Een onderzoeksgroep met onderzoekers van het Exploratory Research Centre on Life and Living Systems (ExCELLS), Instituut voor Moleculaire Wetenschappen (IMS) in National Institutes of Natural Sciences, en de Universiteit van Osaka hebben het gedetailleerde mechanisme onthuld van de biosynthese van koolmonoxide die essentieel is voor de rijping van de actieve plaats van NiFe-hydrogenase.

Hydrogenase, dat is een metallo-enzym dat verantwoordelijk is voor de oxidatie van waterstofgas en de reductie van protonen, speelt een sleutelrol in het bacteriële waterstofmetabolisme. Op basis van de verschillen in metaalgehalte op de actieve site, ze zijn ingedeeld in drie groepen:NiFe-, FeFe-, en Fe-hydrogenasen die verschillende metaalcomplexen bevatten als actieve centra in deze enzymen (Figuur 1). Hoewel de structuren in de actieve centra ervan verschillend zijn, het is essentieel voor hydrogenase-activiteit dat koolmonoxide (CO) wordt gecoördineerd met het ijzerion in het actieve centrum. Het is bekend dat CO wordt gebiosynthetiseerd door een enzymatische reactie, maar het detail van CO-biosynthese was onbekend.

In dit onderzoek, de groep bepaalde de kristalstructuur van het enzym (HypX) dat verantwoordelijk is voor de biosynthese van CO (Figuur 2), op basis waarvan HypX CO biosynthetiseert door een ongekende reactie voor de rijping van NiFe-hydrogenase. HypX bestaat uit twee domeinen:de N-terminale en C-terminale domeinen. Een continue holte die de N- en C-terminale domeinen verbindt, is aanwezig in het interieur van HypX (Figuur 2). In de kristalstructuur, co-enzym A (CoA) is gebonden aan het C-terminale gebied van de holte.

Er vinden twee verschillende reacties plaats in de N- en C-terminale domeinen. In het N-terminale domein, een formylgroepoverdrachtsreactie van formyltetrahydrofolaat, die in het N-terminale gebied van de holte als een substraat aan CoA is gebonden, vindt plaats (reactiestap 1 in Fig. 3). Momenteel, CoA in de holte neemt de lineaire uitgebreide conformatie aan, en de SH-groep van CoA bevindt zich nabij de formylgroep in het formyltetrahydrofolaat gebonden in het N-terminale domein. Vervolgens, formyl-CoA wordt geproduceerd als een reactietussenproduct door de formylgroepoverdrachtsreactie van formyltetrahydrofolaat naar CoA.

In de volgende stap, formyl-CoA ondergaat een grote conformationele verandering in de holte zodat de formylgroep in de terminale positie van formyl-CoA zich op de actieve plaats in het C-terminale domein van HypX bevindt (reactiestap 2 in Fig. 3). In het C-terminale domein, CO wordt gevormd door decarbonylering van formyl-CoA (reactiestap 3 in Fig. 3).

Deze CO-biosynthesereactie is de ongekende en nieuwe reactie. CoA staat bekend als een co-enzym, die de belangrijke rol speelt in het vetzuurmetabolisme en het cellulaire energetische metabolisme door de citroenzuurcyclus. Echter, er is nooit gerapporteerd dat CoA/formyl-CoA betrokken is bij CO-biosynthesereacties. Dit onderzoek heeft een nieuwe fysiologische functie van een bekend co-enzym CoA aan het licht gebracht.

Toekomstperspectieven:

De biosynthetische mechanismen van metallo-enzymen blijven in veel gevallen onbekend. Het moet nog worden opgehelderd, vooral hoe de metaalbevattende actieve centra van metallo-enzymen zijn samengesteld. In dit werk, we hebben de eerste kristalstructuur bepaald van het enzym dat de biosynthetische reactie van koolmonoxide katalyseert die essentieel is voor de constructie van de actieve plaats van [NiFe]-hydrogenase. In de toekomst, we zullen het onderzoek voortzetten voor het ophelderen van het gedetailleerde mechanisme van de hele hydrogenase-rijpingsroute op basis van dit resultaat.