Crystallographic studies on diheme cytochrome <i>c</i> enzymes

Abstract

Abhängig von ihrer Umwelt und ihrem physiologischen Zustand bilden Bakterien unterschiedliche Elektronentransportketten aus. Elektronentransportsysteme in der inneren Membran übertragen Elektronen von verschiedenen Elektronendonoren wie NADH, organischen Molekülen oder Wasserstoff an lösliche Elektronenakzeptoren wie z.B. Sauerstoff, Nitrat oder Sulfat. Da Geobacter-Arten zu den vorherrschenden Mikroorganismen in vielen Bodenhabitaten gehören, wo die dissimilatorische Metallreduktion den dominierenden Stoffwechelprozess darstellt, ist der Elektronentransport innerhalb der Bakterien zu den unlöslichen Eisen(III)oxiden besonders interessant. Ziel der vorliegenden Arbeit war, die Funktion der periplasmatischen c-Typ Cytochrome CcpA und MacA des δ-Proteobakteriums Geobacter sulfurreducens aufzuklären und beide Proteine biochemisch wie auch strukturell zu charakterisieren.Bakterielle Cytochrom c Peroxidasen sind eine weit verbreitete Familie von periplasmatischen Enzymen, die Elektronen aus dem zentralen Stoffwechsel erhalten und die Reduktion von Wasserstoffperoxid mit Hilfe des Häm-Kofaktors katalysieren. Die beiden Proteine aus Geobacter sulfurreducens wurden im Hinblick auf Peroxidase-Aktivität untersucht, welche auch tatsächlich nachgewiesen werden konnte. Bei CcpA wie auch bei MacA handelt es sich also um Cytochrom c Peroxidasen, deren physiologischer Elektronendonor allerdings noch unbekannt ist. Eine direkte Beteiligung von CcpA und MacA am Elektronentransport zu unlöslichem Eisen wird angenommen (Butler et al., 2004), konnte aber bislang nicht eindeutig nachgewiesen werden und erscheint auf der Basis der Ergebnisse der vorliegenden Arbeit eher unwahrscheinlich.Da die Struktur der homologen Cytochrom c Peroxidase aus dem Organismus Pseudomonas aerugiosa gelöst ist (Fülöp et al., 1995), war es möglich, die Kristallstrukturen von CcpA und MacA durch Molekularen Ersatz zu bestimmen. CcpA und MacA bilden Dimere und besit zen jeweils zwei Hämgruppen pro Monomer, wobei sich die Hämgruppen in zwei verschiedenen Domänen befinden. Im hydrophoben Interface zwischen den beiden Domänen befindet sich ein Calciumion, das wahrscheinlich der Stabilisierung der Reste, die am Elektronentransfer zwischen den beiden Hämgruppen beteiligt sind, dient. Die Strukturen von CcpA und MacA sind den Strukturen der schon bekannten Cytochrom c Peroxidasen sehr ähnlich. Der Vergleich zeigt weiterhin, dass der Hauptunterschied zu den schon bekannten Cytochrom c Peroxidasen aus anderen Organismen hauptsächlich vom Austausch geladener Reste an der Oberfläche herrührt, wodurch die Proteine aus Geobacter sulfurreducens deutlich basischer sind.Das als rubber oxygenase bezeichnete Protein RoxA aus Xanthomonas sp. Stamm 35Y ist ein 74.1 kDa großes, Dihäm-Cytochrom c, das in vitro zur Spaltung von Kautschuk in der Lage ist. Die Struktur von RoxA wurde durch Multiwavelength Anomalous Dispersion-Phasierung (MAD) gelöst und bis zu einer Auflösung von 1.8 Å verfeinert. In den Datenbanken wurden keine Strukturen gefunden, die eine signifikante Ähnlichkeit zu der Gesamtstruktur von RoxA zeigen. Allerdings weist der Bereich, in dem sich die beiden Hämgruppen befinden, strukturelle Homologien zu bakteriellen Dihäm-Cytochrom c Peroxidasen auf. Die beiden Hämgruppen sind annähernd senkrecht zueinander angeordnet, wobei die beiden Eisenatome 21.5 Å voneinander entfernt sind. Aminosäurereste, denen eine essentielle Rolle im Elektronentransfer zwischen den Hämgruppen nachgesagt wird, sind in der Struktur von RoxA vorhanden.