$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
1. Przygotowanie buforu beztlenowego
- Przygotować 1 l 100 mM buforu fosforanu potasu o pH 7,5. Wlać 250 ml buforu do 500-mililitrowej kolby Büchnera z mieszadłem.
- Uszczelnić kolbę gumowym korkiem i umieścić ją na płytce mieszającej. Podłączyć krótką rurkę kolby do przewodu Schlenka.
- Odgazować bufor w próżni przez 5 godzin w temperaturze pokojowej z mieszaniem. W tym czasie co godzinę wykonuj 5 kolejnych rund odgazowywania próżniowego i płukania argonem.
- Przepłukać kolbę argonem przez 10 sekund i odłączyć ją od kolektora próżniowego. Umieścić kolbę w schowku na rękawiczki.
- Pozostawić na noc otwartą kolbę w schowku na rękawiczki, energicznie mieszając.
2. Usuwanie tlenu z systemu zatrzymanego przepływu
- Przygotować 1 l 0,1 M octanu sodu o pH 5,0. Wlać 125 ml tego buforu do kolby Büchnera o pojemności 250 ml i wykonać czynności 1.2-1.4.
- Odważyć 5 mg oksydazy glukozowej z Aspergillus niger (181300 j./g) i 0,9 g glukozy, używając odpowiednio 1,5 ml probówki Eppendorfa i 50 ml probówki stożkowej Falcon. Umieść oba pojemniki w schowku na rękawiczki.
- Rozpuścić oksydazę glukozową i glukozę w 50 ml beztlenowego 0,1 M octanu sodu o pH 5,0 (końcowe stężenia odpowiednio 18,13 U/ml i 100 mM). Napełnić strzykawki z zbiornikiem tym roztworem (Rysunek 1).
- Upewnij się, że zawory napędowe znajdują się w pozycji "obciążenia" i napełnij strzykawki napędu (Rysunek 1). Przekręć zawór F do pozycji "napęd". Opróżnij strzykawkę zatrzymującą, klikając przycisk Opróżnij w oprogramowaniu sterującym Pro-Data. Przepchnąć bufor ze strzykawki napędowej F przez obwód przepływu, ręcznie podnosząc odpowiedni suwak napędu. Powtórz ten krok w sumie dziesięć razy. Wykonać tę samą procedurę z pozostałymi trzema strzykawkami napędowymi. Poczekaj godzinę.
- Zastąpić roztwór strzykawek zbiornikowych tym samym buforem zawierającym oksydazę glukozową i glukozę. Powtórz krok 2.4.
- Powtórz krok 2.5 i pozostaw roztwór na noc w systemie przepływowym.
- Po całonocnej inkubacji powtórzyć krok 2.5.
3. Przygotowanie buforu nasyconego tlenem
- Przygotować 100 ml buforu fosforanu potasu (pH 7,5) i wlać 50 ml do 50 ml fiolki z mieszadłem. Zakręcić fiolkę korkiem Wheaton i aluminiową uszczelką Wheaton.
- Umieścić fiolkę na lodzie. Zanurz w roztworze długą igłę podłączoną do zbiornika zawierającego 100% tlenu. Wprowadzić kolejną krótką igłę przez korek fiolki jako odpowietrznik.
- Bąbelkować roztwór 100% tlenem przez 1 godzinę z mieszaniem.
- Najpierw wyjmij krótką igłę z fiolki i odczekaj 10 sekund przed wyjęciem długiej igły. Umieścić zamkniętą fiolkę w schowku na rękawiczki.
4. Przygotowanie roztworu NADPH
- Odważyć 1 mg NADPH w probówce Eppendorfa o pojemności 1,5 ml i umieścić ją w schowku na rękawiczki.
- Rozpuścić NADPH w 300 μl beztlenowego 100 mM buforu fosforanu potasu o pH 7,5. Wyjąć 30 μl tego roztworu ze schowka na rękawiczki w celu oznaczenia stężenia NADPH za pomocą spektrofotometru (ε340 nm = 6,270 M-1 cm-1).
5. Usuwanie tlenu z roztworu enzymatycznego
- Pobrać 400 μl roztworu podstawowego enzymu z zamrażarki i rozmrozić w schowku na rękawiczki. Roztwór podstawowy enzymu (360 μM) przygotowano wcześniej w 100 mM buforze fosforanu potasu (pH 7,5) zawierającym 100 mM NaCl i zamrożono w ciekłym azocie.
