Het begrijpen van het gedrag van eiwitten en enzymen is de sleutel tot het ontrafelen van de geheimen van biologische processen. De atomaire structuren van eiwitten worden over het algemeen onderzocht met behulp van röntgenkristallografie; echter, de precieze informatie voor waterstofatomen en protonen (waterstofionen) is meestal onbereikbaar. Nu een team met inbegrip van de Universiteit van Osaka, Osaka Medisch College, Nationale instituten voor kwantum- en radiologische wetenschap en technologie, Ibaraki-universiteit, en de Universiteit van Tsukuba heeft neutronenkristallografie gebruikt om structurele details met hoge resolutie van een zeer groot oxidase-eiwit te onthullen. Hun bevindingen zijn gepubliceerd in PNAS .

De waterstofatomen en protonen die ongeveer de helft van de atomen in eiwitten en enzymen uitmaken, spelen vaak een cruciale rol in het werk dat deze biomoleculen doen; echter, hun exacte posities zijn moeilijk vast te stellen vanwege hun kleine formaat. De meest gebruikelijke benadering voor het uitwerken van de structuur van een eiwit is om een ​​bundel hoogenergetische röntgenstralen op een eiwitkristal te richten en het diffractiepatroon te analyseren dat het resultaat is van de interacties van de röntgenstralen met de elektronen van atomen in de structuur. Helaas, Röntgenstralen hebben geen sterke wisselwerking met waterstofatomen of protonen, die een lage of geen elektronendichtheid hebben, waardoor ze moeilijk te 'zien' zijn.

Een oplossing is om een ​​neutronenbundel op het kristal aan te brengen in plaats van röntgenstraling. Neutronen interageren met de kernen van de atomen op hun pad, inclusief die van waterstofatomen en protonen, ondanks dat ze klein zijn. De diffractiepatronen die het gevolg zijn van deze interacties worden geregistreerd nadat de neutronenbundel door het kristal is gegaan, en worden gedecodeerd tot de precieze locaties van de kernen, inclusief de waterstofkernen.

"Waterstofatomen en protonen zijn bijzonder interessante componenten van enzymstructuren omdat ze kwantumgedrag kunnen vertonen waarvan recent is vastgesteld dat het cruciaal is voor de enzymfunctie. Het is daarom belangrijk om hun locaties in de eiwitstructuur nauwkeurig te bepalen om te ontrafelen wat er gebeurt , " studie corresponderende auteur Toshihide Okajima legt uit. "Met behulp van neutronenkristallografie, konden we de structuur bepalen van een bacterieel koperamine-oxidase met een molecuulgewicht van 70, 600 - wat extreem groot is voor neutronenkristallografie en aanzienlijk groter is dan eerder geregistreerde molecuulmassa's - en nog steeds nauwkeurig de waterstofatomen en protonen in de structuur lokaliseren. Een ongewoon 'zwevend' proton werd waargenomen tussen een cofactor, topa-chinon, en een aminozuurresidu dat strikt geconserveerd is in deze klasse van enzymen."

De covalent aan het enzym gebonden topa-chinon-cofactor speelt een essentiële rol in de katalytische functie. De onderzoekers konden 30 jaar na de ontdekking ervan als een eiwit-afgeleide cofactor eindelijk een compleet beeld van topachinon krijgen. Ze ontdekten dat de cofactor eigenlijk in evenwicht bestaat tussen twee verschillende vormen.

"Enzym-actieve sites - waar de reacties plaatsvinden - kunnen ons veel informatie en inspiratie bieden als we volledig kunnen begrijpen wat er gebeurt, " legt Okajima uit. "Onze demonstratie van het gebruik van neutronenkristallografie om protonkwantumeffecten te ontdekken, belooft zeer nuttig te zijn voor veel onderzoekers die enzymen en hun mechanismen bestuderen."