Enzymatic reductions in the anaerobic aromatic at extremely low redox potentials
Final Report Abstract
Eine Vielzahl von fakultativ und obligat anaeroben Bakterien nutzen aromatische Wachstumssubstrate als ihre einzige Energie- und Kohlenstoffquelle. Anaerobe Aromatenabbauer nutzen eine Reihe einzigartiger Enzyme, um unter Ausschluss von Sauerstoff das schwierige Wachstumssubstrat ,Aromat' zu nutzen. Charakteristisch sind dabei reduktive enzymatische Prozesse, die auf sehr negativem Redoxpotential verlaufen. Häufig sind radikalische Mechanismen gezeigt/postuliert worden. Schlüsselenzyme sind Reduktasen, die Elektronen auf sehr negativem Redoxpotential übertragen wie beispielsweise die dearomatisierende Benzoyl-CoA Reduktase (BCR) oder die dehydroxylierende 4-Hydroxybenzoyl-CoA Reduktase (HCR). Die Funktionsweise beider Enzyme wurde im vorliegenden Projekt näher untersucht. Darüber hinaus wurde eine neue aromateninduzierte, sauerstoffdetoxifizierende Dienoyl-CoA Oxidase, sowie eine ungewöhnliche membrangebundene p-Cresol-Methylhydroxylase entdeckt und teilweise charakterisiert. Im Laufe des Projekts wurden folgende Ergebnisse erzielt/Erkenntnisse gewonnen: (1) Die relative Stereochemie der BCR aus T. aromatica wurde aufgeklärt, die Wasserstoffübertragung erfolgt stereospezifisch in trans. (2) Ungewöhnliche Wasserstoff/Deuterium-Austausche während der BCR-Reaktion ergaben klare Hinweise für ein Enoxy-Radikal-Intermediat mit einem sehr niedrigen pKa-Wert. Dies gilt als deutlicher Hinweise für einen Mechanismus, der ähnlich zur Birch-Reduktion in der chemischen Synthese verläuft. (3) Mit der Dienoyl-CoA Oxidase wurde ein neuartiges, sauerstoffdetoxifizierendes Enzym isoliert und charakterisiert. Es benutzt das Produkt der sauerstoffempfindlichen BCR als Donor zur Reduktion von O2 zu H2O. Ein Redox-Schalter sorgt dafür, dass das Enzym nur unter Sauerstoffstress aktiv ist. (4) Die Funktionsweise der 4-Hydroxybenzoyl-CoA Reduktase (HCR) wurde durch Kombination struktureller, EPR- spektroskoplscher und kinetischer Methoden unter Verwendung einer Reihe von Inhibitoren näher aufgeklärt. Das Enzym weist eine Reihe einzigartiger Eigenschaften Innerhalb der Xanthln-Oxidase-Famile der Mo-Enzyme auf. (5) Der Stoffwechsel p-hydroxyllerter Verbindungen in G. metallireducens wurde aufgeklärt. Er verläuft nach Methylgruppenhydroxyllerung über 4-OH-Benzoyl-CoA zu Benzoyl-CoA. Insbesondere die p-Cresol-Methylhydroxylase wurde näher untersucht. Sie ist außergewöhnlich fest an die Membran gebunden, und hat eine ungewöhnliche Untereinheiten-Zusammensetzung. Diese Eigenschaften dienen wohlmöglich dazu, die Energieausbeute beim p-Cresol-Abbau in obligat anaeroben Bakterien zu steigern.
Publications
- (2007) Genes, enzymes, and regulation of para-cresol metabolism in Geobacter metallireducens. J Bacteriol 189:4729-38
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- (2008) Mechanism of Enzymatic Birch Reduction: Stereochemical Course and Exchange Reactions of Benzoyl-CoA Reductase., J Am Chem Soc. 130:14050-1
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