- Przenieść roztwór enzymu do fiolki o pojemności 25 ml z mieszadłem, zakryć fiolkę korkiem Wheaton i aluminiową uszczelką Wheaton i wyjąć z pojemnika na rękawiczki.
- Umieścić fiolkę na lodzie i podłączyć ją do przewodu Schlenka, wprowadzając igłę przez korek fiolki.
- Odgazowuje roztwór enzymatyczny, wykonując 5 kolejnych rund odgazowywania próżniowego i płukania argonem co 20 minut przez 1 godzinę.
- Przepłukać fiolkę argonem przez 10 sekund i odłączyć ją od kolektora próżniowego. Umieścić fiolkę na lodzie w schowku na rękawiczki.
6. Redukcyjna półreakcja: monitorowanie redukcji flawinów
- Przygotuj przyrząd do zatrzymania przepływu i oprogramowanie sterujące Pro-Data do trybu pojedynczego mieszania zgodnie z protokołem producenta.
- Włączyć łaźnię z wodą obiegową (15 °C). Usuń tlen z wody, bulgocząc przez nią azotem przez 20 minut. Zapobiega to zanieczyszczeniu tlenem przez obieg przepływu.
- Utrzymywać temperaturę strzykawek napędowych i komory obserwacyjnej na poziomie 15 °C, podłączając obudowę łaźni wodnej zatrzymanego przepływu do łaźni obiegowej.
- W oknie Panelu sterowania w oprogramowaniu sterującym Pro-Data wybierz Matryca fotodiod, Wyzwalacz zewnętrzny (aby aktywować operację zatrzymanego przepływu) i Skala logarytmiczna.
- Uruchom przeglądarkę Pro-Data i zdefiniuj katalog, w którym będą przechowywane pliki danych.
- Zastąp roztwór strzykawek C i F beztlenowym 100 mM buforem fosforanu potasu (pH 7,5). Przekręć zawory C i F do pozycji "drive". Opróżnij strzykawkę zatrzymującą, klikając przycisk Opróżnij w oprogramowaniu sterującym Pro-Data. Przepchnąć bufor z obu strzykawek napędowych przez obwód przepływu, ręcznie podnosząc w sumie odpowiedni suwak napędu pięć razy (kliknij przycisk Opróżnij przed każdym ruchem suwaka).
- Aby upewnić się, że oksydaza glukozowa została całkowicie usunięta z obwodu przepływu, wykonaj krok 6.6 łącznie cztery razy.
- Kliknij Baseline w oprogramowaniu sterującym Pro-Data.
- Zmieszać 100 μl roztworu podstawowego enzymu z 1100 μl beztlenowego 100 mM buforu fosforanu potasu (stężenie końcowe po zmieszaniu w zatrzymanym przepływie 15 μM).
- Zastąp roztwór strzykawki F roztworem enzymu. Przekręć zawór F do pozycji "napęd". Opróżnij strzykawkę zatrzymującą, klikając przycisk Opróżnij w oprogramowaniu sterującym Pro-Data. Przepchnąć roztwór enzymu ze strzykawki napędowej F przez obwód przepływu, ręcznie podnosząc odpowiedni suwak napędu. Wykonaj to w sumie trzy razy. W oprogramowaniu sterującym Pro-Data ustaw czas akwizycji na 60 s.
- Upewnij się, że obie strzykawki napędowe są wypełnione odpowiednimi roztworami, a siłowniki napędowe stykają się z tłokami strzykawki napędowej. Przekręć oba zawory do pozycji "napęd" i kliknij Acquire w oprogramowaniu sterującym Pro-Data, aby uruchomić napęd. Powtórz ten krok jeszcze dwa razy, aby uzyskać dane w trzech egzemplarzach. W ten sposób uzyskuje się widma utlenionej formy enzymu.
- Korzystając z wartości A452 nm uzyskanej z napędów, oznacz stężenie enzymu przed zmieszaniem (ε452 nm = 13 700 M-1 cm-1) i przygotuj 4 ml roztworu NADPH 1,5-krotnie bardziej skoncentrowanego.
- Zastąpić roztwór strzykawki z zbiornikiem C roztworem NADPH, a następnie opróżnić i ponownie napełnić strzykawkę zatrzymującą trzy razy, jak opisano w ppkt 6.10.
