High-valent iron oxidation states and protein radicals in cytochrome P450 and NO synthases

• Applicants: Professor Thomas Kietzmann, Ph.D.; Professor Dr. Volker Schünemann
• Subject Area: Biological and Biomimetic Chemistry
• Term: from 2007 to 2011
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 36145507

Während der letzten Jahre ist gezeigt worden, dass Moleküle wie NO, O2, CO, O2- und H2O2 eine wichtige Rolle bei der Signaltransduktion in biologischen Systemen spielen. Diese Moleküle entstehen vorwiegend über die Aktivierung von Peroxospezies bzw. molekularen Sauerstoff durch Hämproteine. NO-Synthasen (NOS) und Cytochrome P450 (P450) spielen hierbei eine besondere Rolle. Im Reaktionszyklus dieser Enzyme wird eine kurzlebige Zwischenstufe postuliert, deren elektronische Struktur allgemein als ein Fe(IV)=O Porphyrin--Kation-Radikal-System angesehen wird. Seine Existenz wurde allerdings bisher nicht schlüssig nachgewiesen. Unsere ersten Untersuchungen mit Mössbauerund EPR-Spektroskopie zeigen nun, daß im P450 zwar eine intermediäre Fe(IV)-Spezies entsteht, die aber nicht mit der Bildung eines Porphyrin--Kationradikal, sondern mit der Bildung von proteinbasierten Radikalen einhergeht. Erste Untersuchungen an NOS zeigen analoges Verhalten. Diese von uns erstmalig erhobenen Befunde eröffnen einen unerwarteten und neuen Ansatzpunkt, den Reaktionsmechanismus dieser Enzyme zu überdenken und eventuell neu zu formulieren. Es wird daher vorgeschlagen, unter Einsatz verschiedener Spektroskopien (EPR, Mössbauer, UV-Vis) gekoppelt mit Trigger- und Trapping-Methoden (Freeze-Quench, Stopped-Flow) sowie ortsgerichteter Mutagenese der Proteine, die Intermediate am Beispiel von P450 und NOS im Detail zu studieren. Langfristiges Ziel ist es, zu erkennen, welche Proteinstruktureigenschaften darüber bestimmen, ob Protein- oder Häm-basierte Radikale erzeugt werden. Diese Einblicke werden für die Beurteilung von Fehlregulationen in biologischen Systemen z. B. infolge von mutationsbedingter Entstehung von toxischen Proteinradikalen von Bedeutung sein.

• DFG Programme: Research Grants