดรเปอร์ออกซิเดชันของกรดไขมัน การแตกพันธะคาร์บอน-กำมะถัน และการออกซิเดชันของไทออล ล้วนเป็นปฏิกิริยาที่เร่งปฏิกิริยาโดยไดออกซิเจเนสเหล็กโมโนนิวเคลียร์^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]}

ไดออกซิเจเนสเหล็กโมโนนิวเคลียร์ส่วนใหญ่เป็นสมาชิกของซูเปอร์แฟมิลีคูพินซึ่งโครงสร้างโดเมนโดยรวมอธิบายได้ว่าเป็นโครงสร้างแบบ β-barrel หกสาย (หรือ โมทีฟแบบ ม้วนเจลลี่ ) ตรงกลางโครงสร้างแบบบาร์เรลนี้คือไอออนโลหะ ซึ่งโดยทั่วไปคือเหล็กเฟอร์รัส โดยสภาพแวดล้อมการประสานงานมักจะมาจากสารตกค้างในโมทีฟโครงสร้างที่อนุรักษ์ไว้บางส่วนสองแบบ ได้แก่ G(X) HXH(X) - E(X) G และ G(X) - PXG(X) H(X) N ^{[ 4 ] [ 5 ]}

รูปที่ 1. การแตกตัวของวงแหวนเอ็กซ์ตราไดออล

รูปที่ 2 การแตกตัวของวงแหวนอินทราไดออล

ไดออกซิเจเนสเหล็กโมโนนิวเคลียร์ที่ไม่ใช่ฮีมสองกลุ่มที่สำคัญ ได้แก่ ไดออกซิเจเนสคาเทคอลและไดออก ซิเจเน สที่ขึ้นอยู่กับ 2-ออกโซกลูตาเรต (2OG) ^{[ 6 ]} ได ออกซิเจเนสคาเทคอล ซึ่งเป็นเอนไซม์ไดออกซิเจเนสที่ได้รับการศึกษามากที่สุดกลุ่มหนึ่ง ใช้ออกซิเจนในการแยกพันธะคาร์บอน-คาร์บอนของระบบวงแหวนคาเทคอล อะโรมาติก ^{[ 4 ]}ไดออกซิเจเนสคาเทคอลยังถูกจำแนกเพิ่มเติมเป็น "เอ็กซ์ตราไดออล" หรือ "อินทราไดออล" และความแตกต่างนี้ขึ้นอยู่กับความแตกต่างทางกลไกในปฏิกิริยา (รูปที่ 1 และ 2) เอนไซม์อินทราไดออลจะแยกพันธะคาร์บอน-คาร์บอนระหว่างกลุ่มไฮดรอกซิลสองกลุ่ม ศูนย์กลางเฟอร์ริกที่ใช้งานอยู่จะถูกประสานงานโดยลิแกนด์โปรตีนสี่ตัว ได้แก่ฮิสติดีน สองตัวและ ไทโรซิเนตสองตัวในลักษณะไตรโกนัลไบพีระมิดัล โดยมีโมเลกุลน้ำครอบครองตำแหน่งการประสานงานที่ห้า^{[ 3 ]}เมื่อสารตั้งต้นคาเทโคเลตจับกับศูนย์กลางโลหะใน ลักษณะ ไบเดนเทตผ่านกลุ่มไฮดรอกซิลที่ถูกดีโปรตอน เหล็กเฟอร์ริกจะ "กระตุ้น" สารตั้งต้นโดยการดึงอิเล็กตรอนเพื่อสร้างอนุมูลอิสระบนสารตั้งต้น จากนั้นจึงทำให้เกิดปฏิกิริยากับออกซิเจนและเกิดการแตกตัวของอินทราไดออลในภายหลังผ่านตัวกลางแอนไฮไดรด์แบบวงจร^{[ 2 ] [ 4 ]}สมาชิกเอ็กซ์ตราไดออลใช้เหล็กเฟอร์รัสเป็นสถานะรีดอกซ์ที่ใช้งานอยู่ และศูนย์กลางนี้มักจะถูกประสานงานแบบทรงแปดเหลี่ยมผ่านโมทีฟ 2-His-1-Glu โดยมีลิแกนด์น้ำที่หลุดง่ายครอบครองตำแหน่งว่าง เมื่อสารตั้งต้นจับกับศูนย์กลางเฟอร์รัสแล้ว จะส่งเสริมการจับออกซิเจนและการกระตุ้นในภายหลัง^{[ 2 ] [ 4 ] [ 7 ]}จากนั้นออกซิเจนที่ถูกกระตุ้นนี้จะทำปฏิกิริยากับสารตั้งต้นและแตกพันธะคาร์บอน-คาร์บอนที่อยู่ติดกับกลุ่มไฮดรอกซิลในที่สุดผ่านการสร้างตัวกลาง α-คีโตแลคโตน^{[ 3 ]}

