Charakterisierung und Reaktionsmechanismus der Nitrogenase-ähnlichen und an der Cofaktor F430 Biosynthese beteiligten Reduktase CfbC/CfbD

• Antragstellerin: Professorin Dr. Gunhild Monika Layer
• Fachliche Zuordnung: Biochemie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 311061671

Die Nitrogenase-ähnliche Reduktase CfbC/CfbD katalysiert im Rahmen der Cofaktor F430 Biosynthese die anspruchsvolle sechs-Elektronen Reduktion des Substrats Nickel-Sirohydrochlorindiamid (Ni-SHCD) zu Nickel-Hexahydrosirohydrochlorindiamid (Ni-H6SHCD). Bei dieser Reaktion werden insgesamt sechs neue Stereozentren durch das Enzym in das Substratmolekül eingebaut. Die Reduktase CfbC/CfbD ist in ihrem Aufbau und ihrer Funktionsweise zumindest teilweise verwandt zur Nitrogenase. CfbC/CfbD besteht aus zwei Proteinkomponenten, einer Reduktase-Einheit und einer katalytischen Einheit. Die Reduktase-Einheit besteht aus dem Protein CfbC, welches ein Homodimer darstellt und ein [4Fe-4S]-Zentrum, gebunden zwischen den beiden Untereinheiten, enthält. Die katalytische Einheit wird durch das Protein CfbD gebildet, bei welchem es sich ebenfalls um ein Homodimer mit einem zwischen den Untereinheiten gebundenen [4Fe-4S]-Zentrum handelt. Es wird vermutet, das ein externer Elektronendonor zunächst ein Elektron auf das Eisen-Schwefel-Zentrum des CfbC überträgt. Dieses durchläuft vermutlich nach Bindung von ATP eine Konformationsänderung, welche dafür sorgt, dass CfbC mit CfbD wechselwirken kann. Diese Interaktion zwischen den beiden Einheiten ist nötig für die Übertragung des Elektrons auf das Eisen-Schwefel-Zentrum des CfbD. Das reduzierte Eisen-Schwefel-Zentrum überträgt das Elektron schließlich auf das in CfbD gebundene Substrat. Die ATP-Hydrolyse, gefolgt von der Dissoziation des Komplexes beschließt den ersten Elektronenübertragungsprozess. Dieser hypothetische Zyklus muss insgesamt sechs Mal ablaufen, um das Substrat vollständig zu reduzieren. Der beschriebene Reaktionszyklus gründet überwiegend auf Beobachtungen zur Funktionsweise der Nitrogenase. Im Fall des CfbC/CfbD müssen die vorgeschlagenen Schritte noch experimentell überprüft werden, was das Ziel dieses Projektes darstellt. Im Rahmen dieses Projektes soll daher der Mechanismus der Elektronenübertragung zwischen den beiden Eisen-Schwefel-Zentren und zwischen dem CfbD-Eisen-Schwefel-Zentrum und dem Substrat genauer untersucht werden. Dafür werden die Redox-Potentiale der Eisen-Schwefel-Zentren unter verschiedenen Bedingungen bestimmt, um diejenigen Bedingungen für einen energetisch günstigen Prozess zu definieren. Weiterhin wird getestet, ob Konformationsänderungen auftreten, um die Elektronenübertragung zu ermöglichen. Ein weiteres Ziel ist die Durchführung von Einzel-Elektronenübertragungen, um eventuell auftretende Substratradikale einzufangen. Schließlich soll die Struktur der CfbC/CfbD Reduktase aufgeklärt werden. Insgesamt soll dieses Projekt dazu beitragen, die Gemeinsamkeiten aber auch insbesondere die Unterschiede zwischen der CfbC/CfbD Reduktase und der Nitrogenase aufzuklären.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1927: Iron-Sulfur for Life