Indentifizierung und Charakterisierung der katalytischen Untereinheit von Heterodisulfid-Reduktase aus methanogenen Archaea

Heterodisulfid-Reduktase (Hdr) aus methanogenen Archaea katalysiert die reversible Reduktion des Heterodisulfids (CoM-S-S-CoB) aus Coenzym M (CoM-SH) und Coenzym B (CoB-SH), welches im letzten Schritt der Methanogenese neben Methan gebildet wird. CoM-Hdr ist ein paramagnetisches Intermediat, das dur...

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Main Author: Hamann, Nils
Contributors: Hedderich, Reiner (Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2007
Biologie
Subjects:
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Description
Summary:Heterodisulfid-Reduktase (Hdr) aus methanogenen Archaea katalysiert die reversible Reduktion des Heterodisulfids (CoM-S-S-CoB) aus Coenzym M (CoM-SH) und Coenzym B (CoB-SH), welches im letzten Schritt der Methanogenese neben Methan gebildet wird. CoM-Hdr ist ein paramagnetisches Intermediat, das durch die Halbreaktion von oxidiertem Enzym mit CoM-SH entsteht. Frühere spektroskopische Untersuchungen an CoM-Hdr deuteten auf das Vorliegen eines ungewöhnlichen [4Fe-4S]3+-Clusters im aktiven Zentrum des Enzyms hin, bei dem der Cluster mit CoM-SH als Ligand vorliegt. Bislang war nicht sicher, von welcher Hdr-Untereinheit das katalytische Zentrum gebunden wird. In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass die Untereinheit HdrB des HdrABC-Holoenzyms aus Methanothermobacter marburgensis den [4Fe-4S]-Cluster des katalytischen Zentrums trägt. Dazu wurde die Produktion von HdrB in E. coli optimiert und das [4Fe-4S]-Zentrum in Zellextrakten mit HdrB chemisch in vitro rekonstituiert. Das im Durochinon-oxidierten Zustand erhaltene rhombische EPR-Signal mit gzyx = 2,015, 1,995 und 1,950 war dem von CoM-Hdr sehr ähnlich. Oxidation von HdrB in Gegenwart von CoM-33SH, verbreiterte sich das Signal, was die direkte Bindung von CoM-SH an das [Fe-S]-Zentrum zeigte. EPR-Redoxtitrationen ergaben eine Mittelpunktspotential-Verschiebung des Clusters um etwa 55 mV auf 175 mV ± 10 mV in Anwesenheit von CoM-SH. ENDOR-Spektroskopie mit 57Fe-angereichertem HdrB machte deutlich, dass in Abwesenheit von Substrat oxidiertes HdrB ein [4Fe 4S]-Zentrum enthielt, welches eine zu CoM-Hdr sehr ähnliche elektronische Struktur aufwies. HdrB besitzt zwei in der Pfam-Datenbank als CCG-Domäne annotierte Sequenzmotive mit jeweils fünf Cysteinyl-Resten (CX31-39CCX35-36CXXC). Mutagenese-Studien führten zur Identifizierung der vier Cysteinat-Liganden des [4Fe-4S]-Zentrums. Diese waren ausschließlich in der C terminalen CCG-Domäne von HdrB lokalisiert. XAS-Spektroskopie identifizierte in Hdr eine isolierte Zink-Stelle mit S3(N/O)1-Koordination, die ebenfalls in HdrB lokalisiert war. Auf Grundlage der erhaltenen Daten wurde ein neues Modell für den Katalyse-Zyklus von Hdr vorgeschlagen. Mit der Identifizierung von HdrB als katalytische Untereinheit von Hdr konnte erstmals die Funktion eines CCG-Domänen-Proteins gezeigt werden. Untersuchungen an Untereinheit SdhE von Succinat:Chinon-Oxidoreduktase vom Typ E aus Sulfolobus solfataricus gaben Hinweise auf das Vorliegen eines [4Fe-4S]-Zentrums bei einem weiteren CCG-Domänen-Protein mit offensichtlich anderen Funktionen und Eigenschaften als das in HdrB. Der mögliche evolutionäre Zusammenhang wird diskutiert.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2007.0677