ในไดออกซิเจเนสที่ขึ้นอยู่กับ 2OG เหล็กเฟอร์รัส ( Fe(II) ) ยังถูกประสานงานโดยโมทีฟ "ไตรแอดหน้า" (His)2(Glu/Asp)1 การประสานงานแบบไบเดนเตตของ 2OG และน้ำทำให้ทรงกลมการประสานงานแบบเสมือนทรงแปดเหลี่ยมสมบูรณ์ หลังจากการจับกับสารตั้งต้น ลิแกนด์น้ำจะถูกปล่อยออกมา ทำให้เกิดตำแหน่งการประสานงานที่เปิดอยู่สำหรับการกระตุ้นออกซิเจน^{[ 6 ]}เมื่อออกซิเจนจับกับสารตั้งต้น จะเกิดการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ค่อยเข้าใจกันนัก ซึ่ง 2OG จะถูกดีคาร์บอกซิเลชันแบบออกซิเดชันเป็นซัคซิเนต และพันธะ OO จะถูกตัดออกเพื่อสร้างสารตัวกลาง Fe(IV)-oxo ( เฟอร์ริล ) สารออกซิแดนต์ที่ทรงพลังนี้จะถูกนำไปใช้ในการดำเนินการปฏิกิริยาต่างๆ รวมถึงการไฮดรอกซิเลชัน การฮาโลเจนเนชัน และการดีเมทิเลชัน^{[ 8 ]}ในกรณีที่มีลักษณะเฉพาะที่ดีที่สุด ไฮดรอกซิเลส ตัวกลางเฟอร์ริลจะดึงอะตอมไฮโดรเจนออกจากตำแหน่งเป้าหมายของสารตั้งต้น ทำให้เกิดอนุมูลอิสระของสารตั้งต้นและ Fe(III)-OH จากนั้นอนุมูลอิสระนี้จะจับคู่กับลิแกนด์ไฮดรอกไซด์ ทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ไฮดรอกซิเลตและสถานะพัก Fe(II) ของเอนไซม์^{[ 8 ]}

เอนไซม์รีสเกไดออกซิเจเนส

เอนไซม์ Rieske dioxygenase มักจะเร่งปฏิกิริยา cis-dihydroxylation ของอะรีนให้เป็นผลิตภัณฑ์ cis-dihydro-diol เอนไซม์ dioxygenase เหล่านี้ยังเร่งปฏิกิริยา sulfoxidation, desaturation และ benzylic oxidation ด้วย^{[ 2 ]}เอนไซม์เหล่านี้พบได้มากในแบคทีเรียในดิน เช่นPseudomonas [ ^{3 ]}และปฏิกิริยาของเอนไซม์เหล่านี้เป็นขั้นตอนเริ่มต้นในการย่อยสลายทางชีวภาพของไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติก^{[ 2 ] เอนไซม์ Rieske dioxygenase มีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่า dioxygenase อื่นๆ เนื่องจากจำเป็นต้องมีเส้นทางการถ่ายโอนอิเล็กตรอนที่มีประสิทธิภาพ (รูปที่ 2) เพื่อ เป็น}ตัวกลางในการลดอิเล็กตรอนสองตัวพร้อมกันของสารตั้งต้นอะโรมาติก

