Die Atmungskette ist für aerob lebende Organismen die wichtigste Quelle zur
Erzeugung von Energie. Der Cytochrom c Oxidase (COX) kommt hierbei als letztem
Enzym innerhalb der Elektronentransportkette eine besondere Bedeutung zu. Im
mitochondrialen Fall besteht die Oxidase aus bis zu 13 Untereinheiten, deren
Assemblierung in einem gerichteten und strikt regulierten Prozess von statten geht.
Defekte innerhalb des Assemblierungsprozesses führen zu schweren respiratorischen
Defiziten, die die Ursache für neurodegenerative und myopathische Erkrankungen
sind. Der Assemblierungsprozess wird bei der Hefe von mehr als 30 verschiedenen
Proteinfaktoren begleitet, die sich letztlich nicht als Untereinheiten im COX Holoenzym
finden.
Die Cytochrom c Oxidase des Bodenbakteriums Paracoccus denitrificans weist nicht
nur eine hohe strukturelle Ähnlichkeit zu den Haupt-Untereinheiten I-III der
mitochondrialen Oxidase auf, sondern das Bakterium kodiert ebenfalls für eine Reihe
von Assemblierungsfaktoren, die am Einbau der Häm a- und Kupfer-Kofaktoren
beteiligt sind. Beispiele hierfür sind die Biogenesefaktoren Häm a Synthase (CtaA)
und die Surf1-Proteine (Surf1c und Surf1q), deren biochemische Charakterisierung
das vorrangige Ziel dieser Arbeit war.
In diesem Sinne wurden für CtaA Expressions- und Aufreinigungsprotokolle
entwickelt, die es erlaubten, das Enzym in drei spektroskopisch unterscheidbaren,
mit verschiedenen Häm-Typen beladenen Formen zu isolieren.
Mit Hilfe einer Mutationsstudie konnten sowohl für Surf1c als auch für Surf1q an
einer Häm a-Bindung beteiligte Aminosäurereste identifiziert werden. Hierbei
erlaubte insbesondere die Charakterisierung eines konservierten Tryptophanrestes die
Entwicklung eines Bindungsmodells von Häm a an Surf1.
Die Etablierung eines in vitro Häm-Transfer Assays wies zum ersten Mal eine
direkte Interaktion zwischen CtaA und Surf1 nach, in deren Verlauf spezifisch
Häm a von CtaA auf Surf1 übertragen wird.
Expressionsstudien von CtaA in Paracoccus zeigten zweifelsfrei, dass die Synthese
von Häm a auf Ebene des Vorläufermoleküls Häm b reguliert ist und eine Synthese
des Kofaktors an eine Abgabe an Untereinheit I im Rahmen der COX-Biogenese
gekoppelt ist.
Eine nähere Charakterisierung der durch Deletion von surf1c hervorgerufenen
Defekte der COX erwies, dass die Oxidase neben einer bereits beschriebenen
Reduktion des Häm a-Gehalts überraschenderweise auch in Form von Häm b einen
unphysiologischen Häm-Typ bindet.
Zusammengenommen erhärten die gewonnen Erkenntnisse die These, dass Surf1
direkt an der Inkorporation der Häm a-Kofaktoren in die Untereinheit I der Oxidase
beteiligt ist. Dabei wirkt das Protein möglicherweise als molekularer Filter, der für
den Einbau des physiologisch bedeutsamen Häm-Typs (Häm a) verantwortlich ist.
Darüber hinaus stabilisiert es als vermittelnder Faktor die Interaktion von CtaA und
Untereinheit I und sorgt somit für einen erleichterten und koordinierten Einbau des
Häms in die Oxidase.
Die in dieser Arbeit am bakteriellen Modellsystem gewonnen Erkenntnisse sollten
aufgrund der hohen Ähnlichkeit sowohl der Cytochrom c Oxidase als auch der
beteiligten Biogenesefaktoren direkte Rückschlüsse auf die Geschehnisse im
humanen System erlauben.