Molecular Dynamics Simulations on Nitrogenase - Signaling pathways and ATP hydrolysis

• Applicant: Dr. Henrik Möbitz
• Subject Area: Biochemistry
• Term: from 2003 to 2005
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 5415423

In allen Lebensbereichen übernehmen D-Aminosäuren wichtige, hochspezialisierte Funktionen, so etwa als Baustein der bakteriellen Zellwand. Sie werden aus L-Aminosäuren durch Aminosäure-Racemasen (AAR) synthetisiert. Der Mechanismus der Kofaktorfreien AAR hat Biochemiker seit langem fasziniert. Diese Familie von Enzymen besitzen zwei katalytische Cysteine im aktiven Zentrum, die das Substrat einspannen. Dabei wirkt, je nachdem, in welche Richtung die Reaktion verläuft, ein Cystein-Thiolat als Base und das andere, protonierte Cystein als Säure. Die beiden Protonierungsformen sind ineinander überführbar, und entsprechend weisen sie eine Spezifität gegenüber dem D- oder L-Enantiomer auf. In letzter Zeit wurden die Kristallstrukturen mehrerer AAR gelöst, unter ihnen Aspartat-Racemase (AspR) und Glutamat-Racemase (MurI, von Murein abgeleitet). Es zeigte sich, dass sowohl AspR als auch MurI pseudo-symmetrische Aktive Zentren besitzen, die die beobachtete Enantiomerendiskriminierung erklären können. Unklar aber bleibt, wie die Reaktion selber abläuft, da der pKa-Wert des zu abstrahierenden Protons (~ 21) und der Cysteine (~ 8) sehr weit auseinanderliegen und deren Distanz (größer als 8 A) einen konzertierten Protonentransfer unmöglich machen. Daher müssen weitere Faktoren, etwa korrelierte innere Bewegungen des Enzyms, beteiligt sein. Auf Basis der strukturellen Daten für AspR und MurI sollen diese Fragen mit rechnerischen Methoden, vor allem Molekularer Dynamik, untersucht werden. Die Erkenntnisse dieser Untersuchungen können der Antibiotikaentwicklung dienlich sein.

• DFG Programme: Research Fellowships
• International Connection: USA
• Cooperation Partner: Professor Dr. Thomas C. Bruice