เอนไซม์ Rieske dioxygenase มีส่วนประกอบ 3 ส่วน ได้แก่NADH-dependent FAD reductase , ferredoxinที่มีคลัสเตอร์ Rieske [2Fe-2S] 2 คลัสเตอร์ และ α3β3 oxygenase โดยแต่ละหน่วยย่อย α ประกอบด้วยศูนย์กลางเหล็กโมโนนิวเคลียร์และคลัสเตอร์ Rieske [2Fe-2S] ^{[ 2 ]}ภายในหน่วยย่อย α แต่ละหน่วย คลัสเตอร์เหล็ก-กำมะถันและศูนย์กลางเหล็กโมโนนิวเคลียร์อยู่ห่างกันประมาณ 43 Å ซึ่งไกลเกินไปสำหรับการถ่ายโอนอิเล็กตรอน อย่างมีประสิทธิภาพ จึงมีการเสนอว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นผ่านศูนย์กลางทั้งสองนี้ในหน่วยย่อยที่อยู่ติดกัน โดยคลัสเตอร์เหล็ก-กำมะถันของหน่วยย่อยหนึ่งจะถ่ายโอนอิเล็กตรอนไปยังศูนย์กลางเหล็กโมโนนิวเคลียร์ของหน่วยย่อยที่อยู่ติดกันซึ่งอยู่ห่างกันประมาณ 12 Å แม้ว่าระยะทางนี้จะดูเหมือนเหมาะสมที่สุดสำหรับการถ่ายโอนอิเล็กตรอนอย่างมีประสิทธิภาพ แต่การแทนที่กรดแอสปาร์เทตที่เป็นตัวเชื่อมจะทำให้การทำงานของเอนไซม์ลดลง ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการถ่ายโอนอิเล็กตรอนเกิดขึ้นผ่านเครือข่ายพันธะไฮโดรเจนที่ยึดไว้ด้วยกรดแอสปาร์เทตนี้แทน^{[ 3 ]}

กลไกการกระตุ้น O โดยไดออกซิเจเนสกลุ่มนี้ได้รับการอธิบายไว้แล้ว^{[ 7 ]}สปีชีส์นี้อาจเป็นตัวแทนของสารออกซิแดนต์ที่ออกฤทธิ์ หรืออาจเกิดการแตกพันธะ OO แบบฮีโมไลติกเพื่อให้ได้สารตัวกลางเหล็ก(V)-ออกโซเป็นตัวออกซิไดซ์ที่ทำงานได้^{[ 3 ] [ 7 ]}

ไดออกซิเจเนสที่มีฮีมเป็นองค์ประกอบ

ในขณะที่ไดออกซิเจเนสที่ขึ้นอยู่กับเหล็กส่วนใหญ่ใช้โคแฟคเตอร์เหล็กที่ไม่ใช่ฮีม การออกซิเดชันของ L-(และ D-)ทริปโตแฟนไปเป็น N-ฟอร์มิลคีนูเรนีนนั้นถูกเร่งปฏิกิริยาโดยทริปโตแฟน 2,3-ไดออกซิเจเนส (TDO) หรืออินโดลามีน 2,3-ไดออกซิเจเนส (IDO) ซึ่งเป็นไดออกซิเจเนสฮีมที่ใช้เหล็กที่ประสานงานโดยกลุ่มโปรสเตติกฮีม B ^{[ 9 ] [ 10 ]}แม้ว่าไดออกซิเจเนสเหล่านี้จะน่าสนใจส่วนหนึ่งเพราะใช้ฮีมในการเร่งปฏิกิริยาอย่างเป็นเอกลักษณ์ แต่ก็ยังน่าสนใจเนื่องจากความสำคัญของ การควบคุม ทริปโตแฟนในเซลล์ ซึ่งมีผลกระทบทางสรีรวิทยามากมาย^{[ 11 ]}การเชื่อมโยงเริ่มต้นของสารตั้งต้นกับไดออกซิเจน-เหล็กในบริเวณออกฤทธิ์ของเอนไซม์นั้นเชื่อว่าดำเนินไปผ่านการเติมแบบอนุมูลอิสระหรือแบบอิเล็กโทรฟิลิก โดยต้องใช้เหล็กเฟอร์รัสหรือเหล็กเฟอร์ริกตามลำดับ^{[ 9 ]}แม้ว่ากลไกปฏิกิริยาที่แน่นอนสำหรับไดออกซิเจเนสที่ขึ้นอยู่กับฮีมจะยังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ แต่ก็มีการตั้งสมมติฐานว่าปฏิกิริยาดำเนินไปผ่านกลไกไดออกซีเทนหรือ กลไก ครีจี (รูปที่ 4, 5) ^{[ 9 ] [ 11 ]}

