Brintproducerende enzym beskytter sig selv mod ilt

Et internationalt forskerhold fra Photobiotechnology Research Group ved Ruhr-Universität Bochum (RUB) ledet af professor Thomas Happe og Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Proteines (CNRS) i Marseille har været i stand til at komme til bunds i denne unikke egenskab. De beskriver den molekylære mekanisme i Naturkommunikation den 2. februar 2021.

Enzyme overlever gentagne gange angrebet uskadt

Repræsentanter for [FeFe]-hydrogenase-enzymgruppen kombinerer protoner og elektroner for at danne molekylært hydrogen ved særligt høje omsætningshastigheder. Nogle af dem bruger endda sollys som en primær energikilde til dette. Imidlertid, selv lave iltkoncentrationer fører hurtigt til den irreversible nedbrydning af den katalytiske cofaktor, kaldet H-klyngen. "Dette er indtil videre blevet observeret hos alle repræsentanter for denne enzymgruppe - undtagen CbA5H. Dette enzym har en molekylær mekanisme, der gør det muligt gentagne gange at overleve iltangrebet uskadt, siger Thomas Happe.

I samarbejde med professor Eckhard Hofmann, leder af proteinkrystallografigruppen på RUB, forskerne opdagede enzymets trick ved at analysere dets krystalstruktur. "I det aktive enzym, det åbne substratbindingssted repræsenterer normalt det primære angrebspunkt for ilt, " forklarer Dr. Martin Winkler, en af ​​de involverede RUB-forskere. I CbA5H, dette normalt tilgængelige sted er afskærmet under luft:Under oxidative forhold er thiolgruppen i en cysteinrest, som allerede var kendt for sin involvering i protonmediering på det aktive sted for [FeFe]-hydrogenaser, binder direkte til det frie substratkoordinationssted i den katalytiske 2FeH-klynge. Adgangspunktet er således blokeret for ilt, så længe den omgivende ilt øger redoxpotentialet.

Så snart oxygen er fjernet fra den omgivende gasblanding, og redoxpotentialet falder, thiolgruppen løsnes fra substratbindingsstedet på det aktive sted, og enzymet genoptager sin katalytiske aktivitet uskadt. "Denne hydrogenase kan adoptere den beskyttede tilstand gentagne gange, i modsætning til alle andre kendte [FeFe]-hydrogenaser, " forklarer Thomas Happe.

Forskellen fra andre enzymer

Det var oprindeligt uklart, hvorfor specifikt CbA5H udviser denne beskyttende funktion, mens andre meget lignende [FeFe]-hydrogenaser, som også giver denne cysteinrest på samme sted som en del af protonmedieringskæden, mangler denne vigtige egenskab. En nærmere inspektion af krystalstrukturen af ​​CbA5H i oxygenbeskyttet tilstand viste, at sektionen af ​​proteinkæden, der bærer dette cystein, er forskudt mod substratbindingsstedet nær den aktive cofaktor. Sammenlignet med oxygenfølsomme [FeFe]-hydrogenaser såsom CpI fra Clostridium pasteurianum, forskerne ved RUB var i stand til at identificere tre mindre aminosyrer i CbA5H tæt på den forskudte del af polypeptidkæden, som giver den større bevægelsesfrihed. Elektrokemiske og infrarøde spektroskopiske undersøgelser af proteinvarianter med enkelt- og dobbeltudvekslinger i disse positioner bekræftede vigtigheden af ​​disse aminosyrer for de unikke, potentialkontrolleret molekylær sikkerhedshættemekanisme af CbA5H.

"Som vi nu kender de strukturelle betingelser for denne beskyttelsesmekanisme, det burde også være muligt at overføre den fordelagtige egenskab ved oxygenresistens fra CbA5H til andre [FeFe]-hydrogenaser, " siger Dr. Jifu Duan, et andet medlem af Photobiotechnology Research Group. "Hvis dette lykkes, vi ville være et stort skridt hen imod at bruge [FeFe]-hydrogenaser som hydrogenbiokatalysatorer, " bekræfter Thomas Happe.