Tecnologia Científica

Enzima produtora de hidrogênio se protege contra oxigênio
Em colaboração com o professor Eckhard Hofmann, chefe do grupo de Cristalografia de Proteínas do RUB, os pesquisadores descobriram o truque da enzima analisando sua estrutura cristalina.
Por Ruhr-Universitaet-Bochum - 02/02/2021


Martin Winkler é um dos autores da publicação atual do Grupo de Trabalho de Fotobiotecnologia. Crédito: RUB, Marquard

Uma equipe de pesquisa internacional do Grupo de Pesquisa em Fotobiotecnologia da Ruhr-Universität Bochum (RUB) liderada pelo Professor Thomas Happe e o Laboratoire de Bioénergétique et Ingénierie des Protéines (CNRS) em Marselha conseguiu chegar ao fundo desta característica única. Eles descrevem o mecanismo molecular na Nature Communications em 2 de fevereiro de 2021.


A enzima sobrevive repetidamente ao ataque ilesa

Representantes do grupo da enzima [FeFe] -hidrogenase combinam prótons e elétrons para formar hidrogênio molecular com taxas de renovação particularmente altas. Alguns deles até usam a luz solar como fonte de energia primária para isso. No entanto, mesmo baixas concentrações de oxigênio levam rapidamente à quebra irreversível do cofator catalítico, chamado de H-cluster. "Isso foi observado até agora em todos os representantes deste grupo de enzimas - exceto para CbA5H. Esta enzima tem um mecanismo molecular que permite que ela sobreviva repetidamente ao ataque do oxigênio ileso", diz Thomas Happe.

Em colaboração com o professor Eckhard Hofmann, chefe do grupo de Cristalografia de Proteínas do RUB, os pesquisadores descobriram o truque da enzima analisando sua estrutura cristalina. "Na enzima ativa, o local de ligação do substrato aberto geralmente representa o ponto principal de ataque do oxigênio", explica o Dr. Martin Winkler, um dos pesquisadores do RUB envolvidos. No CbA5H, este sítio normalmente acessível é protegido ao ar: sob condições oxidativas, o grupo tiol de um resíduo de cisteína, que já era conhecido por seu envolvimento na mediação de prótons no sítio ativo das [FeFe] -hidrogenases, liga-se diretamente ao substrato livre local de coordenação do cluster 2FeH catalítico. O ponto de acesso fica bloqueado para o oxigênio, desde que o oxigênio ambiente aumente o potencial redox.

Assim que o oxigênio é removido da mistura de gás ambiente e o potencial redox diminui, o grupo tiol é separado do local de ligação do substrato do sítio ativo e a enzima retoma sua atividade catalítica ilesa. "Esta hidrogenase pode adotar o estado protegido repetidamente, ao contrário de todas as outras [FeFe] -hidrogenases conhecidas", explica Thomas Happe.

A diferença de outras enzimas

Inicialmente não estava claro por que especificamente CbA5H exibe esta função protetora, enquanto outras [FeFe] -hidrogenases muito semelhantes, que também fornecem este resíduo de cisteína no mesmo lugar como parte da cadeia de mediação de prótons, carecem desse importante recurso. Uma inspeção mais detalhada da estrutura cristalina de CbA5H no estado protegido por oxigênio mostrou que a seção da cadeia da proteína que transporta esta cisteína é deslocada em direção ao local de ligação do substratoperto do cofator ativo. Em comparação com as [FeFe] -hidrogenases sensíveis ao oxigênio, como CpI de Clostridium pasteurianum, os pesquisadores do RUB foram capazes de identificar três aminoácidos menores em CbA5H perto da seção deslocada da cadeia polipeptídica, o que lhe dá maior liberdade de movimento. Os exames de espectroscopia de infravermelho e eletroquímica de variantes de proteínas com trocas simples e duplas nessas posições confirmaram a importância desses aminoácidos para o mecanismo de limite de segurança molecular controlado por potencial único de CbA5H.

"Como agora conhecemos as condições estruturais desse mecanismo de proteção, também deve ser possível transferir a propriedade vantajosa de resistência ao oxigênio do CbA5H para outras [FeFe] -hidrogenases", disse o Dr. Jifu Duan, outro membro do Grupo de Pesquisa em Fotobiotecnologia . "Se isso for bem-sucedido, seríamos um passo importante para o uso de [FeFe] -hidrogenases como biocatalisadores de hidrogênio", confirma Thomas Happe.

 

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