รูปที่ 4 กลไกการจัดเรียงใหม่ของครีจีที่เป็นไปได้โดย TDO/IDO

รูปที่ 5 กลไกการเกิดไดออกซีเทนที่เป็นไปได้โดย TDO/IDO

แม้ว่าเหล็กจะเป็นโคแฟคเตอร์ที่พบมากที่สุดที่ใช้ในการไดออกซิเจเนชันของเอนไซม์ แต่ก็ไม่จำเป็นสำหรับไดออกซิเจเนสทั้งหมดในการเร่งปฏิกิริยา เคอร์เซติน 2,3-ไดออกซิเจเนส (เคอร์เซติเนส, QueD) เร่งปฏิกิริยาการแตกตัวของเคอร์เซติน ด้วย ไดออกซิเจโนไลติกเป็นกรด 2-โปรโตคาเท ชูออยล์ ฟลอโรกลูซินอลคาร์บอกซิลิกและคาร์บอนมอนอกไซด์ [ 12 ] ^{เอนไซม์ที่มี}ลักษณะเฉพาะมากที่สุดจากAspergillus japonicus ต้องการทองแดง^{[ 4 ]}และมีการค้นพบเคอร์เซติเนสจากแบคทีเรียที่มีความหลากหลาย (แคมเบียลิสติก) ^{[ 13 ]}ในความต้องการของศูนย์กลางโลหะ โดยมีรายงานระดับกิจกรรมที่แตกต่างกันเมื่อมีการแทนที่ด้วยแมงกานีสโคบอลต์ เหล็กนิกเกลและทองแดง^{[ 12 ]} (เคอร์เซติน บทบาทในการเผาผลาญ) อะซิเรดักโทน (1,2-ไดไฮดรอกซี-5-(เมทิลไทโอ)เพนท์-1-เอน-3-โอน) ไดออกซิเจเนส (ARD) พบได้ทั้งในโปรคาริโอตและยูคาริโอต^{[ 4 ] [ 12 ] [ 14 ]}เอนไซม์ ARD จากสปีชีส์ส่วนใหญ่จะจับกับเหล็กเฟอร์รัสและเร่งปฏิกิริยาออกซิเดชันของอะซิเรดักโทนเป็น 4-(เมทิลไทโอ)-2-ออกโซบิวทาโนเอต กรดอัลฟา-คีโตของเมไทโอนีนและกรดฟอร์มิกอย่างไรก็ตามARDจากKlebsiella oxytocaจะเร่งปฏิกิริยาเพิ่มเติมเมื่อจับกับนิกเกิล(II) โดยจะผลิต 3-(เมทิลไทโอ)โพรพิโอเนต ฟอร์เมต และคาร์บอนมอนอกไซด์จากปฏิกิริยาของอะซิเรดักโทนกับออกซิเจน การทำงานของ Fe-ARD มีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับเส้นทางการกู้คืนเมไทโอนีน ซึ่งเมทิลไทโออะดีโนซีนซึ่งเป็นผลิตภัณฑ์จาก ปฏิกิริยา S-อะดีโนซิลเมไทโอนีน (SAM) ในเซลล์ จะถูกแปลงเป็นอะซิเรดักโทนในที่สุด

