Apa itu Sitokrom P450 Monooksigenase?

Sitokrom P450 monooksigenase adalah enzim heme-tiolat serbaguna yang mengkatalisasi berbagai macam reaksi. Enzim sitokrom P450 yang mencukupi mengandung mitra redoks dalam rantai polipeptida tunggal.

Sebuah studi yang terbit di nature comunication ilmuan dari Laboratory of Industrial Biotechnology, School of Life Sciences, Hubei University, Wuhan. Berhasil menyajikan struktur kristal full-length CYP116B46, P450 mandiri. Rantai polipeptida kontinu terdiri dari tiga domain fungsional, yang selaras dengan arah elektron yang bergerak dari FMN ke heme melalui cluster [2Fe-2S]. FMN dan kluster [2Fe-2S] diposisikan dengan cermat, yang memfasilitasi antar elektron yang efisien. Jarak garis-ke-ujung antara garis [2Fe-2S] dan heme adalah sekitar. 25,3 Å. Peran beberapa residu yang terletak antara kluster [2Fe-2S] dan heme dalam reaksi katalitik diteliti dalam eksperimen mutagenesis.

Temuan ini tidak hanya memberikan wawasan tentang transfer elektron intramolekul P450 mandiri, tetapi juga menarik untuk aplikasi bioteknologi P450 mandiri.

Sitokrom P450 monooksigenase adalah kelompok protein heme-tiolat yang mengkatalisasi reaksi yang berkaitan dengan biosintesis produk alami, asimilasi sumber karbon, sintesis komponen seluler, dan metabolisme xenobiotik. Enzim P450 menunjukkan pergaulan substrat yang luar biasa dan dapat mengkatalisasi berbagai reaksi oksidatif yang menantang. Karakteristik ini menyoroti potensi P450 untuk aplikasi bioteknologi dan industri farmasi.

P450s memperoleh elektron dari nukleotida piridin tereduksi (NADPH atau NADH) untuk menghasilkan zat besi-oksigen yang pada gilirannya mengoksidasi substrat. Sebagian besar P450 berinteraksi dengan mitra redoks tambahan seperti flavoenzim atau protein sulfur-besi untuk mendapatkan elektron dari NAD (P) H7,8. Oleh karena itu, sistem P450 fungsional membutuhkan ekspresi bersama dengan mitra redoks yang serumpun atau kompatibel.

Dalam hal ini, enzim P450 mandiri yang mengandung mitra redoks dalam rantai polipeptida tunggal adalah biokatalis yang menarik untuk banyak aplikasi bioteknologi, karena tidak perlu mencari mitra redoks yang cocok untuk membangun sistem fungsional. Untuk P450 mandiri, memahami jalur transfer elektron intramolekul sangat menarik.

Dua kelas P450 mandiri telah diidentifikasi. Dalam satu kelas, domain heme N-terminal P450 dipadukan ke C-terminal NADPH: cytochrome P450 reductase (CPR) yang berisi flavin mononucleotide (FMN) -mengikat flavodoxin dan domain yang mengikat FAD / NADPH.

Rantai transpor elektron dalam P450s ini adalah NADPH → FAD → FMN → heme. CYP102A mandiri yang dipelajari terbaik dari Bacillus megaterium (P450BM3) termasuk dalam keluarga ini9. Meskipun tidak ada struktur panjang penuh yang tersedia, mekanisme transpor elektron dari P450s ini telah diusulkan berdasarkan pada struktur kompleks dari fragmen parsial protein dan CPR mamalia. Pertama, struktur kompleks domain heme dan flavodoksin P450BM3 menunjukkan rute yang mungkin untuk pengalihan elektron dari FMN ke heme10.

Khususnya, rantai polipeptida yang terdiri dari domain heme dan domain flavodoksin pengikat FMN dipecah menjadi dua wilayah individu dengan 20-residu linker lama hilang. Selain itu, studi struktural dan fungsional CPR mamalia homolog menunjukkan bahwa pergerakan domain signifikan dapat terjadi yang meningkatkan transfer elektron ke P450s.

Pergerakan domain CPR dianggap berlaku untuk katalisis yang dimediasi P450BM3, di mana mekanisme “domain swinging” diusulkan untuk meningkatkan transfer elektron dari FMN ke heme15. Di sisi lain, juga disarankan bahwa P450BM3 berfungsi sebagai homodimer, yang akan memungkinkan pendekatan kofaktor dan transfer elektron yang efisien di antara pusat redoks dari domain autologus atau tetangga. Dalam hal ini, P450BM3 dapat menggunakan interaksi intramolekul dan intermolekul untuk mengangkut elektron.

Di kelas lain P450 swasembada, CYP116 P450s mengandung domain heme terminal-N yang menyatu dengan domain reduktase tipe dioksigenase phthalate yang terdiri dari domain reduktase NAD (P) H dan domain yang mengandung kluster [2Fe-2S] (ferredoxin) di terminal-C.

Rantai transpor elektron P450s ini adalah NAD (P) H → FMN → [2Fe-2S] → heme. Beberapa CYP116 P450s telah diidentifikasi, yang menampilkan kisaran substrat yang luas dan mengkatalisasi berbagai reaksi. Khususnya, domain reduktase P450 RhF dari Rhodococcus sp. secara artifisial menyatu ke berbagai domain heme untuk produksi bahan kimia bernilai tinggi. Contoh ini menyoroti potensi P450 mandiri ini untuk aplikasi bioteknologi. Untuk keluarga CYP116, dua struktur kristal dari domain heme telah dilaporkan dan mode pengikatan substratnya diusulkan sesuai. Struktur kompleks dari domain heme dan ferredoxin dari sistem P450 yang memperoleh elektron dari mitra redoks yang terpisah juga telah dilaporkan yang menunjukkan bagaimana elektron diinjeksikan dari kluster [2Fe-2S] ke heme.

Namun, jalur bagi elektron untuk melakukan perjalanan dari mitra redoks ke kelompok heme dalam rantai polipeptida P450 yang swasembada tetap tidak jelas karena kurangnya informasi struktural dari protein full-length. Untuk menyelidiki mekanisme molekuler transfer elektron P450 swasembada, kami telah memecahkan dan di sini melaporkan struktur kristal CYP116B46 full-length dari Tepidiphilus thermophilus.

Jurnal Refrensi:

• Lilan Zhang, Zhenzhen Xie, Ziwei Liu,  Shuyu Zhou, Lixin Ma, Weidong Liu, Jian-Wen Huang, Tzu-Ping Ko, Xiuqin Li, Yuechan Hu, Jian Min, Xuejing Yu, Rey-Ting Guo &  Chun-Chi Chen -Show fewer authors. 2020. Structural insight into the electron transfer pathway of a self-sufficient P450 monooxygenase. Nature Communications . s41467-020-16500-5