Un equipo de investigación internacional del Grupo de Investigación en Fotobiotecnología de la Ruhr-Universität Bochum (RUB) dirigido por el profesor Thomas Happe y el Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS) en Marsella ha podido llegar al fondo de esta característica única. Describen el mecanismo molecular en Comunicaciones de la naturaleza el 2 de febrero de 2021.

La enzima sobrevive ilesa repetidamente al ataque

Los representantes del grupo de enzimas [FeFe] -hidrogenasa combinan protones y electrones para formar hidrógeno molecular a tasas de rotación particularmente altas. Algunos de ellos incluso utilizan la luz solar como fuente de energía primaria para ello. Sin embargo, Incluso concentraciones bajas de oxígeno conducen rápidamente a la ruptura irreversible del cofactor catalítico. llamado el grupo H. "Hasta ahora, esto se ha observado en todos los representantes de este grupo de enzimas, a excepción de CbA5H. Esta enzima tiene un mecanismo molecular que le permite sobrevivir repetidamente al ataque de oxígeno sin sufrir daño alguno". "dice Thomas Happe.

En colaboración con el profesor Eckhard Hofmann, jefe del grupo de Cristalografía de Proteínas en RUB, los investigadores descubrieron el truco de la enzima analizando su estructura cristalina. "En la enzima activa, el sitio de unión del sustrato abierto generalmente representa el punto principal de ataque del oxígeno, "explica el Dr. Martin Winkler, uno de los investigadores de RUB involucrados. En CbA5H, este sitio normalmente accesible está protegido por el aire:En condiciones oxidativas, el grupo tiol de un residuo de cisteína, que ya era conocido por su participación en la mediación de protones en el sitio activo de [FeFe] -hidrogenasas, se une directamente al sitio de coordinación del sustrato libre del grupo catalítico 2FeH. El punto de acceso queda así bloqueado para el oxígeno siempre que el oxígeno ambiental aumente el potencial redox.

Tan pronto como se elimine el oxígeno de la mezcla de gas ambiental y el potencial redox disminuya, el grupo tiol se separa del sitio de unión al sustrato del sitio activo y la enzima reanuda su actividad catalítica sin daño. "Esta hidrogenasa puede adoptar el estado protegido repetidamente, a diferencia de todas las demás [FeFe] -hidrogenasas conocidas, "explica Thomas Happe.

La diferencia con otras enzimas.

Inicialmente no estaba claro por qué específicamente CbA5H exhibe esta función protectora, mientras que otras [FeFe] -hidrogenasas muy similares, que también proporcionan este residuo de cisteína en el mismo lugar que parte de la cadena de mediación de protones carecen de esta importante característica. Una inspección más cercana de la estructura cristalina de CbA5H en el estado protegido con oxígeno mostró que la sección de la cadena de proteína que lleva esta cisteína se desplaza hacia el sitio de unión del sustrato cerca del cofactor activo. En comparación con las [FeFe] -hidrogenasas sensibles al oxígeno, como el CpI de Clostridium pasteurianum, los investigadores de RUB pudieron identificar tres aminoácidos más pequeños en CbA5H cerca de la sección desplazada de la cadena polipeptídica, que le proporcionan una mayor libertad de movimiento. Los exámenes de espectroscopía electroquímica e infrarroja de variantes de proteínas con intercambios simples y dobles en estas posiciones confirmaron la importancia de estos aminoácidos para el único, mecanismo de tapa de seguridad molecular controlado por potencial de CbA5H.

"Como ahora conocemos las condiciones estructurales de este mecanismo de protección, también debería ser posible transferir la propiedad ventajosa de la resistencia al oxígeno de CbA5H a otras [FeFe] -hidrogenasas, "dice el Dr. Jifu Duan, otro miembro del Grupo de Investigación en Fotobiotecnología. "Si tiene éxito, sería un gran paso hacia el uso de [FeFe] -hidrogenasas como biocatalizadores de hidrógeno, "confirma Thomas Happe.