แม้ว่าบทบาทที่แท้จริงของ Ni-ARD จะยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด แต่ก็คาดว่ามีส่วนช่วยในการควบคุมระดับเมไทโอนีนโดยทำหน้าที่เป็นทางลัดในเส้นทางการกู้คืน เอนไซม์ K. oxytoca นี้ เป็นตัวอย่างที่ไม่เหมือนใครซึ่งไอออนโลหะที่มีอยู่จะกำหนดว่าปฏิกิริยาใดจะถูกเร่งปฏิกิริยา เอนไซม์เควอร์เซทิเนสและ ARD ล้วนเป็นสมาชิกของซูเปอร์แฟมิลีคูพินซึ่งเอนไซม์เหล็กโมโนนิวเคลียร์ก็เป็นสมาชิกด้วย เช่นกัน ^{[ 15 ]}แผนการประสานงานของโลหะสำหรับเอนไซม์ QueD คือ 3-His หรือ 3-His-1-Glu โดยการจัดเรียงที่แน่นอนจะแตกต่างกันไปตามสิ่งมีชีวิต^{[ 4 ]}เอนไซม์ ARD ทั้งหมดจะคีเลตโลหะเร่งปฏิกิริยา (ไม่ว่าจะเป็น Ni หรือ Fe) ผ่านทางโมทีฟ 3-His-1-Glu ^{[ 15 ]}ในไดออกซิเจเนสเหล่านี้ลิแกนด์ ที่ประสานงาน จะมาจากโมทีฟคูพินทั่วไปทั้งสองแบบ ในเอนไซม์ ARD โลหะจะอยู่ในโครงสร้างทรงแปดเหลี่ยม โดยมีหมู่ ฮิสติดีนสามหมู่ประกอบกันเป็นสามเหลี่ยมด้านเท่า^{[ 14 ]}โดยทั่วไปศูนย์กลางโลหะของเควอร์เซตินเนสในแบคทีเรียจะมี สภาพแวดล้อมการประสานงาน แบบไตรโกนัลไบพีระมิดหรือทรงแปดเหลี่ยมเมื่อมีลิแกนด์โปรตีนสี่ตัว ศูนย์กลางโลหะของเอนไซม์ QueD ที่ขึ้นอยู่กับทองแดงมีรูปทรงเรขาคณิตแบบเตตระเฮดรัลที่บิดเบี้ยวซึ่งมีเพียงหมู่ฮิสติดีนสามหมู่ที่อนุรักษ์ไว้เท่านั้นที่ให้ลิแกนด์การประสานงาน^{[ 4 ] [ 12 ]}ตำแหน่งการประสานงานที่ว่างในศูนย์กลางโลหะทั้งหมดจะถูกครอบครองโดยลิแกนด์อะควาจนกว่าจะถูกแทนที่ด้วยสารตั้งต้นที่เข้ามา

ความสามารถของเอนไซม์ไดออกซิเจเนสเหล่านี้ในการคงกิจกรรมไว้ได้แม้จะมีโคแฟคเตอร์โลหะอื่นๆ ที่มี ศักยภาพ รีดอกซ์ หลากหลายช่วง แสดงให้เห็นว่าศูนย์กลางโลหะไม่ได้มีบทบาทเชิงรุกในการกระตุ้นออกซิเจน แต่เชื่อว่าศูนย์กลางโลหะทำหน้าที่ยึดสารตั้งต้นให้อยู่ในรูปทรงเรขาคณิตที่เหมาะสมเพื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจน ในแง่นี้ เอนไซม์เหล่านี้คล้ายคลึงกับเอนไซม์อินทราไดออลคาเทคอลไดออกซิเจเนส ซึ่งศูนย์กลางโลหะทำหน้าที่กระตุ้นสารตั้งต้นเพื่อทำปฏิกิริยากับออกซิเจนต่อไป

ไดออกซิเจเนสที่เร่งปฏิกิริยาโดยไม่จำเป็นต้องใช้โคแฟคเตอร์นั้นพบได้ยากในธรรมชาติมากกว่าไดออกซิเจเนสที่จำเป็นต้องใช้โคแฟคเตอร์ ไดออกซิเจเนสสองชนิด ได้แก่1H-3-ไฮดรอกซี-4-ออกโซ-ควิโนลีน 2,4-ไดออกซิเจเนส (QDO) และ1H-3-ไฮดรอกซี-4-ออกโซควินาลดีน 2,4-ไดออกซิเจเนส (HDO) ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าไม่จำเป็นต้องใช้โคแฟคเตอร์อินทรีย์หรือโลหะ^{[ 16 ]}เอนไซม์เหล่านี้เร่งการสลายตัวของเฮเทอโรไซเคิลควิโนลีนในลักษณะที่คล้ายกับเควอร์เซตินไดออกซิเจเนสแต่เชื่อว่าทำหน้าที่เป็นตัวกลางในปฏิกิริยาอนุมูลอิสระของโมเลกุลไดออกซิเจนกับคาร์บานไอออนบนสารตั้งต้น (รูปที่ 5) ^{[ 17 ]}ทั้ง HDO และ QDO ต่างก็อยู่ใน กลุ่มเอนไซม์ α/β ไฮโดรเลสแม้ว่าสารตกค้างเร่งปฏิกิริยาใน HDO และ QDO จะดูเหมือนไม่ได้ทำหน้าที่เหมือนกับเอนไซม์อื่นๆ ในกลุ่ม α/β ไฮโดรเลสก็ตาม^{[ 16 ]}