- Powtórz krok 6.11. W ten sposób powstają widma podczas redukcji enzymu.
7. Półreakcja utleniająca: monitorowanie utleniania flawinów
- Przygotuj przyrząd do zatrzymania przepływu i oprogramowanie sterujące Pro-Data do trybu podwójnego mieszania zgodnie z protokołem producenta.
- Powtórz kroki 6.2-6.5.
- Zastąpić roztwór w czterech strzykawkach zbiornikowych beztlenowym 100 mM buforem fosforanu potasu (pH 7,5). Przekręć zawór F do pozycji "napęd". Opróżnij strzykawkę zatrzymującą, klikając przycisk Opróżnij w oprogramowaniu sterującym Pro-Data. Przepchnąć bufor ze strzykawki napędowej F przez obwód przepływu, ręcznie podnosząc odpowiedni suwak napędu. Wykonaj ten krok łącznie pięć razy z każdą strzykawką napędową.
- Wykonaj krok 7.3 łącznie cztery razy, aby całkowicie usunąć zawartość z obwodu przepływu.
- Kliknij opcję Baseline (Linia bazowa) w oprogramowaniu sterującym Pro-Data.
- Zmieszać 200 μl roztworu podstawowego enzymu z 1000 μl beztlenowego 100 mM buforu fosforanu potasu (stężenie końcowe po zmieszaniu w zatrzymanym przepływie 15 μM).
- Zastąp roztwór strzykawki zbiornikowej A roztworem enzymu. Przekręć zawór A do pozycji "napęd". Opróżnij strzykawkę zatrzymującą, klikając przycisk Opróżnij w oprogramowaniu sterującym Pro-Data. Przepchnąć roztwór enzymu ze strzykawki napędowej A przez obwód przepływu, ręcznie podnosząc odpowiedni suwak napędu. Wykonaj ten krok w sumie trzy razy. W oprogramowaniu sterującym Pro-Data ustaw czas opóźnienia na 0,5 s, a czas akwizycji na 60 s.
- Upewnij się, że wszystkie strzykawki napędowe są wypełnione odpowiednimi roztworami, a siłowniki napędowe stykają się z tłokami strzykawki napędowej. Przekręć wszystkie zawory do pozycji "napęd" i kliknij Acquire w oprogramowaniu sterującym Pro-Data, aby wykonać napęd. Powtórz ten krok jeszcze dwa razy, aby uzyskać dane w trzech egzemplarzach. W ten sposób uzyskuje się widma utlenionej formy enzymu.
- Zastąpić roztwór strzykawki B roztworem NADPH 1,5-krotnie bardziej skoncentrowanym niż roztwór enzymu w strzykawce A. Przekręcić zawór B do pozycji "napędu", a następnie opróżnić i ponownie napełnić strzykawkę zatrzymującą, jak opisano w ppkt 7.7.
- Zastąp roztwór strzykawki C zbiornikiem buforowym natlenionym. Przekręcić zawór C do pozycji "napędu", a następnie opróżnić i ponownie napełnić strzykawkę zatrzymującą, jak opisano w ppkt 7.7. W oprogramowaniu sterującym Pro-Data ustaw opóźnienie i czas akwizycji odpowiednio na 15 i 900 s.
- Powtórz krok 7.8. W ten sposób powstają widma podczas reoksydacji w pełni zredukowanego enzymu.
8. Analiza danych
- Uruchom oprogramowanie konwertujące Pro-Data. Kliknij ikonę Opcje i wybierz opcję Zapisz w ProDataCSV.
- Otwórz katalog, w którym były przechowywane pliki danych. Przeciągnij pliki do okna konwertera APL Pro-Data. Dane zostaną automatycznie zapisane jako pliki w formacie CSV w tym samym katalogu.
- Otwórz pliki w formacie CSV za pomocą programu Microsoft Excel (Microsoft, Redmond, WA, USA). Znormalizować linię podstawową śladów zatrzymanego przepływu, odejmując odpowiednią absorpcję przy 700 nm.
