درک آنزیم های کاهش دهنده اکسیژن

0

درک آنزیم های کاهش دهنده اکسیژن

درک آنزیم های کاهش دهنده اکسیژن متان یک گاز گلخانه ای قدرتمند است که نقشی اساسی در چرخه کربن جهانی دارد. در عین حال ، این یک منبع انرژی مهم برای ما انسان ها است. حدود نیمی از تولید سالانه آن توسط میکروارگانیسم هایی ساخته می شود که به عنوان متانوژن شناخته می شوند و مواد آلی مانند گیاهان مرده را تجزیه می کنند. این به طور معمول در یک زیستگاه بدون اکسیژن اتفاق می افتد زیرا این گاز برای متانوژن ها کشنده است. اما حتی در واقع در زیستگاه های فاقد اکسیژن ، گاهی اوقات مولکول های اکسیژن ظاهر می شوند. برای بی ضرر کردن این متجاوزان ، متانوژن ها دارای آنزیم خاصی هستند که قادر است اکسیژن را به آب تبدیل کند.

دانشکده ها : “آنزیم ها اجزای حیاتی متابولیسم همه موجودات زنده هستند و هدف آزمایشگاه ما درک این است که این نانو ماشین ها در سطح مولکولی چگونه کار می کنند.” در مجله علمی منتشر شده شیمیایی ارتباطات در سپتامبر سال ۲۰۲۰٫ برای این مطالعه، واگنر کشت میکروارگانیسم های بی هوازی به نام Methanothermococcus thermolithotrophicus، که از رسوب خلیج ناپل سرچشمه گرفته است. وی آنزیم F420-oxidase را که یک پروتئین فلاو دییرون است ، خالص کرد و آن را متبلور کرد ، این روش متداول برای مطالعه عملکرد آنزیم ها است.

“قبلاً شناخته شده بود که F420-oxidase می تواند اکسیژن را به آب تبدیل کند.”

“اما ما موفق به رمزگشایی سازوکار شدیم.” این مطالعه همکاری دانشمندان م fromسسه میکروبیولوژی دریایی ماکس پلانک ، م Instituteسسه میکروبیولوژی زمینی ماکس پلانک ، م Instituteسسه پاول شرر ، م Researchسسه تحقیقات بین رشته ای گرنوبل و مرکز تابش سنکروترون اروپا است.

اکسیژن در آن قفل شده است

 

مکانیسم ، محققان نشان دادند که یک نیاز مهم دارد: اکسیژن بسیار واکنش پذیر است ، بنابراین بسیار مهم است که واکنش توسط آنزیم کنترل صحیح شود و هیچ حلالی در اطراف آن شناور نباشد. در غیر این صورت اکسیژن می تواند به طور تصادفی در سوپراکسید تبدیل شده و بی حس شود. ترفند آنزیم F420-oxidase استفاده از کانال گاز و سیستم دروازه است. مولکول اکسیژن ابتدا در کانال مخصوص به یک حفره کاتالیزوری بی آب مناسب حاوی آهن هدایت می شود. سپس آهن اکسیژن موجود در آب را که توسط مکانیسم دروازه آزاد می شود ، تبدیل می کند. برای این حفره شروع به حرکت می کند و “در” کوچکی را باز می کند. به لطف حرکت ، آب تولید شده تازه به خارج منتقل می شود. حفره خالی دوباره بسته می شود و برای مولکول اکسیژن بعدی در دسترس است.

آب در انتهای تونل
این نمودار آنزیم F420H2-Oxidase و نحوه کار آن را نشان می دهد. فیروزه ای شکل یافته y ، کانال گاز است. پیکان قرمز مسیر ورود اکسیژن به حفره کاتالیزوری حاوی آهن را نشان می دهد. پیکان سبز نماد راه خروج از آب است. با این وجود ، چسبهای قرمز و آبی در وسط نشان می دهد که flavin (FMN) الکترونهایی را از کوآنزیم کاهش یافته F420 دریافت می کند ، که هیدروژن لازم را برای تبدیل اکسیژن به آب می آورد.

دانشمندان برای به دست آوردن بینش در مورد این مکانیسم ، از کریستالوگرافی اشعه ایکس استفاده کردند. آنها ابتدا ساختار کریستالی را بدون اکسیژن بدست آوردند ، جایی که می توانستند حفره کاتالیزوری بی آب جدا شده از حلال را مشاهده کنند. سپس ، آنها کریستالهای آنزیمی را با گاز بی اثر کریپتون ، که برخلاف اکسیژن ، توسط اشعه X قابل مشاهده است ، گاز زدند. پس از آن آنها بلورهای آنزیم را تابانده و توانستند اتمهای کریپتون را که نشان می دهد کانال گاز منتهی به حفره کاتالیزوری است ، تشخیص دهند. پروتئین flavodiiron و کانال آن نه تنها در متانوژن ها بلکه در سایر میکروارگانیسم ها مانند کلستریدیا (که عمدتا در خاک یا دستگاه گوارش زندگی می کنند) ، در باکتری های گوگرد Desulfovibrio gigas یا حتی در انگلی روده Giardia روده حفظ می شود.

 

هرچه سریعتر بهتر

سیلوین انگیلبرژ از موسسه پل شرر و اولین نویسنده تحقیق در کنار تریستان واگنر می گوید: “این واکنش واقعاً سریع است.” “این سرعت همچنین اهمیت بالایی در تحقیقات ما دارد.” آنزیم های مشابه مانند لاکاز بسیار کندتر هستند. Engilberge می گوید: “برای استفاده بعدی از فرآیندهای الکتروشیمیایی الهام گرفته از زیست ، ما باید از واکنش شیمیایی ، ساختار و عملکرد گروه های مختلف آنزیم های کاهش دهنده اکسیژن بیشتر بیاموزیم.” این امر همچنین می تواند راه مهندسی پروتئین را برای تبدیل یک سم زدایی کننده O2 با سرعت بالا به یک غرق الکترونی برای فرآیندهای صنعتی هموار کند.

تریستان واگنر می گوید: “قدم بعدی ما درک تنوع پروتئین فلاودیرون است.” برخی از همولوگ ها اکسیژن را هدف قرار نمی دهند بلکه اکسید نیتریک سمی است ، آنزیم های آنها می توانند بین دو گاز با ویژگی بالا تفاوت قائل شوند. اما فیلتر انتخابی چیست؟ کانال گاز؟ محیط حفره کاتالیزوری؟ واگنر می افزاید: “برای درک این که پروتئین چگونه اکسیژن و نیتریک اکسید را تفکیک می کند ، باید مطالعات بیشتری انجام شود.” با چنین دانش ، به عنوان مثال می توان از طریق اطلاعات ژنومی پیش بینی کرد که آیا یک پروتئین فلاو دییرون یک اکسیژن یا یک اکسید نیتریک باشد.