Um grupo de pesquisa incluindo pesquisadores do Centro de Pesquisa Exploratória em Sistemas Vivos e de Vida (ExCELLS), Institute for Molecular Science (IMS) no National Institutes of Natural Sciences, e a Universidade de Osaka revelaram o mecanismo detalhado da biossíntese de monóxido de carbono essencial para a maturação do sítio ativo da NiFe-hidrogenase.

Hidrogenase, que é uma metaloenzima responsável pela oxidação do gás hidrogênio e a redução dos prótons, desempenha um papel fundamental no metabolismo do hidrogênio bacteriano. Com base nas diferenças de conteúdo de metal no site ativo, eles são classificados em três grupos:NiFe-, FeFe-, e Fe-hidrogenases contendo diferentes complexos metálicos como centros ativos nessas enzimas (Figura 1). Embora as estruturas nos centros ativos deles sejam diferentes, é essencial para a atividade da hidrogenase que o monóxido de carbono (CO) seja coordenado com o íon ferro no centro ativo. Sabe-se que o CO é biossintetizado por uma reação enzimática, mas o detalhe da biossíntese de CO era desconhecido.

Nesta pesquisa, o grupo determinou a estrutura cristalina da enzima (HypX) responsável pela biossíntese de CO (Figura 2), com base no qual HypX biossintetiza CO por uma reação sem precedentes para a maturação de NiFe-hidrogenase. HypX consiste em dois domínios:os domínios N-terminal e C-terminal. Uma cavidade contínua conectando os domínios dos terminais N e C está presente no interior do HypX (Figura 2). Na estrutura cristalina, a coenzima A (CoA) está ligada à região C-terminal da cavidade.

Duas reações diferentes ocorrem nos domínios N- e C-terminais. No domínio N-terminal, uma reação de transferência de grupo formil a partir de formiltetrahidrofolato, que é ligado na região N-terminal da cavidade como um substrato para CoA, ocorre (etapa de reação 1 na Fig. 3). Neste momento, CoA na cavidade adota a conformação linear estendida, e o grupo SH de CoA está localizado próximo ao grupo formil no formiltetra-hidrofolato ligado ao domínio N-terminal. Então, formil-CoA é produzido como um intermediário de reação pela reação de transferência do grupo formil de formiltetra-hidrofolato para CoA.

Na próxima etapa, formil-CoA sofre uma grande mudança conformacional na cavidade de modo que o grupo formil na posição terminal de formil-CoA está localizado no sítio ativo no domínio C-terminal de HypX (etapa de reação 2 na Fig. 3). No domínio C-terminal, CO é formado por descarbonilação de formil-CoA (etapa de reação 3 na Fig. 3).

Esta reação de biossíntese de CO é uma reação nova e sem precedentes. CoA é bem conhecido como uma coenzima, que tem papel importante no metabolismo dos ácidos graxos e no metabolismo energético celular através do ciclo do ácido cítrico. Contudo, nunca foi relatado que CoA / formil-CoA está envolvido em reações de biossíntese de CO. Esta pesquisa revelou uma nova função fisiológica de uma coenzima CoA bem conhecida.

Perspectivas futuras:

Os mecanismos biossintéticos das metaloenzimas permanecem desconhecidos em muitos casos. Resta ser elucidado especialmente como os centros ativos contendo metal das metaloenzimas foram montados. Nesse trabalho, determinamos a primeira estrutura cristalina da enzima que catalisa a reação biossintética do monóxido de carbono essencial para a construção do sítio ativo da [NiFe] hidrogenase. No futuro, continuaremos a pesquisa para elucidar o mecanismo detalhado de toda a via de maturação da hidrogenase com base neste resultado.