Structure and biochemistry of polyunsaturated fatty acid double bond isomerase from Propionibacterium acnes

Abstract

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.