Fuldt identificeret - protonernes vej

I deres katalytiske center, hydrogenaser fremstiller molekylært hydrogen (H2) ud fra to protoner og to elektroner. De udvinder de protoner, der er nødvendige for denne proces, fra det omgivende vand og overfører dem - via en transportkæde - til deres katalytiske kerne. Den nøjagtige protonvej gennem hydrogenasen var endnu ikke blevet forstået. "Denne overførselsvej er et puslespil, afgørende for at forstå samspillet mellem cofaktor og protein, hvilket er grunden til, at biokatalysatorer er så meget mere effektive end brintproducerende kemiske komplekser, " forklarer Dr. Martin Winkler, en af ​​forfatterne til denne undersøgelse fra Photobiotechnology research group ved RUB.

For at finde ud af, hvilke af hydrogenasebyggestenene, der er involveret i protonoverførsel, forskerne erstattede dem individuelt. De erstattede hver af dem enten med en aminosyre med en lignende funktion eller med en dysfunktionel aminosyre. Dermed, 22 varianter af to forskellige hydrogenaser blev skabt. Efterfølgende forskerne sammenlignede disse varianter med hensyn til forskellige aspekter, herunder deres spektroskopiske egenskaber og deres enzymaktivitet. "De molekylære strukturer af tolv proteinvarianter, som blev løst ved hjælp af røntgenstrukturanalyse, viste sig at være særlig informativ, siger Winkler.

Aminosyrer uden funktion lukker hydrogenaser

Afhængigt af hvor og hvordan forskerne havde ændret hydrogenasen, brintproduktionen blev mindre effektiv eller stoppede helt. "Dermed, vi konstaterede, hvorfor nogle varianter er alvorligt svækket med hensyn til enzymaktivitet, og hvorfor andre næppe er svækket overhovedet - mod alle forventninger, siger Martin Winkler.

Jo tættere på det katalytiske center de erstattede aminosyrer var placeret, jo mindre i stand var hydrogenasen til at kompensere for disse modifikationer. Hvis byggeklodser uden funktion var indlejret på følsomme steder, brintproduktionen blev lukket ned. "Den således genererede tilstand ligner en overmætning på grund af protonstress, hvor protoner såvel som hydrogen introduceres samtidigt i hydrogenasen, " uddyber Martin Winkler. "I løbet af vores projekt, vi var for første gang i stand til at stabilisere og analysere denne meget forbigående tilstand, som vi allerede var stødt på i eksperimenter."

Værdifuld baseline information

Denne undersøgelse har gjort det muligt at tildele individuelle aminosyrers funktioner til protonoverførselsvejen for enzymgruppen af ​​[FeFe]-hydrogenaser. "I øvrigt, det giver værdifuld information om den molekylære mekanisme for protonoverførsel med redoxaktive proteiner og de strukturelle krav dertil, " slutter Thomas Happe.