- Przeanalizuj skorygowane ślady za pomocą KaleidaGraph (Synergy Software, Reading, PA), dopasowując wykres absorbancji przy odpowiednim maksimum w funkcji czasowej do odpowiedniej funkcji wykładniczej. Jak pokazano na rysunku 2B, absorbancję przy 452 nm wykreślono w funkcji czasu w celu określenia szybkości redukcji flawin po zmieszaniu enzymu i NADPH w przyrządzie do zatrzymania przepływu. W tym przypadku najlepsze dopasowanie danych uzyskano za pomocą równania dwuwykładniczego, a dla pierwszej i drugiej fazy redukcji obliczono współczynniki 0,65 i 0,23 s-1. Aby określić szybkość tworzenia się półproduktu C4a-hydroperoksyflawiny i reoksydacji po reakcji zredukowanego enzymu z tlenem, przeanalizowaliśmy ślady zatrzymanego przepływu odpowiednio przy 380 i 452 nm (Figura 3B). Używając pojedynczego równania wykładniczego, obliczyliśmy szybkości 1,4 i 0,006 s-1 odpowiednio dla pierwszego i drugiego etapu półreakcji utleniania.
9. Reprezentatywne wyniki
Wyniki eksperymentów opisanych w poprzednich sekcjach pokazują, jak można monitorować redukcyjną reakcję połówkową Af SidA, mierząc zmiany absorbancji przy 452 nm, które odpowiadają zmianom stanu redoks flawiny. Szybkość tego etapu można określić, dopasowując dane do odpowiedniego równania (rysunek 2; Krok 8.4). Uzyskana szybkość redukcji (0,65 s-1) jest podobna do wartości kcat obliczonej w eksperymentach w stanie ustalonym2, co sugeruje, że redukcja jest etapem determinującym szybkość reakcji. Korzystając z trybu podwójnego mieszania zatrzymanego przepływu, można określić szybkość utleniania i produkty pośrednie w tej półreakcji (rysunek 3; Krok 8.4). W reakcji katalizowanej przez Af SidA wyraźnie wykrywa się C4a-hydroperoksyflawinę (λ maksimum 380 nm) i można obliczyć szybkość powstawania i rozpadu. Powolna szybkość uzyskanego reoksydacji (0,006 s-1) wskazuje, że C4a-hydroperoksyflawina jest bardzo stabilna pod nieobecność ornityny.

Schemat 1. Mechanizm Af SidA. Pokazano pierścień izoallozaksynowy kofaktora FAD. Utleniona flawina (A) wiąże się z NADPH (B) i reaguje, tworząc zredukowaną flawinę i NADP+ (C). Po reakcji z tlenem cząsteczkowym i związaniu ornityny powstaje C4a-hydroperoksyflawina (D). To jest gatunek hydroksylujący. Po hydroksylacji ornityny hydroksyflawina (E) musi zostać odwodniona, aby wytworzyć utleniony enzym. NADP+ pozostaje związany przez cały cykl katalityczny i jest ostatnim produktem, który jest uwalniany (F).

Rysunek 1. Przyrząd do pomiaru zatrzymanego przepływu. A) Zdjęcie elementów spektrofotometru spektrofotometru z zatrzymanym przepływem Applied Photophysics SX20. B) Zdjęcie jednostki obsługi próbek. C) Schemat obwodu przepływu w trybie podwójnego mieszania.

Rysunek 2. Beztlenowa redukcja SidA za pomocą NADPH w przyrządzie do zatrzymania przepływu. A) Zmiany widmowe zarejestrowane po zmieszaniu równych objętości 30 μM SidA i 45 μM NADPH. Pierwsze widmo (utleniony SidA) i ostatnie widmo (w pełni zredukowany SidA) są podświetlone odpowiednio na niebiesko i czerwono. B) Ślad absorpcji przy 452 nm zapisany w funkcji czasu.

Rysunek 3. Utlenianie SidA w przyrządzie do pomiaru zatrzymanego przepływu. A) Zmiany widmowe zarejestrowane po zmieszaniu równych objętości w pełni zredukowanego SidA i natlenionego buforu. Końcowe stężenia wynosiły 15 μM SidA, 22,5 μM NADPH i 0,95 mM tlenu. Widmo zarejestrowane przy 0,034, 4,268 i 727,494 s odpowiada odpowiednio w pełni zredukowanemu enzymowi, półproduktowi C4a-hydroperoksyflawiny (λ maksimum 380 nm) i utlenionemu enzymowi (λmaksimum 450 nm). B) Ślad absorpcji przy 382 i 452 nm zapisany w funkcji czasu.