CO-biosyntese påkrævet til samling af det aktive sted i NiFe-hydrogenase

En forskergruppe, der omfatter forskere fra Exploratory Research Center on Life and Living Systems (ExCELLS), Institute for Molecular Science (IMS) i National Institutes of Natural Sciences, og Osaka University har afsløret den detaljerede mekanisme for biosyntesen af ​​kulilte, der er afgørende for modning af det aktive sted af NiFe-hydrogenase.

Hydrogenase, som er et metalloenzym, der er ansvarligt for oxidation af hydrogengas og reduktion af protoner, spiller en central rolle i bakteriel brintmetabolisme. Baseret på forskellene i metalindhold på det aktive sted, de er klassificeret i tre grupper:NiFe-, FeFe-, og Fe-hydrogenaser indeholdende forskellige metalkomplekser som aktive centre i disse enzymer (figur 1). Selvom strukturerne i de aktive centre i dem er forskellige, det er afgørende for hydrogenaseaktivitet, at kulilte (CO) koordineres med jernionen i det aktive center. Det vides, at CO biosyntetiseres ved en enzymatisk reaktion, men detaljerne i CO -biosyntese var ukendte.

I denne forskning, gruppen bestemte krystallstrukturen af ​​enzymet (HypX), der er ansvarlig for biosyntesen af ​​CO (figur 2), baseret på hvilken HypX biosyntetiserer CO ved en hidtil uset reaktion for modning af NiFe-hydrogenase. HypX består af to domæner:N-terminal og C-terminal domæner. Et kontinuerligt hulrum, der forbinder N- og C-terminaldomæner, er til stede i det indre af HypX (figur 2). I krystalstrukturen, coenzym A (CoA) er bundet til den C-terminale region i hulrummet.

To forskellige reaktioner forekommer i de N- og C-terminale domæner. I N-terminal domænet, en formylgruppeoverførselsreaktion fra formyltetrahydrofolat, som er bundet i det N-terminale område af hulrummet som et substrat for CoA, finder sted (reaktionstrin 1 i fig. 3). På dette tidspunkt, CoA i hulrummet vedtager den lineære udvidede konformation, og SH-gruppen af ​​CoA er placeret nær formylgruppen i formyltetrahydrofolatet bundet i det N-terminale domæne. Derefter, formyl-CoA fremstilles som et reaktionsmellemprodukt ved formyl-gruppeoverførselsreaktionen fra formyltetrahydrofolat til CoA.

I det næste trin, formyl-CoA undergår en stor konformationsændring i hulrummet, så formylgruppen i formyl-CoAs endelige position er placeret på det aktive sted i det C-terminale domæne i HypX (reaktionstrin 2 i fig. 3). I C-terminal domænet, CO dannes ved decarbonylering af formyl-CoA (reaktionstrin 3 i fig. 3).

Denne CO -biosyntesereaktion er en hidtil uset og ny reaktion. CoA er kendt som et coenzym, som har den vigtige rolle i fedtsyremetabolisme og cellulær energisk metabolisme gennem citronsyrecyklussen. Imidlertid, det er aldrig blevet rapporteret, at CoA/formyl-CoA er involveret i CO-biosyntesereaktioner. Denne forskning har afsløret en ny fysiologisk funktion af et velkendt coenzym CoA.

Fremtidsudsigter:

De biosyntetiske mekanismer for metalloenzymer forbliver ukendte i mange tilfælde. Det mangler at blive belyst, især hvordan de metalholdige aktive centre af metalloenzymer er blevet samlet. I dette arbejde, vi bestemte den første krystalstruktur af enzymet, der katalyserer den biosyntetiske reaktion af kulilte, der er afgørende for konstruktionen af ​​det aktive sted for [NiFe] hydrogenase. I fremtiden, vi vil fortsætte forskningen for at belyse den detaljerede mekanisme for hele hydrogenasemodningsvejen baseret på dette resultat.