X-ray spectroscopy to characterize intermediates in the catalytic cycle of Mn-Fe and Fe-Fe ribonucleotide reductases

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Michael Haumann
• Fachliche Zuordnung: Biophysik
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2013
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 105880894

Die Superfamilie der Eisen-Sauerstoff Enzyme ist durch einen prototypischen homo-bimetallischen FeFe Kofaktor charakterisiert, welcher, über die Beteiligung von hochvalenten Intermediaten an Elektronentransfer (ET) Reaktionen, als O2-aktivierender Katalysator fungiert. Ribonukleotid Reduktasen (RNRs), essentiell für die DNA Synthese in allen Organismen, und Ligandenbindende Oxidasen, unerlässlich für anspruchsvolle Konversionsreaktionen, sind prominente Beispiele. Jüngste Resultate in diesem Gebiet haben gezeigt, dass in den R2-homologen Untereinheiten der Humanpathogenen Chlamydia trachomatis (Ct) und Mycobacterium tuberculosis (Mt) ein hetero-bimetallischer MnFe Kofaktor anstelle der normalen FeFe Spezies als Aktives Zentrum dient und MnMn Kofaktoren ebenfalls aktiv sind. Zudem funktionieren diese Kofaktoren sowohl in Anwesenheit wie in Abwesenheit des wohlbekannten Tyrosylradikals in standard RNRs. Diese Ergebnisse legen eine grundlegende Neuinterpretation des mechanistischen Konzepts dieses Kofaktortyps nahe. Neue Kristallstrukturen sind ein wichtiger Fortschritt, enthalten aber nur niedrigvalente Zustände der Metallbindestellen. Ziel diese Vorhabens ist die Bestimmung der molekularen Struktur und elektronischen Konfiguration der FeFe, MnFe und MnMn Kofaktoren in ihren O2-aktivierten, hochvalenten (III2; III,IV; IV2) Zuständen für Ct R2 und Mt Oxidase unter Verwendung fortgeschrittener Röntgenabsorptions und emissionsspektroskopie Methoden in Kombination mit Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen (XAES-DFT). Diese Parameter werden hinsichtlich des Einflusses von Assemblierungsprozeduren der Kofaktoren, Protonierung der Metallbindestellen, Interaktionen zwischen Proteinuntereinheiten und Auslösung der ET Prozesse untersucht. Die erwarteten neuen Informationen aus Spektroskopie und Theorie sollen dazu beitragen, die Bindestellen-selektive Metallinkorporation aufzuklären, Struktur-Funktionsbeziehungen in RNR und Oxidase zu vergleichen, die Rollen der verschiedenen Kofaktoren in Sauerstoffaktivierung und ET zu definieren, verbesserte Strategien für die Kristallographie der hochvalenten Proteinzustände zu entwickeln, sowie detaillierte Modellstrukturen zu konstruieren, um so vertiefte Einsichten in die Mechanismen der faszinierenden Vielfalt dieser bimetallischer Kofakoren zu gewinnen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen