Struktur und Funktion der Ethylbenzol Dehydrogenase, einer anaeroben Kohlenwasserstoff-Hydroxylase

• Main Author: Hagel, Corina
• Format: Others
• Language: German; de
• Published: 2007
• Online Access: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/773/1/Hagel_Final.pdf; Hagel, Corina <http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/view/person/Hagel=3ACorina=3A=3A.html> : Struktur und Funktion der Ethylbenzol Dehydrogenase, einer anaeroben Kohlenwasserstoff-Hydroxylase. [Online-Edition] Technische Universität, Darmstadt [Ph.D. Thesis], (2007)

Die Ethylbenzol Dehydrogenase ist das initiale Schlüsselenzym des anaeroben Ethylbenzol Abbauweges im dentrifizierenden Beta-Proteobakterium Aromatoleum aromaticum Stamm EbN1. Das Enzym ist ein Molybdänenzym und gehört zur DMSO-Reduktase Familie. Es katalysiert die Sauerstoff-unabhängige und stereospezifische Hydroxylierung von Ethylbenzol zu (S)-1-Phenylethanol. Hierbei handelt es sich um eine bisher einzigartige Reaktion, die anaerobe Oxidation eines aromatischen Kohlenwasserstoffes. Im nachfolgenden Ethylbenzol-Abbauweg wird (S)-1-Phenylethanol zu Acetophenon oxidiert, welches anschließend zu Benzoylacetat carboxyliert wird. Eine Aktivierung von Benzoylacetat zum korrespondierenden CoA-Thioester durch eine CoA-Ligase und eine thiolytische Spaltung von Benzoylacetyl-CoA führt abschließend zu einem zentralen Intermediat des anaeroben Aromaten-Metabolismus, Benzoyl-CoA und Acetyl-CoA. In der vorliegenden Arbeit wurde die Ethylbenzol Dehydrogenase kristallisiert und die Struktur des Enzyms aufgeklärt. Darüber hinaus wurden die redoxaktiven Kofaktoren des Enzyms genauer charakterisiert und ihre Redoxpotentiale bestimmt. Über detaillierte Substrat- und Inhibitorstudien wurde ein erster Reaktionsmechanismus postuliert. Des weiteren wurde ein Vektor für die Klonierung der Gene der Ethylbenzol Dehydrogenase für zukünftige Mutationsstudien des rekombinanten Enzyms konstruiert. Abschließend wurde das Enzym Benzoylacetat-CoA Ligase rekombinant mit einem His-Tag in Escherichia coli überproduziert. Im Einzelnen wurden folgende Ergebnisse erhalten: Die Ethylbenzol Dehydrogenase ist ein periplasmatisches Enzym und besteht aus drei Untereinheiten, Alpha, Beta und Gamma. Das Enzym wurde anaerob kristallisiert und seine Struktur wurde bei einer Auflösung von 1,88 aufgeklärt. Die Architektur der Kofaktoren ist ähnlich zu denen der respiratorischen Nitratreduktase NarGHI von Escherichia coli. In der Alpha-Untereinheit befindet sich das katalytische Zentrum mit einem Molybdän, welches von zwei Molybdopterin-Guanin Dinukleotiden ligandiert wird, von denen einer einen offenen Pyranring besitzt. Die Elektronen werden über fünf Eisen-Schwefel-Zentren (FS0-FS4) transportiert, von welchen sich eines (FS0) in der Alpha-Untereinheit und die anderen (FS1-FS4) in der Beta Untereinheit befinden. Das Fe-S-Zentrum (FS0), welches dem aktiven Zentrum am Nächsten liegt, besitzt einen ungewöhnlichen Histidin-Liganden. Terminaler Elektronenakteptor ist ein Häm b-Kofaktor, welcher sich in der Gamma-Untereinheit befindet. Hierbei handelt es sich um den ersten Häm-Kofaktor, welcher Methionin und Lysin als axiale Liganden besitzt. Aufgrund von Untersuchungen des Substrat- und Inhibitorspektrums und das detaillierte Studium von Inhibitionskinetiken neuer und bereits bekannter Inhibitoren der Ethylbenzol Dehydrogenase wurden neue Erkenntnisse zum Reaktionsmechanismus des Enzyms gewonnen. Die Ethylbenzol Dehydrogenase ist ein Enzym, welches über ein sehr großes Spektrum von ca. 20 Substraten bzw. ca. 22 Inhibitoren verfügt. Unter den Inhibitoren befinden sich sowohl gemischte, als auch kompetitive Inhibitoren, welche eine sehr starke Affinität zum aktiven Zentrum des Enzyms aufweisen. Die Kofaktoren der Ethylbenzol Dehydrogenase wurden über UV-Vis- und Elektronenspinresonanz-Spektroskopie genauer analysiert. Dabei wurde die Anwesenheit eines [3Fe-4S]-, drei der vier [4Fe-4S]-Zentren, eines Molybdän- und eines Häm b-Kofaktors nachgewiesen. Zudem wurden die Redoxpotentiale der einzelnen Redoxzentren der Ethylbenzol Dehydrogenase bestimmt. Die Mittelpunkt-Redoxpotentiale betragen für die Molybdän-Redoxpaare: +223 mV (MoVI/MoV), +82 mV (MoV/MoIV); für die Fe-S-Zentren: -15 mV (FS1), < -400 mV (FS2), -8 mV (FS3), -70 mV (FS4) und für den Häm b-Kofator: +256 mV. Die reduzierte Ethylbenzol Dehydrogenase ist sauerstoffempfindlich und verliert innerhalb einer Halbwertszeit von 7 Minuten ihre Aktivität. Über Inhibitions- und Spektroskopiestudien wurde nachgewiesen, dass der mögliche Sauerstoffmetabolit Wasserstoffperoxid das Enzym inaktiviert und Kofaktoren des Enzyms beschädigt. Auch die niedermolekulare Verbindung Stickstoffmonoxid wirkt als Inhibitor und möglicherweise als Inaktivator des Enzyms. Zusätzlich wurde für Stickstoffmonoxid eine Interaktion mit den Kofaktoren der Ethylbenzol Dehydrogenase nachgewiesen. Für zukünftige Mutationsstudien mit rekombinanter Ethylbenzol Dehydrogenase wurde ein "Broad-Host-Range"-Hybridvektor hergestellt, mit welchem die Gene der Ethylbenzol Dehydrogenase nicht nur in Escherichia coli, sondern auch in anderen Organismen, wie zum Beispiel der Gattung Aromatoleum überproduziert werden können. Aufgrund der schwierigen Reinigung der Benzoylacetat-CoA Ligase aus Aromatoleum aromaticum Stamm EbN1, wurde das Gen der Benzoylacetat-CoA Ligase bal in Escherichia coli mit einem C-terminalen His-Tag exprimiert. Die lösliche und funktionelle aktive rekombinante Benzoylacetat-CoA Ligase kann nun durch Affinitätschromatographie einfach aufgereinigt werden.