Strukturen und Mechanismen von Enzymen der bakteriellen Chlorophyll-Biosynthese
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Chlorophylle und Bakteriochlorophylle sind von grundlegender Bedeutung für die globale Energiekonservierung. In Bakterien und Pflanzen fungieren diese Pigmente als essentielle Bestandteile des Fotosyntheseapparates, welcher die Umwandlung von Lichtenergie in chemische Energie bewerkstelligt. Im Rahmen des Forschungsprojektes wurden die folgenden Enzyme der (Bacterio)chlorophyl-Biosynthese analysiert: Die O2-unabhängige Mg Protoporphyrin IX Monomethylester Cyclase (BchE) ist essentiell für die Synthese des fünften Ringsystems der Bakteriochlorophylle. Im Rahmen dieses Teilprojekts konnte eine neuartige Enzymkatalyse unter Beteiligung der Kofaktoren Vitamin B12 (Adenosylkobalamin) und S-Adenosylmethionin beschrieben werden. Die Reaktion des BchE basiert auf einem ungewöhnlichen radikalischen (radical SAM) Enzymmechanismus. Die lichtunabhängige Protochlorophyllid Oxidoreduktase (DPOR) katalysiert die Reduktion des konjugierten Ringsystems des Protochlorophyllids. Durch die Kombination von biochemischen und strukturbiologischen Arbeiten konnte ein Nitrogenase-ähnlicher Reaktionsmechanismus aufgeklärt werden. Unter Beteiligung von zwei unterschiedlichen Eisen-Schwefel-Zentren wird eine Zwei-Elektronenübertragung durch die Hydrolyse von ATP-Molekülen angetrieben. Das Enzym besteht aus einer Reduktase-Einheit und einer katalytischen Einheit, welche im Rahmen einer transienten Protein-Protein Interaktion den Elektronentransfer bewerkstelligen. Dieser Prozess wird durch Nukleotid-abhängige Konformationsänderungen der Reduktase-Einheit induziert. Die Ergebnisse dieses Teilprojekts sind auch von Bedeutung für das Verständnis der Nitrogenase. Die Chlorophyllid Oxidoreduktase katalysiert die Bildung von Bakteriochlorophyllid. Es handelt sich auch hier um ein Nitrogenase-ähnliches Metalloenzym, welches eine geänderte Substratspezifität im Vergleich zur DPOR besitzt. Es wurde ein analoger Reaktionsmechanismus mit Hilfe von biochemischen und spektroskopischen Methoden nachgewiesen. Hierbei ergaben sich jedoch wichtige Unterschiede bezüglich der Ligandierung eines Eisen-Schwefel-Zentrums. Die beiden Enzyme 3-Vinyl Bakteriochlorophyllid Hydratase (BchF) und 3-Hydroxyethyl Bakteriochlorophyllid Dehydrogenase (BchC) katalysieren die vorletzten Schritte im Rahmen der Bakteriochlorophyll-Biosynthese. Es konnte gezeigt werden, dass das BchF als integrales Membranprotein vorliegt und dass das BchC eine unerwartete metallunabhängige Katalyse ermöglicht. Aufgrund von Untersuchungen zur Substratspezifität der beiden Enzyme konnte eine neue biosynthetische Abfolge von Reaktionsschritten für die Bildung des Bakteriochlorophylls beschrieben werden. Durch die Kombination von biochemischen, spektroskopischen und strukturbiologischen Methoden wurde ein „molekulares Verständnis“ der zentralen Enzyme der Bakteriochlorophyll-Biosynthese erlangt. Hierbei wurden neuartige Reaktionsmechanismen beschrieben, welche von grundlegender Bedeutung für das Verständnis von komplexen enzymkatalysierten Reaktionen sind.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- (2008). ATP-driven reduction by dark-operative protochlorophyllide oxidoreductase from Chlorobium tepidum mechanistically resembles nitrogenase catalysis. J Biol Chem 283, 10559-67
Bröcker, M. J., Virus, S., Ganskow, S., Heathcote, P., Heinz, D. W., Schubert, W. D., Jahn, D., and Moser, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1074/jbc.M708010200) - (2008). Substrate recognition of nitrogenaselike dark operative protochlorophyllide oxidoreductase from Prochlorococcus marinus. J Biol Chem 283, 29873-81
Bröcker, M. J., Wätzlich, D., Uliczka, F., Virus, S., Saggu, M., Lendzian, F., Scheer, H., Rüdiger, W., Moser, J. and Jahn, D.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1074/jbc.M805206200) - (2009). Chimeric nitrogenase-like enzymes of (bacterio)chlorophyll biosynthesis. J Biol Chem 284, 15530-40
Wätzlich, D., Bröcker, M. J., Uliczka, F., Ribbe, M., Virus, S., Jahn, D. and Moser, J.
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Bröcker, M. J., Wätzlich, D., Saggu, M., Lendzian, F., Moser, J. and Jahn, D.
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Bröcker, M. J., Schomburg, S., Heinz, D. W., Jahn, D., Schubert, W. D. and Moser, J.
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Jasper, J., Vazquez Ramos, J., Trncik, C., Jahn, D., Einsle, O., Layer, G. and Moser, J.
(Siehe online unter https://doi.org/10.1002/cbic.201900759) - (2021). Mg-protoporphyrin IX monomethyl ester cyclase from Rhodobacter capsulatus: Radical SAM-dependent synthesis of the isocyclic ring of bacteriochlorophylls. Biochem. J., 47, 4635-4654
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1042/BCJ20200761)
