The nature of proton-coupled electron transfer in a blue light using flavin domain.
The nature of proton-coupled electron transfer in a blue light using flavin domain.
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使用黄素域在蓝光下质子耦合电子转移的性质
DOI：
10.1073/pnas.2203996119
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发表时间：
2022-06-28
影响因子：
11.1
通讯作者：
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
光感受器利用太阳光调节重要的生物学过程，其中央机械结构域是光遗传学的潜在工具。其中，利用黄素的蓝光（BLUF）结构域通过独特的双向质子耦合电子转移（PCET）机制实现光开关功能。虽然正向PCET已被广泛研究，并有争议的结果，反向PCET，触发功能构象转换的关键步骤，是难以捉摸的。在这里，我们明确确定的速率和动力学同位素效应的正向和反向PCET在BLUF域使用超快光谱。当阐明PCET反应的性质时，我们的工作指出附近的Trp需要突变。我们的研究结果将有助于跨物种的理解在BLUF域的光活化机制。质子耦合电子转移（PCET）是使用黄素（BLUF）结构域光感受器激活蓝光的关键。在这里，为了阐明OaPAC的BLUF结构域中的中心FMN-Gln-Tyr基序的光循环，我们在突变体设计中消除了内在干扰W 90。我们将拉伸指数函数整合到目标分析中，以解释分子动力学模拟结果中所示的活性位点溶剂化弛豫和灵活的氢键网络所产生的动态异质性，从而简化了动力学模型的表达。我们发现，在功能性野生型（WT）和非功能性Q48 E和Q48 A中，正向PCET发生在105 ps至344 ps的范围内，动力学同位素效应（KIE）测量为1.8至2.4，表明正向PCET的性质是一致的。值得注意的是，只有WT进行超快反向PCET过程（31 ps，KIE = 4.0），其特征在于由中间FMNH stec的反转动力学。我们的研究结果表明，反向PCET是由质子转移通过干预immagnesium谷氨酰胺。
Photoreceptors utilize sunlight to regulate essential biological processes, and their central machinery domains are potential tools for optogenetics. Among them, the blue light using flavin (BLUF) domain achieves photoswitching functionality via a unique two-way proton-coupled electron transfer (PCET) mechanism. While the forward PCET has been extensively studied with controversial results, the reverse PCET, the key step to trigger the functional conformation switch, is elusive. Here we unambiguously determine the rates and kinetic isotope effects of both forward and reverse PCET in a BLUF domain using ultrafast spectroscopy. When elucidating the nature of the PCET reactions, our work points out that a nearby Trp needs to be mutated. Our findings will facilitate across-species understanding of the photoactivation mechanism in BLUF domains. Proton-coupled electron transfer (PCET) is key to the activation of the blue light using flavin (BLUF) domain photoreceptors. Here, to elucidate the photocycle of the central FMN-Gln-Tyr motif in the BLUF domain of OaPAC, we eliminated the intrinsic interfering W90 in the mutant design. We integrated the stretched exponential function into the target analysis to account for the dynamic heterogeneity arising from the active-site solvation relaxation and the flexible H-bonding network as shown in the molecular dynamics simulation results, facilitating a simplified expression of the kinetics model. We find that, in both the functional wild-type (WT) and the nonfunctional Q48E and Q48A, forward PCET happens in the range of 105 ps to 344 ps, with a kinetic isotope effect (KIE) measured to be ∼1.8 to 2.4, suggesting that the nature of the forward PCET is concerted. Remarkably, only WT proceeds with an ultrafast reverse PCET process (31 ps, KIE = 4.0), characterized by an inverted kinetics of the intermediate FMNH˙. Our results reveal that the reverse PCET is driven by proton transfer via an intervening imidic Gln.
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