Structure and biochemistry of polyunsaturated fatty acid double bond isomerase from Propionibacterium acnes
Die Struktur und die Biochemishe Charakterisierung von der Fettsäure-Doppelbindungs-Isomerase von Propionibacterium acnes
by Alena Liavonchanka
Date of Examination:2007-11-27
Date of issue:2007-12-06
Advisor:Prof. Dr. Ivo Feußner
Referee:Prof. Dr. Ivo Feußner
Referee:PD Dr. Markus Rudolph
Referee:Prof. Dr. Christian Griesinger
Persistent Address:
http://dx.doi.org/10.53846/goediss-3287
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Format:PDF
Description:Dissertation
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Abstract
English
Conjugated linoleic acid (CLA) is a collective term describing positional and geometrical isomers of linoleic acid (LA, 18:2delta9Z,delta12Z). This class of compounds is receiving much attention in the field of lipid research due to its broad beneficial effects on human health, including normalization of body fat content, immunomodulatory and anti-carcinogenic properties. The major gaps in understanding of CLA biosynthesis exist up to date, impeding the efficient industrial production of pure CLA isomers. The present work was dedicated to the detailed description of reaction mechanism of the CLA producing isomerase from Propionibacterium acnes (PAI). For this, the atomic structure of PAI as free protein and as a complex with its CLA product was determined by X-ray crystallography. Monomeric PAI protein contains one molecule of non-covalently bound FAD, which acts as redox catalyst during the isomerization of LA. The enzyme recognizes the free carboxylic group of LA by polar interactions with two residues, Arg88 and Phe193, which act as a lock at the entrance to the active site. The transfer of proR-hydrogen from the position C11 of LA to the position C9 was predicted based on the structural data and confirmed by mass spectrometric analysis of isotopically labeled LA derivatives. FAD radical is likely to form during PAI turnover, as deduced from spectroscopic data and cofactor exchange. PAI represents the first structure of fatty acid double bond isomerase, providing the framework for characterization of related enzymes. Three of such putative CLA producing enzymes, distantly related to PAI, were shown to hydrate LA, forming hydroxy derivatives, which indicates that an alternative way for CLA biosynthesis exists in bacteria of Lactobacillus, Bifidobacterium and Streptococcus species.
Keywords: conjugated linoleic acid; Propionibacterium acnes; isomerase; FAD
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Konjugierte Linolsäure (CLA) ist ein Übergriff, der die geometrischen und Positions-Isomere der Linolsäure (LA, 18:2delta9Z,delta12Z) beschreibt. Das starke Interesse der Lipid-Forschung an dieser Klasse von Fettsäuren erklärt sich aus ihrer großen Bandbreite von vorteilhaften Effekten auf die menschliche Gesundheit, einschließlich der Normalisierung des Körperfett-Inhalts, Modulierung des Immunsystems und der antikarzinogenen Eigenschaften. Da noch immer große Lücken im Verständnis der CLA-Biosynthese vorhanden sind, ist die effiziente Industrieproduktion von reinen CLA-Isomeren eingeschränkt. Die vorliegende Arbeit beschreibt den Reaktionsmechanismus der Isomerase von Propionibacterium acnes (PAI), die CLA herstellt. Der Reaktionsmechanismus basiert auf der Atomstruktur von PAI als ein freies Protein und im Komplex mit ihrem CLA Produkt. PAI wurde als monomerisches Protein kristallisiert und die Struktur wurde durch die Röntgenstrahl-Kristallographie bestimmt. Jedes PAI Monomer enthält ein Molekül von nicht-kovalent gebundenem FAD, das als Redox-Katalysator während der Isomerisierung von LA funktioniert. Das Enzym erkennt die freie Carboxylgruppe von LA durch polare Wechselwirkungen mit den zwei Aminosäuren Arg88 und Phe193, die als ein Schloss am Eingang zum aktiven Zentrum funktionieren. Die Übertragung von pro-R-Wasserstoff von der Position C11 von LA zur Position C9 wurde durch die Strukturanalyse vorausgesagt und durch die Massenspektrometrie von Isotopen markierter LA bestätigt. Aus den spektroskopischen Daten und dem Cofaktor-Austausch kann gefolgert werden, dass das FAD-Radikal wahrscheinlich während des PAI Umsatzes generiert wird. Die PAI repräsentiert die erste Struktur einer Fettsäure-Doppelbindungs-Isomerase und stellt damit ein System für die Charakterisierung von verwandten Enzymen dar. Für drei solcher mutmaßlicher CLA produzierender Enzyme, die eine geringe Ähnlichkeit mit PAI aufweisen, wurde gezeigt, dass sie LA hydratisieren können. Somit könnte ein alternativer Stoffwechselweg für die CLA-Biosynthese in Bakterien von Lactobacillus, Bifidobacterium und Streptokokkus spp. bestehen.
Schlagwörter: Konjugierte Linolsäure; Propionibacterium acnes; Isomerase; FAD