Mechanistic implications of the ternary complex structural models for the photoenzyme protochlorophyllide oxidoreductase
Mechanistic implications of the ternary complex structural models for the photoenzyme protochlorophyllide oxidoreductase
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光酶原叶绿素内酯氧化还原酶三元复杂结构模型的机理意义
DOI：
10.1111/febs.17025
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发表时间：
2023
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Taylor A
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Taylor A
光合酶原叶绿素氧化还原酶(POR)是研究生物氢转移机制的重要酶。它利用光催化原叶绿素还原为叶绿素，这是叶绿素生物合成的关键步骤。虽然大量的光谱数据提供了重要的机理洞察，但POR光催化的结构原理被证明是具有挑战性的，并且仍然存在激烈的辩论。最近根据晶体和电子显微镜数据建立的三元酶-底物复合体的结构模型表明，原叶绿素底物的取向和POR活性中心的结构存在差异，这对催化机理具有重要意义。在这里，我们使用计算和实验相结合的方法来研究每个结构模型与假设的反应机理的兼容性，并提出一个蓝藻POR三元复合体的替代结构模型。我们表明，一个严格保守的酪氨酸，以前被认为是POR光催化中的质子供体，不太可能参与反应的这一步，但对Pchlide结合是至关重要的。相反，在POR中，活性中心半胱氨酸对氢化物和质子转移反应都是重要的，并被认为是质子供体，无论是直接还是通过水介导的网络。此外，保守的谷氨酰胺对于Pchlide的结合和确保有效的光化学是重要的，通过调节其电子性质，很可能是通过与底物的中心镁原子相互作用。POR三元酶-底物复合物的这种最佳“结合姿势”说明了如何利用光能来促进这种独特的酶的催化作用。
The photoenzyme protochlorophyllide oxidoreductase (POR) is an important enzyme for understanding biological H‐transfer mechanisms. It uses light to catalyse the reduction of protochlorophyllide to chlorophyllide, a key step in chlorophyll biosynthesis. Although a wealth of spectroscopic data have provided crucial mechanistic insight, a structural rationale for POR photocatalysis has proved challenging and remains hotly debated. Recent structural models of the ternary enzyme–substrate complex, derived from crystal and electron microscopy data, show differences in the orientation of the protochlorophyllide substrate and the architecture of the POR active site, with significant implications for the catalytic mechanism. Here, we use a combination of computational and experimental approaches to investigate the compatibility of each structural model with the hypothesised reaction mechanisms and propose an alternative structural model for the cyanobacterial POR ternary complex. We show that a strictly conserved tyrosine, previously proposed to act as the proton donor in POR photocatalysis, is unlikely to be involved in this step of the reaction but is crucial for Pchlide binding. Instead, an active site cysteine is important for both hydride and proton transfer reactions in POR and is proposed to act as the proton donor, either directly or through a water‐mediated network. Moreover, a conserved glutamine is important for Pchlide binding and ensuring efficient photochemistry by tuning its electronic properties, likely by interacting with the central Mg atom of the substrate. This optimal ‘binding pose’ for the POR ternary enzyme–substrate complex illustrates how light energy can be harnessed to facilitate enzyme catalysis by this unique enzyme.
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影响因子：
--
作者：
D. Heyes;M. Sakuma;N. Scrutton
通讯作者：
N. Scrutton
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DOI：
--
发表时间：
2010
期刊：
影响因子：
--
作者：
R. Karaman
通讯作者：
R. Karaman
DOI：
10.1016/j.bbapap.2016.09.015
发表时间：
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影响因子：
3.2
作者：
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Kruk, Jerzy
DOI：
10.1073/pnas.1920244117
发表时间：
2020-04-14
影响因子：
11.1
作者：
Dong, Chen-Song;Zhang, Wei-Lun;Liu, Lin
通讯作者：
Liu, Lin