Lorsque vos blessures guérissent et que votre foie détoxifie un poison tel que l’histamine que vous avez ingéré, vous pouvez remercier la classe d’enzymes connues sous le nom de cuivre amine oxydases pour leur aide. L’identification des positions exactes des plus petits atomes d’hydrogène dans ces enzymes est un défi avec les technologies couramment utilisées, mais elle est essentielle à la conception d’enzymes améliorées présentant une réactivité biochimique inhabituelle mais utile.
Maintenant, dans une étude intitulée « La cristallographie neutronique d’un intermédiaire radical semiquinone de la cuivre amine oxydase révèle un changement conformationnel assisté par substrat du cofacteur peptidyl quinone », publiée dans Catalyse ACS, une équipe dirigée par des chercheurs de l’Université médicale et pharmaceutique d’Osaka et de l’Université d’Osaka a utilisé la cristallographie neutronique pour imager la structure atome par atome d’une enzyme cuivre amine oxydase. Cette étude fournit des informations structurelles sans précédent sur la biochimie de l’enzyme.
Certaines enzymes de cuivre amine oxydase présentent une biochimie inhabituelle, telle que l’effet tunnel quantique, qui permet des vitesses de réaction autrement inexplicablement rapides. Bien qu’il soit souvent difficile de déterminer la position exacte de chaque atome d’hydrogène dans l’enzyme, cette connaissance est importante pour concevoir les enzymes artificielles correspondantes.
Les chercheurs obtiennent généralement la structure atome par atome des enzymes par cristallographie aux rayons X. Cependant, cette technique obtient des informations structurelles par diffraction à partir des électrons de l’enzyme. Elle est donc insuffisante pour imager les atomes d’hydrogène, qui ne contiennent généralement qu’un seul électron. La cristallographie neutronique, qui analyse la diffraction des noyaux atomiques dans l’enzyme (tous les atomes ont un noyau atomique), est une technique d’imagerie alternative que les chercheurs ont choisie pour leurs travaux.
« Il existe des questions de dépendance au pH, de changement de conformation et de stabilisation radicale intermédiaire de notre enzyme que la cristallographie aux rayons X en elle-même ne peut pas expliquer complètement », explique Takeshi Murakawa, auteur principal de l’étude. « La cristallographie neutronique est bien adaptée pour répondre à ces questions. »
Les chercheurs ont obtenu de nombreuses informations. Par exemple, ils ont imagé l’état de protonation/déprotonation (lié au pH) de sites au sein de l’enzyme qui sont importants pour stabiliser les espèces radicalaires (c’est-à-dire en particulier les atomes réactifs contenant un électron non apparié). Ils ont également caractérisé les mouvements du cofacteur topaquinone de l’enzyme – glissement, inclinaison vers le haut et demi-rotation – qui facilitent le transfert d’un seul électron au sein de l’enzyme.
« Nous divulguons la liaison d’une deuxième molécule de substrat aminé de haute affinité au cours de la réaction enzymatique, un événement jusqu’alors inconnu dans le site actif de l’enzyme », explique Toshihide Okajima, auteur principal. « La cristallographie aux rayons X manque de telles informations. »
Ce travail a fourni des détails structurels jusqu’alors non divulgués dans une enzyme cuivre amine oxydase qui remplit de nombreuses fonctions dans le métabolisme biochimique. Révéler la position exacte des atomes d’hydrogène dans l’enzyme permet d’expliquer son efficacité à des températures et pressions physiologiques. À l’avenir, les chercheurs pourraient appliquer ces connaissances à la conception d’enzymes artificielles utilisées dans l’industrie chimique.
Plus d’information:
Takeshi Murakawa et al, La cristallographie neutronique d’un intermédiaire radical semiquinone de l’amine oxydase de cuivre révèle un changement conformationnel assisté par substrat du cofacteur peptidyl quinone, Catalyse ACS (2023). DOI : 10.1021/acscatal.3c02629