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Elucidating Electron Storage and Distribution within the Pentaheme Scaffold of Cytochrome c Nitrite Reductase (NrfA)

血红素 化学 电子顺磁共振 电子传输链 电子转移 光化学 核磁共振 生物化学 物理
作者
Victor Sosa Alfaro,Julius Campeciño,Matthew Tracy,Sean J. Elliott,Eric L Hegg,Nicolai Lehnert,Victor Sosa Alfaro,Julius Campeciño,Matthew Tracy,Sean J. Elliott,Eric L Hegg,Nicolai Lehnert
出处
期刊:Biochemistry [American Chemical Society]
卷期号:60 (23): 1853-1867 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acs.biochem.0c00977
摘要

Cytochrome c nitrite reductases (CcNIR or NrfA) play important roles in the global nitrogen cycle by conserving the usable nitrogen in the soil. Here, the electron storage and distribution properties within the pentaheme scaffold of Geobacter lovleyi NrfA were investigated via electron paramagnetic resonance (EPR) spectroscopy coupled with chemical titration experiments. Initially, a chemical reduction method was established to sequentially add electrons to the fully oxidized protein, 1 equiv at a time. The step-by-step reduction of the hemes was then followed using ultraviolet-visible absorption and EPR spectroscopy. EPR spectral simulations were used to elucidate the sequence of heme reduction within the pentaheme scaffold of NrfA and identify the signals of all five hemes in the EPR spectra. Electrochemical experiments ascertain the reduction potentials for each heme, observed in a narrow range from +10 mV (heme 5) to -226 mV (heme 3) (vs the standard hydrogen electrode). On the basis of quantitative analysis and simulation of the EPR data, we demonstrate that hemes 4 and 5 are reduced first (before the active site heme 1) and serve the purpose of an electron storage unit within the protein. To probe the role of the central heme 3, an H108M NrfA variant was generated where the reduction potential of heme 3 is shifted positively (from -226 to +48 mV). The H108M mutation significantly impacts the distribution of electrons within the pentaheme scaffold and the reduction potentials of the hemes, reducing the catalytic activity of the enzyme to 1% compared to that of the wild type. We propose that this is due to heme 3's important role as an electron gateway in the wild-type enzyme.
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