Strukturelle und funktionelle Untersuchungen an Substratbindeproteinen aus ABC-Transportern zur Aufnahme von kompatiblen Solute

Kompatible Solute wie Glycinbetain, Prolinbetain, Dimethylsulfonioacetat, Dimethylsulfoniopropionat, Homobetain, Cholin, Glucosylglycerol, Saccharose oder Trehalose schützen bakterielle Zellen vor osmotischem Stress, durch Aufrechterhaltung des Turgors, weil sie osmotisch aktiv sind ohne den Zell...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Höing, Marina
Beteiligte: Bremer, Erhard (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Deutsch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2008
Biologie
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Kompatible Solute wie Glycinbetain, Prolinbetain, Dimethylsulfonioacetat, Dimethylsulfoniopropionat, Homobetain, Cholin, Glucosylglycerol, Saccharose oder Trehalose schützen bakterielle Zellen vor osmotischem Stress, durch Aufrechterhaltung des Turgors, weil sie osmotisch aktiv sind ohne den Zellmetabolismus zu stören. Zusätzlich dazu protektieren kompatible Solute die Zellen noch auf zwei anderen Wegen: (i) in dem sie als Proteinstabilisierer fungieren, da sie von der Oberfläche von Proteinen ausgeschlossen sind und (ii) indem sie die Membranen osmotisch gestresster Zellen stabilisieren. Aus diesem Grund werden die kompatiblen Solute bis hin zu molaren Konzentrationen per de novo Synthese oder durch den Import dieser Stoffe aus der Umwelt akkumuliert. Die Aufnahme geschieht u. a. über hochaffine Transportsysteme des ATP-binding cassette (ABC) Typs. ABC-Transporter bestehen aus einem membrandurchspannenden Teil, der zwei Permeasen und zwei cytoplasmatisch vorliegende, assoziierte ATPasen enthält, sowie einem extrazellulären oder periplasmatischen Teil, dem Substratbindeprotein. Dieses Protein bindet die kompatiblen Solute mit hoher Affinität, beliefert den membrandurchspannenden Translokationskomplex mit dem Substrat und ermöglicht so die Aufnahme der Substrate in die Zelle. Substratbindeproteine von ABC-Transportern bestehen aus zwei globulären Domänen, die durch zwei Peptidlinker miteinander verbunden sind. Zwischen diesen Domänen entsteht ein tiefer Spalt, der die Substratbindetasche bildet. Die Bindung des Substrates induziert eine Konformationsänderung im Bindeprotein. Die Domänen bewegen sich wie eine greifende Hand aufeinander zu. Das Bindeprotein schließt sich und hält das gebundene Substrat tief im Inneren dieser Proteinspalte fest. Damit steht das kompatible Solute in direktem Kontakt mit dem Protein. Die interessante Frage dabei ist: Wie ist dies möglich? Kompatible Solute werden von Proteinoberflächen ausgeschlossen, ihre Makromolekül stabilisierenden Eigenschaften sind auf diese Tatsache zurück zu führen. Frühere Studien konnten bereits zeigen, dass für die kompatiblen Solute Glycinbetain, Prolinbetain, Ectoin und Hydroxyectoin Kation π-Interaktionen essentielle Determinanten in der Substratbindung darstellen. Kation π-Interaktionen sind ungewöhnlich starke Interaktionen zwischen den delokalisierten, negativ geladenen π-Elektronen eines aromatischen Systems und einem Kation bzw. einer positiven Partialladung in einem größeren Molekül. Diese Interaktionen sind stark genung um solche geladenen Komponenten, wie es auch die kompatiblen Solute sind, aus ihrer Hydrathülle, in der sie in aquatische Umgebung vorliegen, heraus zu ziehen und so ihre Bindung im Inneren eines Proteins zu ermöglichen. Dies wirft allerdings neue Fragen auf, deren Beantwortung Thema der vorliegenden Dissertation war: (i) wie können diese Proteine Substrate mit ähnlicher Ladungsverteilung unterscheiden oder anders gefragt, wie wird die Spezifität dieser Substratbindeproteine determiniert? (ii) wie werden ungeladene kompatible Solute wie die verschiedenen Zucker gebunden? Welche Interaktionen determinieren in diesem Fall die Spezifität und Affinität der Bindeproteine? Zur Beantwortung dieser Fragen wurden in der vorliegenden Arbeit drei Bindeproteine für kompatible Solute heterolog produziert, gereinigt und charakterisiert: OpuAC aus Bacillus subtilis, ChoX aus Sinorhizobium meliloti und GgtB aus Synchocystis sp. PCC6803. Anhand der Kristallstrukturen des OpuAC-Proteins im Komplex mit seinen Substraten Glycinbetain, Prolinbetain und DMSA in Kombination mit einer umfangreichen Mutagenesestudie konnten wichtige Erkenntnisse zur Ausbildung der Spezifität von Substratbindeproteinen für kompatible Solute gewonnen werden. Vergleiche von OpuAChomologen Proteinen aus Proteindatenbanken und der in dieser Arbeit untersuchten Proteine untereinander, brachten weitere Ergebnisse darüber, wie Spezifität über die Kombination zwischen aromatischen Interaktionen und Wasserstoffbrücken zur Substratbindung, durch Bindeproteine erreicht werden kann.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2008.0486