低電位鐵氧還蛋白氧化還原穩定性的質子化/去質子化驅動開關

Concepts de base

本文揭示了細菌嗜熱脂肪芽孢桿菌 (BtFd) 中的 Asp64 質子化狀態作為低電位鐵氧還蛋白 [4Fe-4S] 簇氧化還原穩定性的內在控制因素。

Résumé

研究論文摘要

參考文獻資訊： Takahashi, Y., Miki, M., et al. (2023). Protonation/deprotonation-driven switch for the redox stability of low-potential ferredoxin. Nature Communications, 14(1), 1-12.

研究目標： 本研究旨在探討低電位鐵氧還蛋白 [4Fe-4S] 簇氧化還原電位的調節機制，特別關注於周圍氫鍵網絡的影響。

研究方法： 研究人員利用中子晶體結構分析，實驗性地確定了 BtFd 中 [4Fe-4S] 簇周圍的氫鍵網絡。接著，他們基於實驗確定的氫鍵網絡，採用密度泛函理論 (DFT) 計算，探討了 Asp64 側鏈質子化狀態對 [4Fe-4S] 簇氧化還原穩定性的影響。此外，他們還進行了還原態 [4Fe-4S] 簇在空氣中氧化動力學實驗，以驗證 Asp64 在 [4Fe-4S] 簇穩定性中的作用。

主要發現： 中子結構分析揭示了 BtFd 中 [4Fe-4S] 簇周圍存在九個氫鍵。DFT 計算表明，Asp64 的質子化狀態顯著影響了 [4Fe-4S] 簇的垂直電離能 (IP)，進而影響了其氧化還原穩定性。Asp64 的去質子化會降低 IP 值，使還原態 [4Fe-4S] 簇更不穩定，更容易被氧化。實驗結果顯示，Asp64 的中和突變 (D64A 和 D64N) 導致 [4Fe-4S] 簇的氧化速率減慢，氧化還原電位正移，證實了 Asp64 質子化狀態在調節 [4Fe-4S] 簇氧化還原穩定性中的關鍵作用。

主要結論： 本研究首次發現了低電位鐵氧還蛋白 [4Fe-4S] 簇氧化還原電位的內在控制因素，即 Asp64 的質子化狀態。Asp64 的質子化/去質子化狀態可能作為一個開關，控制著 [4Fe-4S] 簇的氧化還原穩定性和電子轉移能力。

研究意義： 本研究為理解鐵氧還蛋白如何精確調節電子轉移過程提供了新的見解，並為設計具有特定氧化還原電位的鐵氧還蛋白提供了理論依據。

研究限制和未來研究方向： 本研究僅探討了 Asp64 對 BtFd 中 [4Fe-4S] 簇氧化還原穩定性的影響，未來需要進一步研究其他低電位鐵氧還蛋白中是否存在類似的機制。此外，還需要進一步研究鐵氧還蛋白與其電子傳遞夥伴蛋白之間的相互作用，以更全面地理解鐵氧還蛋白的電子傳遞機制。

Stats

野生型 BtFd 的氧化半衰期 (T1/2) 為 100 秒。
D64A 突變型 BtFd 的氧化半衰期為 166 秒，比野生型慢約 1.7 倍。
D64N 突變型 BtFd 的氧化半衰期為 170 秒，也比野生型慢。
野生型 BtFd 的氧化還原電位為 -346 mV。
D64A 和 D64N 突變型 BtFd 的氧化還原電位分別為 -276 mV 和 -286 mV。
D64E 突變型 BtFd 的氧化還原電位為 -346 mV，與野生型相似。

Citations

"These findings provide the first identification of intrinsic factors controlling the redox stability of the [4Fe-4S] cluster in low-potential ferredoxins."
"The DFT calculations revealed that the protonation states of Asp64 located close to the reduced/oxidized [4Fe-4S] cluster significantly affected the redox stability of the cluster."
"These results clearly indicate that a neutralizing mutation in Asp64 leads to a slow oxidation rate, and the reduced state of the [4Fe-4S] cluster has greater stability than that of wild type."

