Die Abbildung kleinster Atome liefert Einblicke in die ungewöhnliche Biochemie eines Enzyms

Wenn Ihre Wunden heilen und Ihre Leber ein von Ihnen aufgenommenes Gift wie Histamin entgiftet, können Sie der Enzymklasse der Kupferaminoxidasen für ihre Unterstützung danken. Die genauen Positionen der kleinsten Wasserstoffatome in diesen Enzymen zu identifizieren, stellt mit gängigen Technologien eine Herausforderung dar, ist jedoch von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung verbesserter Enzyme, die eine ungewöhnliche, aber nützliche biochemische Reaktivität aufweisen.

In einer Studie mit dem Titel „Die Neutronenkristallographie eines semichinonen radikalischen Zwischenprodukts der Kupferaminoxidase zeigt sich eine substratunterstützte Konformationsänderung des Peptidylchinon-Cofaktors“, veröffentlicht in ACS-Katalyse, hat ein Team unter der Leitung von Forschern der Medizinischen und Pharmazeutischen Universität Osaka und der Universität Osaka mithilfe der Neutronenkristallographie die Atom-für-Atom-Struktur eines Kupferaminoxidase-Enzyms abgebildet. Diese Studie liefert beispiellose strukturelle Einblicke in die Biochemie des Enzyms.

Einige Kupferaminoxidase-Enzyme weisen eine ungewöhnliche Biochemie auf, beispielsweise Quantentunneln, was ansonsten unerklärlich schnelle Reaktionsgeschwindigkeiten ermöglicht. Obwohl es oft schwierig ist, die genaue Position jedes Wasserstoffatoms im Enzym zu bestimmen, ist dieses Wissen wichtig für die Entwicklung entsprechender künstlicher Enzyme.

Forscher erhalten die Atom-für-Atom-Struktur von Enzymen üblicherweise durch Röntgenkristallographie. Allerdings erhält diese Technik Strukturinformationen durch Beugung von Elektronen im Enzym. Damit reicht es nicht aus, Wasserstoffatome abzubilden, die im Allgemeinen nur ein Elektron enthalten. Die Neutronenkristallographie, die die Beugung von Atomkernen im Enzym analysiert (alle Atome haben einen Atomkern), ist eine alternative bildgebende Technik, die die Forscher für ihre Arbeit gewählt haben.

„Es gibt Fragen zur pH-Abhängigkeit, zur Konformationsänderung und zur radikalischen Zwischenstabilisierung unseres Enzyms, die die Röntgenkristallographie allein nicht vollständig erklären kann“, erklärt Takeshi Murakawa, Hauptautor der Studie. „Die Neutronenkristallographie ist gut geeignet, diese Fragen zu beantworten.“

Die Forscher gewannen zahlreiche Erkenntnisse. Beispielsweise bildeten sie den Protonierungs-/Deprotonierungszustand (bezogen auf den pH-Wert) von Stellen innerhalb des Enzyms ab, die für die Stabilisierung radikalischer Spezies wichtig sind (d. h. insbesondere reaktive Atome, die ein ungepaartes Elektron enthalten). Sie charakterisierten auch die Bewegungen des Topachinon-Cofaktors des Enzyms – Gleiten, Aufwärtskippen und Halbrotation –, die den Einzelelektronentransfer innerhalb des Enzyms erleichtern.

„Wir offenbaren die Bindung eines zweiten Moleküls eines hochaffinen Aminsubstrats während der enzymatischen Reaktion, ein bisher unbekanntes Ereignis im aktiven Zentrum des Enzyms“, sagt Toshihide Okajima, leitender Autor. „Der Röntgenkristallographie fehlen solche Erkenntnisse.“

Diese Arbeit lieferte bisher unbekannte Strukturdetails eines Kupferaminoxidase-Enzyms, das viele Funktionen im biochemischen Stoffwechsel hat. Die Aufdeckung der genauen Position der Wasserstoffatome im Enzym hilft, seine Effizienz bei physiologischen Temperaturen und Drücken zu erklären. In Zukunft könnten Forscher diese Erkenntnisse bei der Entwicklung künstlicher Enzyme anwenden, die in der chemischen Industrie eingesetzt werden.