The Journal of Visualized Experiments (JoVE) is a peer reviewed, PubMed-indexed video journal. Our mission is to increase the productivity of scientific research.
This translation into Dutch was automatically generated through Google Translate.
English Version | Other Languages
Department of Biochemistry, Virginia Polytechnic Institute and State University
Romero, E., Robinson, R., Sobrado, P. Monitoring the Reductive and Oxidative Half-Reactions of a Flavin-Dependent Monooxygenase using Stopped-Flow Spectrophotometry. J. Vis. Exp. (61), e3803, doi:10.3791/3803 (2012).
Aspergillus fumigatus siderophore A (SIDA) een FAD bevattende monooxygenase de hydroxylering van ornithine katalyseert in de biosynthese van hydroxamaat sideroforen die essentieel zijn voor virulentie (bijv. ferricrocin of N ', N ", N'''-triacetylfusarinine C) 1. De reactie gekatalyseerd door Sida kan worden onderverdeeld in reductieve en oxidatieve halve reacties (Schema 1). reductieve halve reactie, de geoxideerde FAD gebonden aan een f SIDA, verminderd met NADPH 2,3. In de oxidatieve halfreactie de verminderde cofactor reageert met moleculaire zuurstof bij een C4a-hydroperoxyflavin tussenproduct, waarin een zuurstofatoom overdraagt aan ornithine te vormen. Hier wordt een procedure voor het meten en percentages detecteren verschillende spectrale vormen Sida met een onderbroken flow instrument geïnstalleerd beschrijven anaerobe handschoenkast. In gestopt-flow instrument kleine hoeveelheden reagentia snel gemengd en nadat de stroom is gestopt the stop injectiespuit (figuur 1) zijn de spectrale veranderingen van de oplossing geplaatst in de waarneming cel opgenomen in de tijd. In het eerste deel van het experiment laten we zien hoe we de stoppen-flow instrument te gebruiken in single mode, waar de anaerobe reductie van de flavine in A f Sida door NADPH direct wordt gemeten. Vervolgens gebruiken we dubbele mengen instellingen waarbij A f Sida wordt eerst anaëroob door NADPH verminderd voor een bepaalde periode van tijd in een vergrijzende lus, en dan reageerde met moleculaire zuurstof in de observatie cel (figuur 1). Om dit experiment uit te voeren, anaërobe buffers zijn nodig omdat, wanneer alleen de reductieve halve reactie wordt gedetecteerd, zuurstof in de oplossingen reageren met de verminderde flavine cofactor en vormen een C4a-hydroperoxyflavin tussenproduct dat uiteindelijk weer oplossen in het geoxideerde flavine . Dit zou niet toestaan dat de gebruiker toe om nauwkeurig te meten verlagingspercentages want dan zou het volledige omzet van de Enz te zijnYME. Bij de oxidatieve halve reactie wordt onderzocht het enzym worden verminderd in afwezigheid van zuurstof, zodat slechts de stappen tussen reductie en oxidatie worden waargenomen. Een van de buffers die in dit experiment is zuurstof verzadigd is, zodat we de oxidatieve half-reactie te studeren aan hogere concentraties van zuurstof. Dit zijn vaak de procedures uitgevoerd bij het bestuderen van zowel de reductieve of oxidatieve half-reacties met flavine-bevattend monooxygenases. De tijdschaal van de pre-steady-state experimenten uitgevoerd met de gestopt-flow is milliseconden tot seconden, wat de bepaling van intrinsieke snelheidsconstanten en de detectie en identificatie van tussenproducten in de reactie 4 mogelijk te maken. De hier beschreven procedures kunnen worden toegepast op andere flavine-afhankelijke monooxygenases. 5,6
1. Voorbereiding van Anaërobe Buffer
2. Het verwijderen van zuurstof uit de Gestopt-flow-systeem
3. Voorbereiding van zuurstof verzadigde Buffer
4. Voorbereiding van NADPH Solution
5. Verwijderen van zuurstof uit de enzymoplossing
6. Reductieve Half-reactie: Monitoring Flavin Reduction
7. Oxidatieve Half-reactie: Monitoring Flavin Oxidatie
8. Data-analyse
9. Representatieve resultaten
De resultaten van de experimenten beschreven in de vorige paragrafen tonen hoe de reductieve halve reactie van een f Sida kan worden gecontroleerd door meting van de veranderingen in de absorptie bij 452 nm, die overeenkomen met de veranderingen in de stand van de redox flavine. De snelheid van deze stap kan worden bepaald door het aanbrengen van de gegevens naar de geschikte vergelijking (figuur 2 stap 8.4). Het verkregen reductie (0,65 s'1) is gelijk aan de waarde k kat berekendsteady-state experimenten 2, suggereert dat de daling is het snelheidsbepalende stap van de reactie. Gebruikmakend van de dubbele mengen stand van de stopgezette-stroom, kan de snelheid van oxidatie en de tussenproducten in deze halve reactie te bepalen (Figuur 3; stap 8.4). In de reactie gekatalyseerd door A f SIDA, wordt C4a-hydroperoxyflavin duidelijk waargenomen (λ max 380 nm), en de snelheid van vorming en verval kan worden berekend. Het langzame tempo van de verkregen reoxidatie (0,006 s -1) geeft aan dat de C4a-hydroperoxyflavin is zeer stabiel in de afwezigheid van de ornithine.

