Abstract:

Il Grande Evento Ossidativo, avvenuto circa 2,4 miliardi di anni fa, portò all’accumulo di ossigeno molecolare (O₂) nell’atmosfera, plasmando profondamente la vita così come la conosciamo oggi. Per gli organismi aerobici, l’O₂ ha svolto un ruolo fondamentale nelle reazioni metaboliche, guidando l’evoluzione degli enzimi ossigenasi e ossidasi per sfruttarne il potenziale ossidativo. A causa del suo stabile stato fondamentale elettronico tripletto, l’O₂ necessita di attivazione per poter reagire. Tuttavia, una volta attivato, l’O₂ può reagire indiscriminatamente, causando conseguenze dannose come la formazione di specie reattive dell’ossigeno (ROS), implicate nei processi di invecchiamento. Pertanto, accanto all’attivazione, un’altra sfida della biochimica dell’ossigeno è rappresentata dal suo controllo.

I meccanismi attraverso cui l’O₂ nello stato tripletto reagisce con molecole organiche nello stato singoletto, aggirando la regola della restrizione di spin della chimica quantistica, costituiscono domande fondamentali della biochimica. Ciò è particolarmente vero per ossigenasi e ossidasi prive di metalli di transizione redox o cofattori organici che possano facilitare questo compito. Questi enzimi indipendenti da cofattori si affidano a strumenti chimici limitati per attivare l’O₂, rendendoli soggetti affascinanti per lo studio della biochimica di base dell’ossigeno e sistemi modello ideali.

In questo progetto, indagheremo l’urate ossidasi (UOX), l’ossidasi prototipica indipendente da cofattori, responsabile del metabolismo dell’acido urico. Nel corso dell’evoluzione, la UOX è scomparsa negli esseri umani. Per questo motivo viene somministrata come trattamento terapeutico in condizioni caratterizzate da livelli anomali di acido urico. Sfruttando l’idoneità ideale di questo sistema sperimentale, forniremo una descrizione completa del suo meccanismo di reazione integrando metodologie all’avanguardia di biologia strutturale (cristallografia seriale a raggi X, elettronica e neutronica) con approcci biochimici e teorici. Il nostro obiettivo generale è stabilire un quadro meccanicistico di riferimento per la catalisi dell’O₂ indipendente da cofattori nei sistemi biologici.

Versione in Inglese:

The Great Oxidation Event around 2.4 billion years ago resulted in the accumulation of molecular oxygen (O2) in the atmosphere, profoundly shaping life as we know it today. For aerobes, O2 has played a pivotal role in metabolic reactions, driving the evolution of oxygenase and oxidase enzymes to harness its oxidative potential. Due to its stable triplet electronic ground-state, O2 requires activation to react.

However, once activated, O2 can react indiscriminately, leading to detrimental consequences such as the formation of reactive oxygen species (ROS) implicated in aging. Thus, alongside activation, another challenge in oxygen biochemistry, is its control.
The mechanisms by which triplet-state O2 reacts with singlet-state organic molecules, bypassing the quantum chemical spin-restriction rule, are fundamental questions in biochemistry. This is especially true for oxygenases and oxidases lacking redox transition metals or organic cofactors to facilitate this task.

These cofactor-independent enzymes rely on limited chemical tools to activate O2, making them intriguing subjects for studying fundamental oxygen biochemistry and serving as model systems. In this project, we will investigate urate oxidase (UOX), the prototypical cofactor-independent oxidase responsible for the metabolism of uric acid. During evolution, UOX has disappeared in humans. For this reason, it is administered therapeutically in conditions leading to abnormal uric acid levels. Taking advantage of the ideal suitability of this experimental system we will provide a complete description of its reaction mechanism by integrating cutting-edge methodologies in structural biology (serial X-ray, serial electron, and neutron crystallography) with biochemical and theoretical approaches. Our overarching goal is to establish a general mechanistic framework for cofactor-independent O2 catalysis in biological systems.

Contatti: roberto.steiner@unipd.it