ความหลากหลายในตระกูลไดออกซิเจเนสหมายถึงบทบาททางชีวภาพที่หลากหลาย:

• ทริปโตแฟน 2,3-ไดออกซิเจเนส (TDO) ช่วยควบคุมทริปโตแฟนในร่างกายและพบได้ในเนื้องอกของมนุษย์หลายชนิด^{[ 18 ]}ไดออกซิเจเนสที่ขึ้นอยู่กับเหล็กฮีมอีกตัวหนึ่งคือ IDO ก็มีความเกี่ยวข้องกับสุขภาพของมนุษย์เช่นกัน เนื่องจากทำหน้าที่ในการตอบสนองต่อการอักเสบในบริบทของโรคบางชนิด^{[ 19 ]} IDO มีผลต่อทั้งทริปโตแฟนและคีนูเรนีนและมีความเชื่อมโยงกับภาวะซึมเศร้าในมนุษย์^{[ 20 ]}
• โรค อัลคาปโทนูเรียเป็นโรคทางพันธุกรรมที่ทำให้เกิดการขาดเอนไซม์โฮโมเจนติเซต 1,2-ไดออกซิเจเนสซึ่งมีหน้าที่เร่งปฏิกิริยาการสร้าง4-มาเลย์อะซีโตอะซิเตตจากโฮโมเจนติเซต [ ^{21 ] การ}สะสมของกรดโฮโมเจนติซิกอาจส่งผลให้เกิดความเสียหายต่อลิ้นหัวใจ นิ่วในไต และความเสียหายต่อกระดูกอ่อนในร่างกาย^{[ 22 ]}
• โรค ความเสื่อมของระบบประสาทที่เกี่ยวข้องกับแพนโทเทเนตไคเนส (PKAN) เป็น โรค ทางพันธุกรรมแบบยีนด้อยที่สามารถนำไปสู่การพัฒนาของเม็ดเหล็กและเลวีบอดี้ในเซลล์ประสาทการศึกษาหนึ่งแสดงให้เห็นว่าผู้ป่วยที่ได้รับการวินิจฉัยว่าเป็น PKAN พบว่ามีระดับซิสเทอีน เพิ่มขึ้นใน โกลบัสพัลลิดัสอันเป็นผลมาจากการขาดซิสเทอีนไดออกซิเจเนส^{[ 23 ]}ผู้ป่วยที่เป็น PKAN มักมีอาการของภาวะสมองเสื่อมและมักเสียชีวิตตั้งแต่อายุยังน้อยในวัยผู้ใหญ่
• ในกระบวนการซ่อมแซม DNA เอนไซม์ไดออกซิเจเนส AlkBที่ขึ้นอยู่กับ Fe(II)/2-oxoglutarate ทำหน้าที่ในการกำจัดความเสียหายจากการเติมหมู่แอลคิลลงบน DNA ด้วยกระบวนการออกซิเดชัน การไม่สามารถกำจัดความเสียหายจากการเติมหมู่แอลคิลลงบน DNA อาจส่งผลให้เกิดความเป็นพิษต่อเซลล์หรือการกลายพันธุ์ในระหว่างการจำลองแบบ DNA
• ไซโคลออกซิเจเนส (COX) ซึ่งมีหน้าที่สร้างโปรสตาโนอิดในร่างกายมนุษย์ เป็นเป้าหมายของยาแก้ปวดNSAID หลายชนิด ^{[ 10 ]}การยับยั้ง COX ส่งผลให้การอักเสบลดลงและมีฤทธิ์ระงับปวดเนื่องจากระดับการสังเคราะห์โปรสตาแกลนดินและทรอมบอกเซนลดลง