Serial crystallography captures dynamic control of sequential electron and proton transfer events in a flavoenzyme

化学 光解酶 黄素腺嘌呤二核苷酸 电子转移 黄素组 氧化还原 辅因子 质子耦合电子转移 质子化 光化学 黄蛋白 DNA DNA修复 生物化学 离子 有机化学
作者
M. Maestre-Reyna,Cheng‐Han Yang,Eriko Nango,Wei‐Cheng Huang,Eka Putra Gusti Ngurah Putu,Wen‐Jin Wu,Po‐Hsun Wang,Sophie Franz-Badur,Martin Saft,Hans‐Joachim Emmerich,Hsiang-Yi Wu,Cheng‐Chung Lee,Kai‐Fa Huang,Yao-Kai Chang,Jiahn‐Haur Liao,Jui-Hung Weng,Wael Gad,Chiung‐Wen Chang,Allan H. Pang,Michihiro Sugahara,Shigeki Owada,Yuhei Hosokawa,Yasumasa Joti,A. Yamashita,Rie Tanaka,Tomoyuki Tanaka,Luo Fangjia,Kensuke Tono,Kai‐Cheng Hsu,Stephan Kiontke,Igor Schapiro,Roberta Spadaccini,Antoine Royant,Junpei Yamamoto,So Iwata,Lars‐Oliver Essen,Yoshitaka Bessho,Ming‐Daw Tsai
出处
期刊:Nature Chemistry [Nature Portfolio]
卷期号:14 (6): 677-685 被引量:31
标识
DOI:10.1038/s41557-022-00922-3
摘要

Flavin coenzymes are universally found in biological redox reactions. DNA photolyases, with their flavin chromophore (FAD), utilize blue light for DNA repair and photoreduction. The latter process involves two single-electron transfers to FAD with an intermittent protonation step to prime the enzyme active for DNA repair. Here we use time-resolved serial femtosecond X-ray crystallography to describe how light-driven electron transfers trigger subsequent nanosecond-to-microsecond entanglement between FAD and its Asn/Arg-Asp redox sensor triad. We found that this key feature within the photolyase-cryptochrome family regulates FAD re-hybridization and protonation. After first electron transfer, the FAD•- isoalloxazine ring twists strongly when the arginine closes in to stabilize the negative charge. Subsequent breakage of the arginine-aspartate salt bridge allows proton transfer from arginine to FAD•-. Our molecular videos demonstrate how the protein environment of redox cofactors organizes multiple electron/proton transfer events in an ordered fashion, which could be applicable to other redox systems such as photosynthesis.
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