Φασματοσκοπικός χαρακτηρισμός της δέσμευσης εξωγενών ligands στην κυτοχρωμική οξειδάση

Abstract

Οι κυτοχρωμικές και κινολικές οξειδάσες καταλύουν την αναγωγή του Ο2 σε νερό κατά την αναπνοή του κυττάρου και χρησιμοποιούν την ελεύθερη ενέργεια που απελευθερώνεται κατά την αναγωγή για την άντληση πρωτονίων κατά μήκος της βιολογικής μεμβράνης στην οποία είναι βυθισμένες. Το ηλεκτροχημικό δυναμικό, το οποίο δημιουργείται λόγω της διαβάθμισης των πρωτονίων, αποτελεί την κινητήρια δύναμη για τη σύνθεση του ΑΤΡ. Η ενεργή θέση αυτών των ενζύμων είναι ένα spin συζευγμένο διπυρηνικό κέντρο αίμης Fe-CuB στο οποίο το Ο2 δεσμεύεται και ανάγεται. Έχει προταθεί ότι το διπυρηνικό κέντρο συμμετέχει επίσης στη διαδικασία άντλησης των πρωτονίων μέσω δομικών επαναδιευθετήσεων στη σφαίρα συναρμογής του. Ο στόχος της παρούσας διατριβής ήταν ο χαρακτηρισμός των δομικών και λειτουργικών ιδιοτήτων του διπυρηνικού κέντρου κατά τη δέσμευση εξωγενών ligands χρησιμοποιώντας μεθόδους φασματοσκοπίας UV-Vis, συντονισμού Raman και υπερύθρου (FTIR). Σ' αυτή την εργασία χαρακτηρίζεται η δέσμευση του CO στην πλήρως ανηγμένη αα3-600 κινολική οξειδάση από το B. subtilis βακτήριο. Παρά την ύπαρξη δύο διαφορετικών διαμορφώσεων της πρωτεΐνης, οι οποίες επιδρούν στην ισχύ του δεσμού μεταξύ της αξονικής (proximal) His376 και του σιδήρου στην πλήρως ανηγμένη μη υποκατεστημένη μορφή, παρατηρείται μόνο μία διαμόρφωση για το CO-υποκατεστημένο ένζυμο, στην οποία η αίμη Fe2+-CO μονάδα έχει δομή παρόμοια με εκείνη της α μορφής της κυτοχρωμικής οξειδάσης από τα μιτοχόνδρια. Επιπλέον, αποδεικνύεται ότι υπάρχει μία "αντίστροφη γραμμική" σχέση μεταξύ των συχνοτήτων των ν(Fe2+-His376) και ν(Fe2+-CO) δονήσεων των κυτοχρωμικών και κινολικών οξειδασών. Προτείνεται ότι οι συχνότητες των ν(Fe2+-CO) και ν(CO) δονήσεων που παρατηρούνται στις αίμη-CuB οξειδάσες καθορίζονται τόσο από τις ιδιότητες της proximal His376, η οποία σχηματίζει δεσμό υδρογόνου με τη Gly351 όσο και από το CuB. Ο δεσμός υδρογόνου μεταξύ της His376 και της Gly351 θα μπορούσε να ρυθμίζει τη βασικότητα της His376 με τέτοιο τρόπο ώστε να σταθεροποιεί την υψηλού βαθμού οξειδωτική κατάσταση αίμη-Fe4+=O2-, η οποία σχηματίζεται κατά την κατάλυση. Επίσης μελετάται η δέσμευση του ιόντος του αζιδίου στην πλήρως οξειδωμένη οξειδάση από καρδιά βοός και το P. denitrificans βαστήριο και την bo3 οξειδάση από το Ε. coli βακτήριο. To ιόν του αζιδίου δεσμεύεται σε δύο διαφορετικές διαμορφώσεις, σχηματίζοντας και στις δύο σύμπλοκα γέφυρας με το διπυρηνικό κέντρο. Αυτή η μελέτη αναφέρει για πρώτη φορά μία εξαρτώμενη από το pH μεταβολή της διαμόρφωσης στην κυτοχρωμική οξειδάση από καρδιά βοός, όταν βρίσκεται στην πλήρως οξειδωμένη Ν3-υποκατεστημένη μορφή. Προτείνεται ότι η μετατροπή μεταξύ των δύο διαμορφώσεων σχετίζεται με μία μεταβολή της πολικότητας στην εγγύς περιοχή, η οποία επιδρά στη θέση του CuB. Η σύγκριση των αποτελεσμάτων των πειραμάτων συντονισμού Raman και FTIR μεταξύ των τριών ενζύμων που μελετούνται προτείνει ότι υπάρχουν σημαντικές διαφορές στη διαμόρφωση του δεσμευμένου αζιδίου, οι οποίες αντανακλούν δομικές διαφορές στο διπυρηνικό κέντρο των τριών ενζύμων. Επιπλέον, αυτά τα αποτελέσματα προτείνουν ότι η διαμόρφωση του δεσμευμένου αζιδίου καθορίζεται περισσότερο από τις ιδιότητες της εγγύς περιοχής, παρά από ένα trans φαινόμενο από την His376. Στην παρούσα διατριβή εξετάζεται επίσης η αλληλεπίδραση του ιόντος του κυανίου με την οξειδωμένη μορφή της κυτοχρωμικής οξειδάσης από καρδιά βοός και των αα3-600 και bo3 κινολικών οξειδασών. Το κυάνιο δεσμεύεται ως ligand γέφυρας στο διπυρηνικό κέντρο αίμη-CuB. Ωστόσο, παρατηρείται μόνο μία διαμόρφωση της μονάδας αίμη Fe3+-CN-CuB2+. Από τη σύγκριση των ν(CN) συχνοτήτων που παρατηρούνται για τα τρία ένζυμα και των ν(Fe-His) συχνοτήτων που έχουν αναφερθεί από προηγούμενες μελέτες, προκύπτει ότι η θέση και/ή η οξύτητα του CuB διαφέρει στα τρία ένζυμα. Αυτά τα γνωρίσματα είναι καθοριστικά για την ακριβή διαμόρφωση του δεσμευμένου κυανίου. Επίσης, τα FTIR αποτελέσματα για την κυτοχρωμική οξειδάση προτείνουν ότι στην μερικώς ανηγμένη μορφή του ενζύμου, στην οποία ο CuB έχει αναχθεί, το ιόν του κυανίου δεσμεύεται ως τελικό ligand στην αίμη Fe3+ σε δύο διαφορετικές διαμορφώσεις. Προτείνεται ότι η διαφοροποίηση μεταξύ των δύο διαμορφώσεων μπορεί να οφείλεται σε μία αλλαγή της βασικότητας της proximal His376 όπως επίσης και σε διαφορές στην εγγύς περιοχή. Τα αποτελέσματα για τη δέσμευση του αζιδίου και του κυανίου προτείνουν ότι, στην οξειδωμένη μορφή, ο CuB συμμετέχει άμεσα στη δέσμευση εξωγενών ligands σχηματίζοντας σύμπλοκα γέφυρας με τη γειτονική αίμη. Αυτά τα φαινόμενα μπορούν να αποτελούν ένα μοντέλο για το προτεινόμενο περόξυ ενδιάμεσο. Εάν σχηματίζεται είναι πολύ πιθανό να έχει δομή γέφυρας της μορφής Fe3+-O--O--CuB2+.