NiFe氫化酶中活性位點組裝所需的CO生物合成

由生命與生命系統(tǒng)探索性研究中心(ExCELLS)，國立自然科學研究院分子科學研究所(IMS)和大阪大學的研究人員組成的研究組揭示了生物合成一氧化碳所必需的詳細機理。 NiFe氫化酶活性位點的成熟。

氫化酶是負責氫氣氧化和質(zhì)子還原的金屬酶，在細菌氫代謝中起關(guān)鍵作用。根據(jù)活性位點金屬含量的不同，將它們分為三類：NiFe-，F(xiàn)eFe-和Fe-氫化酶，它們在這些酶中含有不同的金屬配合物作為活性中心(圖1)。盡管它們的活性中心處的結(jié)構(gòu)不同，但是一氧化碳(CO)與活性中心中的鐵離子配位對于氫化酶活性至關(guān)重要。已知通過酶反應(yīng)生物合成CO ，但是CO生物合成的細節(jié)未知。

在這項研究中，研究小組確定了負責CO生物合成的酶(HypX)的晶體結(jié)構(gòu)(圖2)，基于此，HypX通過前所未有的NiFe加氫酶成熟反應(yīng)生物合成CO。HypX由兩個域組成：N端和C端域。HypX內(nèi)部存在一個連接N和C末端結(jié)構(gòu)域的連續(xù)空腔(圖2)。在晶體結(jié)構(gòu)中，輔酶A(CoA)結(jié)合到型腔的C端區(qū)域。

在N和C末端域中發(fā)生兩個不同的反應(yīng)。在N端結(jié)構(gòu)域中，發(fā)生了甲酰四氫葉酸的甲?；D(zhuǎn)移反應(yīng)，該甲酰四氫葉酸在腔體的N端區(qū)域作為底物與CoA結(jié)合(圖3中的反應(yīng)步驟1)。此時，腔中的CoA呈線性延伸的構(gòu)象，CoA的SH-基位于結(jié)合在N-末端結(jié)構(gòu)域的甲酰基四氫葉酸中的甲?；浇Ｈ缓?，通過甲酰基四氫葉酸酯向CoA的甲?；D(zhuǎn)移反應(yīng)，生成甲?；?CoA作為反應(yīng)中間體。

在下一步中，甲?；?CoA在空腔中發(fā)生大的構(gòu)象變化，以使甲?；?CoA末端位置的甲酰基位于HypX C末端結(jié)構(gòu)域的活性位點(圖2中的反應(yīng)步驟2)。 3)。在C端結(jié)構(gòu)域中，CO通過甲?；?CoA的脫羰作用形成(圖3中的反應(yīng)步驟3)。

該CO生物合成反應(yīng)是前所未有的新穎反應(yīng)。CoA是眾所周知的輔酶，它在檸檬酸循環(huán)中對脂肪酸代謝和細胞能量代謝具有重要作用。然而，從未報道過CoA /甲酰基-CoA參與CO生物合成反應(yīng)。這項研究揭示了一種眾所周知的輔酶CoA的新型生理功能。

在許多情況下，金屬酶的生物合成機制仍然未知。仍然有待特別闡明的是，金屬酶的含金屬活性中心是如何組裝的。在這項工作中，我們確定了催化[NiFe]氫化酶活性位點構(gòu)建所必需的一氧化碳生物合成反應(yīng)的酶的第一晶體結(jié)構(gòu)。將來，我們將根據(jù)這一結(jié)果繼續(xù)進行研究，以闡明整個氫化酶成熟途徑的詳細機理。