Idées clés tirées de

Protonation/deprotonation-driven switch for the redox stability of low-potential [4Fe-4S] ferredoxin

by Wada,K., Kob... à www.biorxiv.org 09-14-2024

https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2024.09.12.612615v2

Questions plus approfondies

除了 Asp64 的質子化狀態外，還有哪些因素可能影響低電位鐵氧還蛋白 [4Fe-4S] 簇的氧化還原電位？

除了 Asp64 的質子化狀態外，以下因素也可能影響低電位鐵氧還蛋白 [4Fe-4S] 簇的氧化還原電位：

[4Fe-4S] 簇的溶劑暴露程度: 更高的溶劑暴露程度會導致更正的氧化還原電位，因為水分子可以穩定 [4Fe-4S] 簇的氧化態。
特定的氫鍵網絡: 除了 NH…S 氫鍵外，其他氫鍵，如與 [4Fe-4S] 簇配體或附近水分子的氫鍵，也會影響氧化還原電位。
蛋白質骨架和側鏈偶極子的距離和方向: 這些偶極子可以產生局部電場，從而影響 [4Fe-4S] 簇的電子密度和氧化還原電位。
配體的性質: [4Fe-4S] 簇的配體，通常是半胱氨酸殘基，可以通過影響 Fe-S 鍵的共價性和電子密度來影響氧化還原電位。
其他離子的存在: 例如，金屬離子可以與 [4Fe-4S] 簇配位或與附近的氨基酸殘基相互作用，從而改變氧化還原電位。

如果 Asp64 的質子化狀態對 [4Fe-4S] 簇的穩定性至關重要，那麼是否存在一種機制來調節 Asp64 的質子化狀態？

雖然這項研究沒有明確指出調節 Asp64 質子化狀態的具體機制，但以下可能性值得考慮：

局部環境的pH值: Asp64 的質子化狀態可能受到其局部環境的pH值的影響。鐵氧還蛋白與其氧化還原伴侶的結合可能會改變 Asp64 周圍的電荷分佈，從而影響其 pKa 值和質子化狀態。
與其他氨基酸殘基的相互作用: Asp64 可能與附近的氨基酸殘基形成氫鍵或鹽橋，從而影響其質子化狀態。這些相互作用可能受到蛋白質構象變化或與其他分子的結合的影響。
特定離子的結合: 某些離子，如金屬離子，可以與 Asp64 結合，從而改變其 pKa 值和質子化狀態。
需要進一步的研究來闡明調節 Asp64 質子化狀態的具體機制。

這項研究的發現如何應用於設計用於生物技術或醫學應用的新型鐵氧還蛋白？

這項研究的發現為設計具有定制氧化還原電位的新型鐵氧還蛋白提供了有價值的見解，可用於以下生物技術或醫學應用：

生物傳感器: 通過調整 Asp64 或其他關鍵殘基的質子化狀態，可以設計出對特定氧化還原電位敏感的鐵氧還蛋白，用於檢測各種分析物。
生物催化: 具有定制氧化還原電位的鐵氧還蛋白可以用於催化需要電子轉移的化學反應，例如在生物燃料電池或生物修復中。
藥物遞送: 鐵氧還蛋白可以用作將藥物或其他治療劑遞送到特定細胞或組織的載體。通過調整其氧化還原電位，可以控制藥物的釋放和活性。
疾病治療: 一些疾病與鐵氧還蛋白功能障礙有關。通過設計具有增強穩定性或活性的新型鐵氧還蛋白，可以開發出針對這些疾病的新療法。
總之，這項研究為理解和控制鐵氧還蛋白的氧化還原電位提供了新的途徑，為生物技術和醫學應用開闢了新的可能性。