Schema 1. Mechanisme van een F Sida. De isoallozaxine ring van de FAD cofactor wordt weergegeven. De geoxideerde flavine (A) bindt aan NADPH (B) en reageert onder vorming verlaagd flavine en NADP + (C). Na reactie met moleculaire zuurstof en binding vanornithine, wordt C4a-hydroperoxyflavin gevormd (D). Dit is de hydroxylering soort. Na hydroxylering van ornithine, moet de hydroxyflavin (E) drogen van de geoxideerde enzyme. NADP + blijft gebonden in de katalytische cyclus en is het laatste product vrij te geven (F).

Figuur 1. Gestopt-flow instrument. A) Afbeelding van de componenten van de Toegepaste Fotofysica SX20 gestopt-flow spectrofotometer. B) Foto van het monster-unit. C) Regeling van de stroom circuit in dubbele mixing mode.

Figuur 2. Anaërobe reductie van Sida met NADPH in de gestopte-flow instrument. A) Spectrale veranderingen opgenomen na het mengen van gelijke volumes van 30 uM Sida en 45 uM NADPH. De eerste spectrum (geoxideerd SIDA) en laatste spectrum (volledig gereduceerde SidA) is gemarkeerd in blauw en rood, respectievelijk. B) Absorptie spoor bij 452 nm geregistreerd als functie van de tijd.

Figuur 3. Oxidatie van Sida in de gestopte-flow instrument. A) opgenomen Spectrale veranderingen na het mengen van gelijke volumes van de volledig verminderd SIDA en zuurstofrijk buffer. De uiteindelijke concentraties waren 15 uM Sida, 22,5 uM NADPH, en 0,95 mM zuurstof. Het spectrum opgenomen in 0.034, 4.268 en 727.494 en overeenkomt met het volledig gereduceerde enzym, de C4a-hydroperoxyflavin tussenproduct (λ max 380 nm), en de geoxideerde enzym (λ max 450 nm), respectievelijk. B) Absorptie spoor op 382 en 452 nm geregistreerd als functie van de tijd.
Enzymen die redox-reacties katalyseren bevatten meestal co-factoren, zoals Hemes en flavins die significante absorptie veranderingen ondergaan tijdens de katalytische cyclus. De geoxideerde vorm van het flavine geeft absorptie maxima bij ~ 360 en 450 nm en de reductie wordt typisch gecontroleerd door de absorptie bij 450 nm afname 7. In het algemeen, een aantal tijdelijke tussenproducten aanwezig zijn, maar vorm en verval te snel moet worden gemeten in de reguliere spectrofotometers. De toegepaste Photophysics SX20 gestopt stroming spectrofotometer (of instrumenten) is het mogelijk te meten absorptie veranderingen in milliseconden tijdschaal (dode tijd, 2 ms). Hier bestudeerden we de reductieve en oxidatieve half-reacties van de flavine-afhankelijke mono-oxygenase A f Sida, die als een model. De snelheid van hydrideoverdracht werd bepaald door meten van de verandering van de absorptie bij 452 nm na het mengen met het enzym NADPH onder anaërobe omstandigheden. Vervolgens waarbij advantage van de dubbele mengen stand van de stopgezette-flow instrument werd het enzym eerst reageren met NADPH, totdat volledige reductie is bereikt, wordt de verminderde enzym-NADP + complex werd gemengd met zuurstof. Naar aanleiding van deze procedure, is het mogelijk om van voorbijgaande aard zuurstofrijk Flavin tussenproducten op te sporen en om de tarieven van de vorming en verval te meten. De identificatie van deze tussenproducten bevat experimentele gegevens over de aard van de reactie soorten katalyse. Bij A f SIDA, de vorming van de C4a-hydroperoxyflavin (typisch gecontroleerd 370-380 nm), die de hydroxylering soort. Bovendien meten snelheidsconstante van elke stap maakt het mogelijk om over de snelheidsbepalende stap van de reactie te verkrijgen en de kinetische en chemische mechanismen van het enzym te helderen helpen.
