Résumé
Les métaux de transition sont des éléments indispensables aux organismes vivants parce qu’ils confèrent aux enzymes qui les utilisent, des propriétés catalytiques nouvelles difficilement accessibles, voire impossibles par la chimie organique. C’est pourquoi on les retrouve au cœur des réactions clés du vivant et notamment dans le métabolisme énergétique. De même, les métaux de transitions sont indispensables au métabolisme des gaz (H2, CO2, N2) par les microorganismes[1] et les cofacteurs inorganiques qui servent de site actif à ces enzymes (hydrogénase, monoxyde de carbone déshydrogénase ou nitrogénase) ont suggéré, de par leur ressemblance avec la structure d’un certain nombre de minéraux, une origine minérale du vivant par catalyse de surface qui aurait progressivement été intégrée dans des peptides[2]. Aujourd’hui, ces centres métalliques sont intégrés au sein d’enzymes élaborées grâce à l’intervention combinée de protéines regroupées au sein de machineries d’assemblages spécifiques. Ainsi, dans le cas de l’hydrogénase à FeFe, au moins trois protéines sont nécessaires à la production et l’insertion d’un centre binucléaire de fer appelé [2Fe]H contenant des molécules de monoxyde de carbone, des ions cyanure et une molécule d’azadithiolate[3]. Dans le cas de la nitrogénase, le site actif correspond à un centre [Fe7S9CMo] lié à une molécule de R-homocitrate. Il ne faut pas moins de 12 protéines de la machinerie Nif pour produire ce centre métallique complexe et l’insérer dans l’enzyme[4].
Parmi les protéines de ces machineries, on retrouve des enzymes appelées communément « protéines à radical SAM » parce qu’elles utilisent la S-adénosyl-L-méthionine (SAM) pour catalyser des réactions radicalaires souvent complexes et sans équivalent en chimie polaire à deux électrons. Ces enzymes utilisent la réduction d’un centre [Fe4S4] pour cliver la SAM et générer transitoirement une espèce radicalaire 5´-deoxyadénosyl hautement réactive qui va, à son tour, déclencher la réaction radicalaire[5].
Dans le cas de l’assemblage du site actif de l’hydrogénase à FeFe, les protéines HydG et HydE sont membres de cette superfamille de protéines. HydG utilise la L-tyrosine comme substrat pour produire, grâce à un mécanisme complexe, les ligands CO et CN sous la forme d’un précurseur appelé « complexe-B » et correspondant à une espèce L-cystéine-FeII(CO)2CN[6]. Cette dernière va alors servir de substrat à la protéine HydE, elle aussi membre de la famille de protéines à radical SAM, pour poursuivre sa transformation vers le composé [2Fe]H [7, 8]. Dans le cas de la nitrogénase, la protéine NifB, elle aussi membre des protéines à radical SAM est l’enzyme clé du processus puisqu’elle va catalyser, grâce à la chimie radicalaire, la fusion de deux centres [Fe4S4], combinée à l’insertion d’un ion carbure et d’un ion sulfure pour produire un centre [Fe8S9C] appelé « NifB-co » et précurseur du site actif de la nitrogénase. Les récents résultats structuraux ont permis de mieux comprendre les différentes étapes de cette réaction [9, 10]. Le séminaire a présenté ces travaux, ainsi que nos derniers résultats sur les relations structure-fonction de ces enzymes.
Références
[1] Fontecilla-Camps J.C., Amara P., Cavazza C., Nicolet Y. et Volbeda A., « Structure-function relationships of anaerobic gas-processing metalloenzymes », Nature, vol. 460, 2009, p. 814-822, https://doi.org/10.1038/nature08299.
[2] Wachtershauser G., « Before enzymes and templates: Theory of surface metabolism », Microbiology and Molecular Biology Reviews, vol. 52, 1988, p. 452-484, https://doi.org/10.1128/mr.52.4.452-484.1988.
[3] Britt R.D., Rao G. et Tao L., « Biosynthesis of the catalytic H-cluster of [FeFe] hydrogenase: The roles of the Fe-S maturase proteins HydE, HydF, and HydG », Chemical Science, vol. 11, no 38, 2020, p. 10313-10323, https://doi.org/10.1039/D0SC04216A.
[4] Buren S., Jimenez-Vicente E., Echavarri-Erasun C. et Rubio L.M., « Biosynthesis of nitrogenase cofactors », Chemical Reviews, vol. 120, 2020, p. 4921-4968, https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00489.
[5] Broderick J.B., Duffus B.R., Duschene K.S. et Shepard E.M., « Radical S-adenosylmethionine enzymes », Chemical Reviews, vol. 114, 2014, p. 4229-4317, https://doi.org/10.1021/cr4004709.
[6] Rao G., Tao L., Suess D.L.M. et Britt R.D.A., « [4Fe-4S]-Fe(CO)(CN)-L-cysteine intermediate is the first organometallic precursor in [FeFe] hydrogenase H-cluster bioassembly », Nature Chemistry, vol. 10, 2018, p. 555-560, https://doi.org/10.1038/s41557-018-0026-7.
[7] Tao L., Pattenaude S.A., Joshi S., Begley T.P., Rauchfuss T.B. et Britt R.D., « Radical SAM enzyme HydE generates adenosylated Fe(I) intermediates en route to the [FeFe]-hydrogenase catalytic H-cluster », Journal of the American Chemical Society, vol. 142, no 24, 2020, p. 10841-10848, https://doi.org/10.1021/jacs.0c03802.
[8] Rohac R., Martin L., Liu L., Basu D., Tao L, Britt R.D., Rauchfuss T.B. et Nicolet Y., « Crystal structure of the [FeFe]-hydrogenase maturase HydE bound to Complex-B », Journal of the American Chemical Society, vol. 143, no 22, 2021, p. 8499-8508, https://doi.org/10.1021/jacs.1c03367.
[9] Fajardo A.S., Legrand P., Payá-Tormo L., Martin L., Pellicer Martinez M.T., Echavarri-Erasun C., Vernède X., Rubio L.M. et Nicolet Y., « Structural insights into the mechanism of the Radical SAM carbide synthase NifB, a key nitrogenase cofactor maturating enzyme », Journal of the American Chemical Society, vol. 142, no 25, 2020, p. 11006-11012, https://doi.org/10.1021/jacs.0c02243.
[10] Jenner L.P., Cherrier M.V., Amara P., Rubio L.M. et Nicolet Y., « An unexpected P-cluster like intermediate en route to the nitrogenase FeMo-co », Chemical Science, vol. 12, 2021, p. 5269-5274, https://doi.org/10.1039/D1SC00289A.
