Ternary Complex Formation and Photoactivation of a Photoenzyme Results in Altered Protein Dynamics.
Ternary Complex Formation and Photoactivation of a Photoenzyme Results in Altered Protein Dynamics.
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光酶的三元复合物形成和光活化导致蛋白质动力学改变
DOI：
10.1021/acs.jpcb.9b06608
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发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
--
通讯作者：
Krauss U
中科院分区：
文献类型：
--
作者：
Stadler Ac;Schneidewind J;Zamponi M;Knieps-Günhagen E;Jaeger KE;Krauss U
蛋白质动力学和催化之间的相互作用仍然是酶学中的一个基本问题。我们在这里调查的ns-时间尺度动力学的光依赖性NADPH：原叶绿素氧化还原酶（LPOR），叶绿素合成的关键的光酶。LPORs催化光引发的氢化物和质子跨叶绿素前体原叶绿素（Pchlide）的C17-C18双键的反式加成。由于缺乏LPOR结构，LPOR/Pchlide/NADPH三元复合物形成的全局结构和动力学后果仍然难以捉摸。此外，由于缺乏明确的证据，低光预照射对LPORs的光活化存在争议。通过采用准弹性中子能谱（QENS），我们表明，形成的三元holoprotein复合物以及光活化导致逐步硬化的蛋白质。这些发现支持的热稳定性测量，揭示不同的熔化行为和热稳定性的载脂蛋白和holoprotein三元复合物。与实验QENS结果良好一致的分子动力学模拟表明，观察到的脱辅基蛋白的灵活性增加源于NADPH和Pchlide底物结合位点的酶的结构波动。在我们的研究结果的基础上，结合活性和稳定性测量，我们为LPOR光活化提供了独立的证据，LPOR光活化被定义为一个改变蛋白质结构和动力学的过程，导致底物周转率增加。我们的研究结果推进了对LPORs的结构和动态理解，并为该类酶的蛋白质动力学和催化作用提供了第一个联系。
The interplay between protein dynamics and catalysis remains a fundamental question in enzymology. We here investigate the ns-timescale dynamics of a light-dependent NADPH:protochlorophyllide oxidoreductase (LPOR), a photoenzyme crucial for chlorophyll synthesis. LPORs catalyze the light-triggered trans addition of a hydride and a proton across the C17═C18 double bond of the chlorophyll precursor protochlorophyllide (Pchlide). Because of the lack of an LPOR structure, the global structural and dynamic consequences of LPOR/Pchlide/NADPH ternary complex formation remain elusive. Moreover, photoactivation of LPORs by low-light preillumination is controversially discussed as unequivocal proof for this phenomenon is lacking. By employing quasielastic neutron spectroscopy (QENS), we show that the formation of the ternary holoprotein complex as well as photoactivation lead to progressive rigidification of the protein. These findings are supported by thermostability measurements, which reveal different melting behavior and thermostabilities for the apo- and holoprotein ternary complexes. Molecular dynamics simulations in good agreement with the experimental QENS results suggest that the increased flexibility observed for the apoprotein stems from structural fluctuations of the NADPH and Pchlide substrate binding sites of the enzyme. On the basis of our results, in conjunction with activity and stability measurements, we provide independent proof for LPOR photoactivation, defined as a process that modifies the protein structure and dynamics, resulting in an increased substrate turnover. Our findings advance the structural and dynamic understanding of LPORs and provide a first link between protein dynamics and catalysis for this enzyme class.
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