In het algemeen kunnen vergelijkbare strategieën worden gebruikt voor andere flavoenzymes of eiwitten die absorptie verandert zich, zoals eiwitten die contain heem, pyridoxal-fosfaat, of niet-heem ijzer 8-10. Een beperking van deze methode is dat grote hoeveelheden gezuiverd enzym vereist, maar dit kan worden overwonnen door de expressie in hoge opbrengsten. Een bepaalt de optimale eiwitconcentratie voor het opnemen van spectra met behulp van voldoende eiwitten, zodat een sterk signaal kan worden waargenomen, maar niet te veel zelfs dat enzym niet wordt verspild. De laagste enzymconcentratie van flavine-bevattende enzymen in gestopt-flow reactor is 6-10 uM (na menging) en wordt bepaald volgens de bijbehorende molaire extinctiecoëfficiënt van het enzym. Bij A f SIDA, het percentage van het enzym gebonden FAD is 50-65% 2. Apo-eiwit inactief als in deze experimenten omdat gebonden FAD cofactor nodig voor katalyse. Een andere mogelijke beperking van deze methode is als processen in een enzym dat zich sneller dan 2 ms (dode tijd van de gestopte-flow), zullen ze niet in acht worden genomen, maar eere worden gemeld strategieën waar de tarieven kunnen worden verlaagd om dit probleem te overwinnen. Een voorbeeld van deze omvat met een hoge NaCl concentratie in de reactie van een ferredoxin-NADP + reductase 11. Reiniging van zuurstof uit de stroom circuit van de stopgezette-stroom vaak lastig stap in dit experiment en vereist speciale aandacht. De glucose-oxidase-glucose-systeem hier beschreven wordt met succes gebruikt in de meeste laboratoria want het is een effectieve en goedkope methode. Er zijn echter een aantal nadelen die de productie van H 2 O 2 omvat en voor sommige toepassingen alternatieven als protocatechuate dioxygenase-protocatechuate moet worden gedacht 12. Het gebruik van een anaerobe handschoenkast gemakkelijker om anaërobe omstandigheden, maar is niet essentieel. Zuurstof wordt uit de stroom circuit van de stopgezette-flow willen het enzym worden verminderd in afwezigheid van zuurstof of reageren met zuurstof bij concentratiess die we op te geven. Hoewel de gestopte-stroming in het handschoenenkastje, is er zuurstof in de stroom circuit als we aërobe buffers worden gebruikt in de voorgaande experimenten. Naast extinctiemetingen kunnen fluorescentie en circulair dichroïsme assays worden uitgevoerd in Applied Photophysics SX20 gestopt flow spectrofotometer met toebehoren.
Wij hebben niets te onthullen.
Onderzoek ondersteund door NSF award MCB-1021384.
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Vacuum pump | Welch Allyn | - | |
| Büchner flasks | Fisher Scientific | 70340-500 | |
| Stir bars | Fisher Scientific | 14-512-129 | |
| Stir plates | Fisher Scientific | 11-100-49S | |
| Schlenk lines | Kontes Corp | - | |
| Argon tank | Airgas | AR UPC300 | |
| Nitrogen tank | Airgas | NI200 | |
| Nitrogen tank, ultra high purity grade | Airgas | NI UHP200 | |
| Oxygen tank | Airgas | OX 40 | |
| 5% Hydrogen balance nitrogen tank | Airgas | X02NI95B200H998 | |
| SX20 Stopped-flow spectrophotometer | AppliedPhotophysics | - | |
| Glove box | Coy Laboratories, Inc. | - | |
| Water bath | Lauda Brinkmann | - | |
| 50 mL BD Falcon tubes | Fisher Scientific | 14-432-23 | |
| 15 mL BD Falcon conical tubes | Fisher Scientific | 05-527-90 | |
| 1.5 mL Eppendorf microcentrifuge tubes | Fisher Scientific | 05-402-18 | |
| 50 and 25 mL glass vials | Fisher Scientific | 06-402 | |
| Rubber stoppers | Fisher Scientific | 06-447H | |
| Aluminum seals | Fisher Scientific | 06-406-15 | |
| Potassium phosphate, monobasic | Fisher Scientific | AC2714080025 | |
| Potassium phosphate, dibasic | Fisher Scientific | P288-500 | |
| Sodium acetate | Sigma-Aldrich | S-2889 | |
| Glucose oxidase from A. niger | Sigma-Aldrich | G7141-250KU | |
| D-Glucose | Fisher Scientific | D16-500 | |
| β-NADPH | Fisher Scientific | ICN10116783 | |
| L(+)-Ornithine hydrochloride | Fisher Scientific | ICN10116783 |