Det tager en neutronstråle at finde en proton

Forståelse af proteiners og enzymers adfærd er nøglen til at låse hemmelighederne ved biologiske processer op. Proteinernes atomstrukturer undersøges generelt ved hjælp af røntgenkrystallografi; imidlertid, de nøjagtige oplysninger om hydrogenatomer og protoner (hydrogenioner) er normalt uopnåelige. Nu et team, herunder Osaka University, Osaka Medical College, Nationale institutter for kvante- og radiologisk videnskab og teknologi, Ibaraki Universitet, og University of Tsukuba har brugt neutronkrystallografi til at afsløre strukturelle detaljer i høj opløsning af et meget stort oxidaseprotein. Deres resultater offentliggøres i PNAS .

Hydrogenatomer og protoner, der udgør omkring halvdelen af ​​atomerne i proteiner og enzymer, spiller ofte afgørende roller i de opgaver, disse biomolekyler udfører; imidlertid, deres nøjagtige positioner er svære at identificere på grund af deres lille størrelse. Den mest almindelige metode til at udarbejde strukturen af ​​et protein er at rette en stråle af højenergirøntgenstråler mod en proteinkrystal og analysere diffraktionsmønsteret, der skyldes røntgenstrålenes interaktioner med atomerne i atomerne i struktur. Desværre, Røntgenstråler interagerer ikke stærkt med hydrogenatomer eller protoner, som har lav eller ingen elektrontæthed, gør dem svære at "se".

En løsning er at anvende en neutronstråle på krystallen i stedet for røntgenstråler. Neutroner interagerer med atomernes kerner på deres vej, herunder hydrogenatomer og protoner, på trods af at de er små. Diffraktionsmønstrene som følge af disse interaktioner registreres, efter at neutronstrålen er passeret gennem krystallen, og afkodes til de præcise placeringer af kernerne, herunder brintkerner.

"Hydrogenatomer og protoner er særlig interessante komponenter i enzymstrukturer, fordi de kan udvise kvanteadfærd, der for nylig har vist sig at være afgørende for enzymfunktionen. Det er derfor vigtigt at bestemme deres placeringer i proteinstrukturen nøjagtigt for at opklare, hvad der sker , "forklarer den tilsvarende forfatter Toshihide Okajima." Ved hjælp af neutronkrystallografi, vi var i stand til at bestemme strukturen af ​​en bakteriel kobberaminoxidase med en molekylvægt på 70, 600 - hvilket er ekstremt stort for neutronkrystallografi og væsentligt overstiger tidligere registrerede molekylmasser - og stadig præcist lokaliserer hydrogenatomerne og protonerne i strukturen. En usædvanlig 'leviteret' proton blev observeret mellem en kofaktor, topa quinon, og en aminosyrerest strengt konserveret i denne klasse af enzymer. "

Topakinon -kofaktoren kovalent bundet til enzymet spiller en væsentlig rolle i den katalytiske funktion. Forskerne var endelig i stand til at etablere et komplet billede af topa quinon 30 år efter dets opdagelse som en protein-afledt kofaktor. De fandt ud af, at kofaktoren faktisk eksisterer i ligevægt mellem to forskellige former.

"Enzymaktive steder - hvor reaktionerne finder sted - kan give os en masse information og inspiration, hvis vi er i stand til fuldt ud at forstå, hvad der sker, "Okajima forklarer." Vores demonstration af brug af neutronkrystallografi til at afdække protonkvanteffekter lover at være meget nyttig for mange forskere, der studerer enzymer og deres mekanismer. "